Усилители мощности: схемы, мощные выходные усилители

Пример HTML-страницы

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_н при заданном сопротивлении нагрузки R_H. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

В противоположность устройствам силовой электроники при проектировании устройств информативной (информационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и получить выходные сигналы, содержащие ту или иную информацию о входных.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В качестве примера можно назвать устройства, определяющие, в какой момент времени входной сигнал принимает максимальное значение. В устройствах информативной электроники, как правило, стремятся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. В устройствах силовой электроники такую задачу в соответствии с изложенным нельзя ставить в принципе.

Реальное устройство может содержать черты как силовой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отметить, что функции устройств информативной электроники все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микропроцессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.

На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия усилителя мощности.

Другой важной проблемой является уменьшение габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса «А», а максимально возможный КПД — в режиме классов «В» или «АВ».

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса «А», а вторые — в режиме классов «В» или «АВ». Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Р_н при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

Тогда максимально возможная мощность нагрузки Р_н max определится выражением Р_н max = ( U_m / √2 )² · 1 / R н = U_m² / ( 2 · R н ) = E² / ( 8 · R н )

Откуда U_m = E / 2 E = 2 · √ ( Р_н max · R н · 2 )

Если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласования усилителя и нагрузки можно использовать трансформатор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.

Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с помощью трансформатора (рис. 2.39).

Через W₁ и W₂ обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через u_вых и R_вых — соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.40.

В ней через R′_н обозначено приведенное сопротивление нагрузки R′_н = R_н / n 2 где n — коэффициент трансформации (n = W₂ / W₁ ).

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при R_вых = R′_н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

n опт = √ ( R_н / R_вых )

Схема усилителя мощности

УНЧ  Усилители на микросхемах    В данном материале мы рассмотрим создание мощного автомобильного усилителя — моноблока. УНЧ содержит 3 блока – усилитель мощности, преобразователя напряжения и блок коммутации с выпрямителями.    Усилитель мощности звука. Схема усилителя с использованием микросхема TDA7293 и выходных транзисторов 2sc5200 приведена на рисунке.     Собрана она на плате размерами 125х70мм. Скачать рисунки плат можно тут. Выходные транзисторы прижаты к плате так, что их корпуса расположены параллельно плате, а их теплоотводная часть через диэлектрическую прокладку прижата к радиатору. Корпуса транзисторов должны быть изолированы один от другого и от радиатора. Катушка L1 бескаркасная, намотанная проводом диаметром 1мм в два слоя и содержит 25 витков, внутренний диаметр 5мм.    Преобразователь напряжения является самой сложной частью данного усилителя. Схема преобразователя приведена ниже.     Основой преобразователя является генератор импульсов на микросхеме TL494. Частота генерации можно изменить варьируя номиналом резистора R3. Диод VD1 на входе поставлен для защиты от переплюсовки. Дроссель L1 в моем случае намотан на феритовом кольце диаметром около 2см из компьютерного блока питания и содержит 10 витков сдвоенным проводом диаметром 1мм которые распределены по всему кольцу. Его можно намотать и на феритовом стержне диаметром 8-10 мм и длиной 3 см. От правильного изготовление трансформатора сильно зависит роботоспособность блока в целом. Он намотан на феритовом кольце марки 2000НМ размерами 40*25*11. Сначала напильником закруглил все грани, и внешние и внутренние и обмотал его полотняной изолентой. Первичная обмотка намотана жгутом который состоит из 5 жил толщиной 0,7мм и содержит 2*6 витков, то есть 12. Способ намотки: берем одну жилу и мотаем ею 6 витков равномерно распределенных по кольцу, потом следующую мотаем вплотну к первой и так все 5 жил. На выводах жилы скручюются. Потом на свободной от проводов части кольца начинаем мотать вторую половину первичной обмотки таким же образом. Получаем две равноценных обмотки. После этого опять аккуратно ообматываем кольцо изолентой и мотаем вторичную обмотку проводом 1,5мм 2*18 витков так же как и первичку.    Блок коммутации и выпрямителя состоит из двух отделенных частей, блока коммутации, и блока выпрямителя, в который входят фильтрующие конденсаторы для питания усилителя мощности и стабилизатор напряжения для питания блока обработки сигнала.  В блоке выпрямителя все просто. Напряжение от преобразователя попадает на фильтрующие конденсаторы, сглаживается и идет к усилителю мощности, а также на стабилизатор напряжения. Транзисторы понижают напряжение к +-26В после чего кренки стабилизируют его до 15. Нагревание транзисторов или кренок я не наблюдал, потому на радиатор не ставил.    Блок коммутации работает следующим образом: когда на крайные по схеме клеммы подается напряжение 12В (силовые линии) зажигаеться красный светодиод, напряжение на преобразователь напряжения не поступает, усилитель не использует энергию. Когда от внешнего источника (от автомагнитолы или замка) подается +12В на клемму REM срабатывает реле, отключая красный диод, при этом подается напряжение на преобразователь и загорается зеленый светодиод, усилитель готов к работе.     Корпус усилителя мощности сделан из ламинируемого МДФ толщиной 8мм, боковые стенки из ДСП 16. Передняя и задняя панели – алюминиевые пластины толщиной 3мм. На передней панели сделаны 3 отверстия через которые отверткой можно крутить регуляторы громкости, фазы и частоты среза, а также два светодиода. На задней панели находятся все разъемы, входы, выход и зажимы для подаче напряжения и клема REM, все они, кроме входных, хорошо изолированны от пластины. Верхняя крышка – пластиковая решетка, по моему от акустической системы Аккорд. Все платы крепятся к нижней панели корпуса, кроме блока обработки сигнала, в котором переменные резисторы закрепляются дополнительно на алюминиевую пластинку. Микросхема TDA7294 и транзисторы из преобразователя напряжения смонтированы на одном радиатое, что крепится к боковой панели. Транзисторы и микросхема изолированы от радиатора. В корпусе также находится небольшой куллер. Понравилась схема — лайкни! ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ Смотреть ещё схемы усилителей        УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ          УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ       УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ          СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ

