Тема: Підсилювачі потужності

1. Поняття підсилювачів потужності.

2. Режими роботи підсилювачів.

3. Однотактні підсилювачі потужності.

4. Двотактні підсилювачі потужності.

Кінцеві (вихідні) каскади підсилення, які призначені для передавання у зовнішнє навантаження максимально можливої потужності, називають підсилювачами потужності.

На відміну від каскадів попереднього підсилення, підсилювачі потужності працюють при великих амплітудах сигналів, які захоплюють нелінійні ділянки вольт-амперних характеристик транзисторів. Це може призводити до появи спотворення форми сигналів. Навантаженням підсилювачів потужності часто служать обмотки реле, двигунів, гучномовців i інші пристрої, які мають порівняно невеликий опір (одиниці і десятки Ом). Вихідний опір підсилюючих каскадів з загальним емітером складає сотні Ом і одиниці кілоОм. Так як отримання максимальної потужності у навантажені можливе лише за умови рівності опорів, то існує проблема узгодження вихідного опору підсилювача потужності з опором навантаження. Важливе практичне значення для підсилювачів потужності має коефіцієнт корисної дії, що характеризує їх економічність.

Величина максимальної неспотвореної потужності (максимальний неспотворений вихідний сигнал) та коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) вихідного каскаду визначаються типом транзистора, режимом його роботи та схемою побудови каскаду. Розрізняють три основні режими роботи транзисторів у вихідних каскадах підсилення - A, B і AB (рис.2.1).

Рис.2.1. Режими роботи підсилювачів А (а), В (б) і АВ (в).

Режимом класу A називають режим, при якому вихідний струм протікає на протязі усього періоду підсилюваного сигналу Для роботи в режимі класу A на базу транзистора подається така напруга зміщення , щоб робоча точка, яка визначає стан підсилювача при відсутності вхідного сигналу, знаходилася приблизно посередині лінійної ділянки вхідної характеристики транзистора (рис.2.1, а). В режимі A нелінійні спотворення сигналу мінімальні, однак к.к.д. каскаду низький і складає 20-30%. Пояснюється це тим, що в режимі класу A амплітудне значення змінної складової сигналу не може перевищувати величину постійної складової.

Режим роботи з відсічкою у 90⁰, при якому вихідний струм протікає на протязі половини періоду, називається режимом класу B. Кутом відсічки q прийнято називати фазовий кут, який відповідає половині проміжку часу, на протязі якого протікає колекторний струм транзистора. В режимі В робоча точка вибирається на початку вхідної характеристики так, щоб струм спокою транзистора був рівний нулю (рис.2.1, б). Режим В характеризується великим к.к.д., 60-70% , однак вихідний сигнал має форму імпульсів, тому нелінійні спотворення дуже великі.

Режим роботи класу AB проміжний між A i B (ближчий до В). В режимі AB транзистор працює з таким зміщенням, що робоча точка в стані спокою знаходиться на початку лінійної ділянки перехідної характеристики (рис.2.1,в). Імпульси колекторного струму транзистора мають тривалість дещо меншу від половини періоду (кут відсічки менший 90 градусів).

Схеми вихідних каскадів поділяються на одно- і двотактні, трансформаторні і безтрансформаторні.

Найпростішим підсилювачем потужності є однотактний підсилювач потужності з трансформаторним виходом (рис.2.2,а). Транзистор в однотактному підсилювачі потужності вмикають по схемі з загальним емітером. Він працює в режимі класу A. Початкове зміщення на базі транзистора задають резистори Rб1 і Rб2. Понижуючий трансформатор Тр узгоджує високий вихідний опір підсилювача Rвих з низьким опором навантаження Rн і формує струм у навантаженні.

Для колекторного кола транзистора трансформатор створює активне навантаження , рівне опру навантаження Rн зведеному до первинної обмотки трансформатора

де k - коефіцієнт трансформації трансформатора.

Рис.2.2.Схема однотактного трансформаторного підсилювача

потужності (a) i графічні пояснення роботи (б).

Коефіцієнт трансформації визначається співвідношенням числа витків первинної w1 і вторинної w2 обмоток трансформатора:

.

Змінюючи коефіцієнт трансформації, можна забезпечити умову рівності опорів Rвих=Rн. Узгодженому режиму роботи підсилювача відповідає коефіцієнт трансформації

.

За допомогою резистора Rе здійснюється стабілізація роботу каскаду при зміні температури. Конденсатор Се шунтує резистор Re для змінної складової струму, що не зменшує коефіцієнт підсилення.

Особливості роботи однотактного підсилювача потужності ілюструє рис.7.2,б. На рисунку зображена сім'я вихідних статичних характеристик транзистора. Там же показана лінія гранично допустимої потужності транзистора Pк.max, що має форму гіперболи. Разом з прямими гранично допустимих значень струму Iк.max і напруги Uк.max вона обмежує робочу область характеристик. Положення навантажувальної прямої АВ визначається напругою колекторного живлення Ек та величиною опору Rн. Їх вибирають так, щоб площа між навантажувальною прямою і вісями координат була максимальною, а саме пряма не виходила за межі робочої області. Положення робочої точки P при відсутності вхідного сигналу вибирається по середині навантажувальної прямої.

