Разработка принципиальной схемы усилителя мощности

Оконечные каскады усиления мощности в режимах А и B имеют теоретически максимальный КПД 50 и 78.54 % соответственно. Но у реальных усиливаемых колебаний амплитуда редко бывает равна максимальной. Например, звуковой сигнал можно считать квазигармоническим, средняя амплитуда которого около 30 % от максимальной. В этом случае КПД усилителя даже в режиме B составляет лишь 24 %. Обычно усилитель используют не на полную мощность. Так, регулятор громкости усилителей звуковой частоты чаще всего устанавливают на малый уровень. При этом КПД пропорционально снижается. Низок КПД мощных усилителей постоянного тока, применяемых, например, в устройствах автоматики и различных регуляторах.

Повышение КПД усилителей обеспечивает экономию энергии источника питания и уменьшает мощность потерь в транзисторах. Оба эти преимущества взаимно обуславливают друг друга, но ценным является каждое из них. Отсюда, в частности, вытекает повышение надежности, уменьшение общих размеров и материалоемкости усилителя и источника питания.

Для всего усилителя КПД в основном определяется его оконечным каскадом как главным потребителем энергии питания. Основными принципами построения оконечных каскадов с повышенным КПД в настоящее время является применение ключевого или аналого-дискретного режимов работы транзисторов.

В качестве усилителя мощности используется схема двухтактного ключевого каскада. Отличие от однотактного ключевого каскада в том, что в первый полупериод усиливаемого напряжения сигнала поступают только на базу транзистора VT1. Каждая полуволна открывает один транзистор, в результате чего ток протекает от источника питания Еп1 через элементы схемы VT1 и цепь Rn. Во второй полупериод сигнал поступает на базу второго транзистора и плечи как бы меняются ролями.

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360°

Основная проблема использования биполярных транзисторов в режиме А – температурная зависимость тока покоя. При неизменном напряжении смещения базы – эмиттер коллекторный ток возрастает примерно на 8% на каждый градус температуры. В результате транзистор может перегреться и выйти из строя.

Рисунок 4 – Принципиальная схема усилителя мощности

Принципиальная схема мощного корректирующего усилителя

Исходя из того, что было сказано выше, изобразим окончательную схему усилителя мощности (рисунок 5).

Рисунок 5 – Принципиальная схема усилителя мощности класса А

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ

Предварительный расчет корректирующей части

Общий коэффициент усиления корректирующего усилителя, состоящего из последовательно соединенных звеньев (корректирующих цепей) равен произведению их коэффициентов усиления (если же коэффициенты усиления выражены в дБ, то их сумме).

Корректирующий усилитель должен обеспечивать коэффициент усиления:

- на нижних частотах 50 дБ;

- на средних частотах 38 дБ;

- на высших частотах 46 дБ.

Т.к. усилителям-корректорам сложнее работать на нижних частотах, то обеспечим на них одинаковый коэффициент усиления обоих корректирующих каскадов.

Исходя из этого начальный коэффициент усиления для первого корректирующего звена H1 (или K1) примем равным 20 дБ, для второго H2 (или K2) - равным 10 дБ.

Комплексный коэффициент усиления для первого звена можно вычислить по формуле (1):

, (1)

где p - оператор Лапласа;

- комплексный коэффициент передачи первого звена корректирующего усилителя;

, - комплексные сопротивления цепи обратной связи первого звена корректирующего усилителя.

,

.

Подставляя выражения для Z1(p) и Z2(p) в формулу (1) после необходимых преобразований, получим:

,

,

где

, (2)

, (3)

. (4)

Исходя из желаемой характеристики коррекции, начальный коэффициент усиления первого звена корректирующего усилителя K1 = 300, f1 = 30 Гц и f2 = 160 Гц. Следовательно, , .

Задаем значение свободно выбираемому элементу. При этом нужно помнить, что минимальное сопротивление нагрузки ОУ должно быть не менее 2 кОм.

Пусть R2 = 1 кОм, тогда подставляя значения для K1 и R2 в уравнение (2) и решая его относительно R2, получим:

.

Решаем совместно уравнения (3) и (4):

, откуда

.

Комплексный коэффициент усиления для второго звена можно вычислить по формуле (5):

, (5)

где p - оператор Лапласа

- комплексный коэффициент передачи второго звена корректирующего усилителя;

, — комплексные сопротивления цепи обратной связи второго звена корректирующего усилителя.

,

.

Подставляя выражения для Z3(p) и Z4(p) в формулу (5) после необходимых преобразований, получим:

, (6)

, (7)

. (8)

Исходя из желаемой характеристики коррекции, начальный коэффициент усиления второго звена корректирующего усилителя, K2 = 200, f3 = 3 кГц и f4 = 7.5 кГц. Следовательно, , .

Задаем значение свободно выбираемому элементу. Пусть , тогда подставляя значения для и в уравнение (6) и решая его относительно , получим:

.

Решаем совместно уравнения (7) и (8):

,

.

.

Предварительный расчёт усилителя мощности

На частоте 25 кГц усилитель мощности должен обеспечивать падение АЧХ с 46 дБ до 0. Для этого следует применить цепь отрицательной обратной связи.

Выбрав значение R₁ = 1 кОм, для обеспечения 20 дБ равномерной частотной характеристики, получаем R₂ = 10 кОм.