Гибридный УМЗЧ Однотактный ламповый Ламповый на КТ88 Усилитель для наушников Усилитель на 100 Вт Усилитель на LM3875 Схема LM386 Как сделать УНЧ для наушников

Основы усилителя мощности, типы, классы и его применение

Усилитель мощности — основная категория усилителей, которые используются для усиления мощности входного сигнала, который может быть либо цифровым, либо аналоговым сигналом, мощностью от нескольких милливатт до нескольких милливатт. Вт в зависимости от потребности в усилении. Эти типы усилителей можно найти почти в каждом аналоговом или цифровом устройстве, которое нас окружает. От радиотюнеров до микроволновых печей, от ноутбуков до сотовых телефонов в той или иной форме используются усилители мощности.

Что такое усилитель мощности?

Усилитель, обладающий способностью преобразовывать приложенную мощность постоянного тока, поступающую от источника питания, в мощность переменного тока, чтобы обеспечить нагрузку достаточным количеством мощности, такие типы усилителей определяются как усилители мощности. В этом случае усилителей величина подаваемой мощности имеет тенденцию к увеличению. Следовательно, эти усилители используются в различных приложениях, где требуется мощность для управления нагрузкой.

Схема усилителя мощности

Типы:

Усилители классифицируются на основе применяемых сигналов, будь то сигнал напряжения или сигнал мощности. Это можно сделать на основе полученных характеристик входных значений и выходных значений. Тип устройств, которые подключаются к усилителям, приводит к его классификации как

1. Усилители мощности звука

Усилители, в которых усиление требуется для усиления аудиосигналов, известны как усилители мощности звука. В наушниках, передатчиках, радиоустройствах и т. д. используются эти усилители. Например, сигнал в милливаттах после усиления может преобразовать его в тысячи ватт.

2. Усилители мощности радиочастоты

Усилители этого типа часто используются при передаче на большие расстояния, то есть при передаче по беспроводной сети. Передача таких сигналов требует усиления, чтобы можно было повысить мощность сигналов и передать данные на большие расстояния. Эти усилители наиболее широко используются для вещания FM-сигналов.