В процесі роботи однотактного підсилювача потужності з трансформаторним виходом через первинну обмотку трансформатора протікає постійна складова колекторного струму Iко, що визиває додаткове намагнічування осердя трансформатора. Постійне підмагнічування осердя негативно позначається на роботі трансформатора і приводить до додаткових нелінійних спотворень сигналу.

Двотактний підсилювач потужності складається з двох однакових плеч (рис.2.3, а), які працюють у протифазi. Кожне плече є окремим каскадом підсилювача потужності, але їх спільна робота надає підсилювачу нових якостей. Двотактні підсилювачі потужності можуть працювати в режимах B чи AB. Вхідний трансформатор Tр1 має вивід від середини вторинної обмотки. На базах транзисторів він формує дві напруги Uвх1 і Uвх2, амплітуди котрих одинакові, але фази протилежні. Резистори R1 i R2 створюють на базах транзисторів невеликі зміщення, необхідні для роботи в режимі AB (в режимі В вони можуть бути відсутні). Вихідний трансформатор Tр2 має вивід від середини первинної обмотки, який під'єднано до джерела колекторного живлення. В режимі спокою, при відсутності вхідного сигналу, через половини первинної обмотки і колектори транзисторів VT1 i VT2 протікають початкові струми Iко1 i Iко2 у протилежних напрямках (рис.2.3, а).

Магнітні потоки, створені струмами спокою транзисторів, компенсуються, тому трансформатор двотактного каскаду працює без постійного підмагнічування.

В режимі B початкові значення струмів транзисторів практично рівні нулю. При подачі на бази протифазних синусоїдних напруг один з транзисторів, наприклад VT1, відкривається, тоді як інший (VT2) залишається у відсічці. На протязі першої половини періоду колекторний струм транзистора VT1 змінюється за синусоїдним законом (рис.2.3,б). Протікаючи частиною первинної обмотки Tр2, він створює змінний магнітний потік, який у вторинній обмотці Тр2 наводить електрорушійну силу, яка зумовлює струм у навантаженні. Так формується додатна півхвиля струму у навантаженні. Другу половину періоду працює транзистор VT2 і формує від'ємну півхвилю струму у навантаженні. В результаті в первинній обмотці трансформатора протікає струм синусоїдної форми, рівний різниці колекторних струмів i = i1 - i2. Тому, струм вторинної обмотки має синусоїдну форму і рівний .

Рис.2.3.Схема двотактного трансформаторного підсилювача

потужності (a) i основні характеристики (б).

Найбільш ефективною є робота двотактного каскаду в режимі AB, при якому нелінійні спотворення мінімальні, так як з роботи виключаються початкові нелінійні ділянки вхідних характеристик транзисторів. Додатковою перевагою двотактних підсилювачів потужності є те, що вони мало чутливі до пульсацій напруги живлення. Пульсації напруги живлення визивають однакові зміни колекторних струмів, які компенсуються у трансформаторі.

При автоматизації виробничих процесів використовують потужні фазочутливі підсилювачі з живленням від джерел змінного струму. Підсилювач з синфазним змінним живленням за принципом дії аналогічний двотактному підсилювачу з трансформаторним виходом. Однак кожен транзистор працює на протязі однієї половини періоду, на протязі другої - закритий. Якщо навантаженням підсилювача буде електричний двигун, то в залежності від фази вхідного сигналу, він буде змінювати і напрямок обертання.

Використання трансформаторів у підсилювачах потужності крім переваг, має і недоліки. Трансформатори мають великі габарити і вагу, вносять додаткові спотворення, складні у виготовленні.

Тому в даний час все більше застосування мають двотактні підсилювачі потужності з безтрансформаторним виходом. Для роботи в таких підсилювачах потужності підбираються пари транзисторів з однаковими параметрами, але різного типу провідності. Такі пари транзисторів називають комплементарними. Транзистори вмикають по схемі з загальним колектором (рис.2.4,а) для забезпечення мінімального вихідного опору підсилювача. Конденсатор C не пропускає постійну складову струму емітерів транзисторів у навантаження.

Рис.2.4. Схема двотактного безтрансформаторного підсилювача

потужності (a) i часові діаграми роботи (б).

На базах транзисторів діє однакова вхідна напруга. Через різну структуру транзисторів струми в їхніх колекторних колах протифазні (рис.2.4, б). В навантажувальному резисторі Rн змінні складові струмів мають різний напрямок, тому результуючий струм у два рази більший, ніж струм окремого транзистора.

Недоліком безтрансформаторного двотактного каскаду є необхідність підбирати пари потужних транзисторів різного типу провідності з однаковими параметрами. У потужних підсилювачах ємність розділяючого конденсатора С складає десятки тисяч мікрофарад. Він розрахований на значну напругу і має великі габарити. Використовуючи двополярне джерело живлення, можна добитися нульового потенціалу точки з’єднання емітерів транзисторів при відсутності вхідного сигналу. В такому разі розділяючий конденсатор непотрібен і зв'язок підсилювача з навантаженням стає безпосереднім.

В сучасній електронній апаратурі все частіше використовуються підсилювачі потужності на основі інтегральних мікросхем, зокрема серії К174. Номінальна потужність підсилювачів у інтегральному виконанні лежить у межах від одиниць до десятків ват. Вони розраховані на навантаження 4 -8 Ом. У схему підсилювача разом з мікросхемами вмикаються також коригуючі ланки, змінні резистори та розділяючі конденсатори.

Питання для самоконтролю: