Двухтактные каскады с повышенным КПД на реальном звуковом сигнале

Рассмотренные оконечные каскады усиления мощности в режимах классов А и В (АВ) имеют теоретически максимальный КПД η =50% и 78,55% соответственно. Но у реальных усиливаемых колебаний амплитуда редко бывает максимальной. Если звуковой сигнал считать квазигармоническим, средняя амплитуда которого составляет около 30% от максимальной, то коэффициент использования напряжения питания ξ ≈0,3 и η даже в режиме класса В составляет лишь 24%. Обычно усилитель используется не на полную мощность, при этом η снижается пропорционально установке регулятора громкости. Повышение η не только даёт экономию энергии источника питания, но и уменьшает мощность потерь в транзисторах. Отсюда вытекает повышение надёжности, уменьшение размеров и материалоёмкости усилителя и источников питания.

Главным потребителем энергии усилителя является оконечный каскад. Основными принципами построения оконечных каскадов с повышенным η в настоящее время является применение ключевого режима с использованием ШИМ усиливаемого сигнала и аналого-дискретного режима работы транзисторов [1].

Ключевой режим с использованием ШИМ характеризуется высоким η, но имеет ряд существенных недостатков: малый динамический диапазон, существенный уровень пульсаций, значительные радиопомехи.

От этих недостатков свободен аналого-дискретный режим работы выходных транзисторов, иногда называемый режимом класса ВС.

а)	б)

Рис. 5.15. Питание плеча усилителя от двух источников напряжений:

а – схема; б – временные диаграммы токов

Простейшая схема одного плеча (рис. 5.15,а) с питанием от двух источников напряжений Е_П1 и Е_П2 содержит два последовательно включённых транзистора VT₁ и VT₂ . При малых мгновенных значениях U_ВХ работает только транзистор VT₁ . Его питание осуществляется через диод D₁ от источника с малым напряжением Е_П1. При этом транзистор VT₂ заперт напряжением U_КЭ1, которое близко к Е_П1. По мере увеличения U_ВХ растёт ток коллектора транзистора VT₁ и падение напряжения на сопротивлении R_Н, а напряжение U_КЭ1 начинает падать. Наступает неравенство U_ВХ > U_КЭ1, и открывается транзистор VT₂ , ток через диод D₁ уменьшается и при дальнейшем росте U_ВХ прекращается и отключает источник Е_П1. Поэтому диод D₁ называется отключающим.

Дальнейшее питание схемы осуществляется от источника с более высоким напряжением Е_П1 + Е_П2 [1, 9]. На временных диаграммах токов (рис. 5.15,б) показаны: 1 – ток от источника Е_П1 через диод D₁, 2 – ток коллектора транзистора VT₂ от источников Е_П1 + Е_П2 , 3 - ток в нагрузке R_Н.

а)	б)
Рис. 5.16. Выходной каскад усилителя класса ВС: а – схема; б – временные диаграммы токов

Реальная схема выходного каскада усилителя класса ВС приведена на рис. 5.16,а, где в каждом плече включены по два транзистора и по два источника напряжения. Временные диаграммы токов приведены на рис. 5.16,б, где показаны: 1а – ток через отключающий диод D₁, 1б – ток коллектора транзистора VT_2а , 2а – ток через отключающий диод D₂, 2б– ток коллектора транзистора VT_2б , 3 - ток через сопротивление R_Н.

Применение режима класса ВС, несмотря на некоторое усложнение схемы, обеспечивает на реальном звуковом (вещательном) сигнале по сравнению с режимом класса В: снижение потребляемой мощности в два и более раз, увеличение срока службы источников питания в два раза, уменьшение суммарной поверхности теплоотводов для оконечных транзисторов примерно в 8 раз, значительное уменьшение материалоемкости аппаратуры [9].