3. Усилители мощности постоянного тока

Эти усилители используются для усиления сигналов с широтно-импульсной модуляцией. При этом ширина импульса модулируется таким образом, что логические сигналы могут подаваться двигателям для работы на его основе. Вход будет браться с микроконтроллерных блоков, а его мощность будет увеличена и подавать усиленные сигналы на двигатели постоянного тока.

Классы усилителя мощности

Схема усилителя мощности может быть спроектирована несколькими способами. Каждая схемная схема обладает различными характеристиками, а также дает различные выходные данные. Таким образом, чтобы различать эти усилители, классификация выполняется в алфавитном порядке.

Входные сигналы, которые необходимо усилить, могут быть либо аналоговыми, либо цифровыми. На основании этого усилитель мощности классифицируется как класс A, B, AB или C и D, E, F, T и т. д.. Для аналоговых сигналов используются усилители мощности ClassA, ClassB, ClassAB, ClassC. Для цифровых сигналов используются усилители мощности ClassD, ClassE, ClassF.

1. Класс A:

В этом классе усиления сигналы переменного тока, состоящие как из положительной, так и из отрицательной половины, усиливаются одним транзистором в цепи. Следовательно, конструкция схемы класса А проста по конструкции. По этой причине эти усилители являются наиболее часто используемыми.

Схема усилителя мощности класса А

Недостатком этой схемы является то, что транзистор, присутствующий в этой схеме, всегда остается включенным, так как он проводит как в положительном, так и в отрицательном цикле входного сигнала. Поскольку транзистор активен в течение обоих полупериодов, он рассеивает много тепла, что приводит к снижению общего КПД схемы. Также требуется радиатор для поглощения тепла, рассеиваемого схемой. Угол проводимости для этого класса усилителей считается равным 360 градусам. Говорят, что искажения в этом типе усилителя минимальны, что приводит к лучшей производительности.

2. Класс B

Для преодоления недостатка ненужного нагрева устройства класса B была разработана схема усилителя мощности. Вместо того, чтобы использовать один транзистор, в этой схеме он разработан с помощью двух транзисторов (один NPN и другой PNP), которые дополняют друг друга.

Угол проводимости для усилителей такого класса составляет 180 градусов. Таким образом, половина положительного цикла усиливается одним транзистором, а оставшаяся половина отрицательного цикла усиливается вторым транзистором. Соответствующий транзистор включается, когда соответствующие половины усиливаются, и, таким образом, усиливается общий сигнал.

Цепь усилителя мощности класса B

Таким образом, эффективность по сравнению с усилителем класса A повышается до 70 процентов (теоретически). Они в основном предпочтительны для устройств, которые работают с помощью батарей. Но здесь два транзистора следуют суперпозиции, что приводит к искажению по поперечной области. Эти виды искажений были учтены при разработке усилителей класса AB .

3. Класс C

Усилители этого класса обладают большей эффективностью, но их конструкция страдает из-за сильных искажений. Чем больше эффективность, но меньше угол проводимости, который составляет до 90 градусов.

Схема усилителя мощности класса C

Поскольку сигнал, генерируемый этой схемой, имеет максимальное искажение, ее нельзя использовать для усиления аудиосигналов. Это предпочтительно в генераторах, которые имеют высокую частоту в диапазоне. Он состоит из настроечной нагрузки, через которую фильтруются и усиливаются входные сигналы. За исключением рассматриваемой частоты, остальные частотные сигналы подавляются. Этот тип используется для частотной модуляции сигналов, необходимых для FM-передач.

Таким образом разрабатываются и обсуждаются различные классы усилителей. Существуют и другие классы, такие как класс D, класс E, класс F и т. д., в которых усиливаются сигналы с широтно-импульсной модуляцией. Эти классы обычно предпочтительны при переключении приложений или цифровых логических операций.

Области применения:

Существует множество вариантов применения этих усилителей в различных секторах.

• Они используются в различных устройствах, таких как наушники, микроволновые печи, системы домашнего кинотеатра и т. д. Это наиболее важная часть базовой электроники, подпадающая под категорию потребительского ассортимента и бытовых нужд.

• Для управления серводвигателями и определенными двигателями постоянного тока используются усилители мощности.

• Поскольку для беспроводной передачи требуется высокочастотный диапазон для передачи сигналов на большие расстояния, в таких случаях полезно усиление мощности. Чем выше уровень мощности, тем выше скорость передачи данных и удобство использования.

• Он также используется в типах оборудования, предназначенного для спутниковой связи.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о регулируемых источниках питания постоянного тока MCQ и транзисторных аудиоусилителях мощности MCQ

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше об усилителях мощности MCQ

Таким образом, выше приведены некоторые области применения усилителей мощности в различных областях.

Теперь, после обсуждения всех основных моментов, касающихся усилителей мощности, можете ли вы описать критерии проектирования усилителей класса AB?

Введение в усилители мощности

• Раздел 5. 0 Введение в усилители мощности.
• Понимание работы усилителей мощности.
• Раздел 5.1 Силовые транзисторы и радиаторы.
•   • Конструкция силового транзистора.
•   • Снижение номинальной мощности и режим повышенной мощности.
•   • Термическое сопротивление радиаторов.
•   • Термический разгон.
• Раздел 5.2 Усилители мощности класса A.
•   • Ограничения, связанные с эффективностью усилителей мощности класса А.
•   • Силовые выходные каскады класса А с трансформаторной связью.
• Раздел 5.3 Усилители класса B.
•   • Смещение класса B.
•   • Кроссоверное искажение.
•   • Смещение класса B.
•   • Двухтактный выход.
•   • Преимущества и недостатки класса B.
• Раздел 5.4 Двухтактные драйверы.
•   • Задающие трансформаторы.
•   • Транзисторный фазоделитель.
•   • Фазоделитель с эмиттерной связью.
•   • Бестрансформаторный двухтактный.
• Раздел 5.5 Усилители класса AB.
•   • Дополнительные выходы.
•   • Стабилизация температуры и постоянного тока.
•   • Регулировка средней точки и кроссовера.
•   • NFB и начальная загрузка.
• Раздел 5.6 Усилители классов от C до H.
•   • Работа класса C.
•   • Работа усилителя мощности класса D.
•   • Усилители мощности классов E и F.
•   • Усилители мощности классов G и H.
• 5. 7 Тест по усилителям мощности.
•   • Проверьте свои знания об усилителях мощности.

 

Схемы усилителей составляют основу большинства электронных систем, многие из которых должны производить большую мощность для управления некоторыми выходными устройствами. Выходная мощность аудиоусилителя может быть от менее 1 Вт до нескольких сотен Вт. Радиочастотные усилители, используемые в передатчиках, могут быть необходимы для производства тысяч киловатт выходной мощности, а усилителям постоянного тока, используемым в электронных системах управления, также может потребоваться высокая выходная мощность для привода двигателей или исполнительных механизмов многих различных типов. В этом модуле описываются некоторые часто встречающиеся классы выходных цепей мощности и методы, используемые для повышения производительности.

Усилители напряжения, описанные в Модуле усилителей 1, Модуле 2, Модуле 3 и Модуле 4, могут многократно увеличивать амплитуду сигнала, но сами по себе они не могут управлять устройством вывода, таким как громкоговоритель или двигатель.

.

Например, усилитель напряжения может иметь коэффициент усиления 100 и усиливать сигнал 150 мВ до амплитуды 15 В, и вполне возможно, что усилитель может подавать этот сигнал 15 В на нагрузку, скажем, 10 кОм, но если нагрузка изменяется на значение 10 Ом, усилитель напряжения не сможет обеспечить дополнительный ток, необходимый для поддержания выходного напряжения 15 В на 10 Ом.

Аналогично, усилитель тока может иметь коэффициент усиления 100 и быть в состоянии усилить сигнал 10 мкА до 1 мА при очень низком выходном напряжении, но не сможет обеспечить сигнал 1 мА, скажем, при 10 В.

В любом случае усилитель напряжения или тока не имеет достаточной МОЩНОСТИ (вольты V x ток I). Усилители напряжения и тока могут использовать небольшие транзисторы и не потреблять большое количество энергии от источника питания, чтобы часто и очень сильно усиливать сигналы. Однако маленькие транзисторы, которые они используют, имеют очень маленькую площадь перехода и поэтому не могут справиться с мощностью, необходимой для питания некоторых выходных устройств без перегрева.