Трансформаторные усилители мощности: схемы, ВАХ, формулы КПД

Пример HTML-страницы

Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 2.41). Трансформаторы ТР₁ и ТР₂ предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Для анализа схемы изобразим семейство выходных характеристик транзистора, линии нагрузки и временные диаграммы (рис. 2.42).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Линия 1 — это линия нагрузки по постоянному току, выходящая из точки, соответствующей Ек, а наклон ее определяется омическим сопротивлением первичной обмотки трансформатора ТР2. Точка 0 является начальной рабочей точкой транзистора. Через нее проходит линия нагрузки по переменному току 2, наклон которой определяется приведенным сопротивлением.

Из построений следует, что напряжение на транзисторе может достигать почти удвоенной величины Е_к.

Проведем количественный анализ рассматриваемой схемы:

Р′_Н = (UКТ/ √2 ) · (IКТ/ √2 ) = ½ ·UКТ·IКТ где Р′_Н — выходная, мощность, приведенная к первичной обмотке трансформатора ТР₂;

Р_Н = Р′_Н ·ηТР где η ТР− КПД ТР₂ (ηТР= 0,75 − 0,95).

Мощность, потребляемая усилителем от источника питания P_ПОТР = Е_К · I_КН. Следовательно, КПД усилителя η = Р_Н / P_ПОТР = ½ ·UКТ·I КТ·η ТР/ (EК· I_КН ) Для идеального усилителя U_КТ = Е_К, I_КТ = I_КН, ηТР = 1, а следовательно, теоретический КПД усилителя η ТЕОР= 0,5 Реальный же КПД η_РЕАЛ = 0,3 + 0,35

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 2.43).

Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 2.43, а), либо с ОБ (рис. 2.43, б).

Обе схемы могут работать в режиме класса «В» (резисторы R₁ и R₂ не используются) либо в режимах классов «АВ» или «А» (резисторы R₁ и R₂ обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Временные диаграммы, соответствующие классу «В» (рис. 2.44), показывают, что двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала.

Проведем количественный анализ двухтактного усилителя, работающего в режиме класса «В» при включении транзисторов по схеме с общей базой (рис. 2.43, б). Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока I_К0

I_срТ1 = I_срТ2 = 1/π· I_КТ + I_К0. Таким образом, ток и мощность, потребляемые усилителем от источника тока, соответственно равны:

I ПОТР= ( IсрТ1+ IсрТ2) ≈ 2 · ( 1/π · IКТ+ IК0)PПОТР= EК· IПОТР= 2 · EК/π · ( IКТ+ π · IК0) = 2 /π · EК

· I_l I_l=IКТ+π·IК0

Так же, как это делалось ранее для однотактного усилителя мощности, определим Р′_Н = ½ ·UКТ·I КТ Р_Н = Р′_Н ·ηТР= ½ ·UКТ·IКТ·ηТР

Следовательно, КПД двухтактного усилителя мощности в режиме класса «В» η = Р_Н / P_ПОТР = π/4 ·U КТ·IКТ·ηТР/ (EК· I_КН )

Для идеального усилителя U_КТ = Е_К , I_КТ =I1, η_ТР = 1, а следовательно, теоретический КПД η_ТЕОР = π / 4 = 0,78 Реальный же КПД η_РЕАЛ = 0,6 ÷ 0,7

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, так как имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности.

Однотактный усилитель мощности

+E_к

Однотактный УМ используется для получения небольших мощностей (рисунок 2.25).

U_вх

VT

R₂

R_э

C_э

C₁

R₁

R_н

T_р

U_вых

Рисунок 2.25 – Однотактный УМ

Назначение элементов.

Т. к. R_вых усилительных каскадов с ОЭ составляет обычно сотни Ом и ед. КОМ, а R_н обычно в несколько десятков раз меньше, то для согласования R_н и R_вых усилителя мощности ставят понижающие трансформаторы, с коэффициентом

n = w1 / w2 = , где w1 и w 2-число витков первичной и вторичной обмоток. Т. е. при \определенном n можно добиться равенства R_вых = R_н, т. е. выполнить условие получения P_max в нагрузочном устройстве.

Делитель R_б1 / R_б2 фиксирует по постоянному току потенциал базы.

R_э – элемент эмиттерной температурной стабилизации.

R_э шунтирован конденсатором С_э, который позволяет исключить ООС по переменному току, снижающую К

р.

C_р – разделительный конденсатор, не пропускает постоянную составляющую тока, т. е. исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника питания по постоянному току.

Однотактный УМ работает в режиме А и усиление входного (например, синусоидального) сигнала происходит за один такт, т. е. положительная и отрицательная полуволны усиливаются одновременно.

Двухтактный УМ состоит из двух симметричных плеч (рисунок 2.26). Транзисторы VТ₁ и VТ₂, которые подбирают с max близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме. Единственным отличием в работе плеч УМ является противофазность

I и U в цепях баз транзисторов и из этого следует противофазность I и U в коллекторных цепях.

+E_к

T_{р вых}

U_вх

ω₁₂

ω₂₁

ω₂₂

ω₁₁

R₂

R₁

VT₂

U_вх2

U

вх1

VT₁

Рисунок 2. 26 – Двухтактный УМ

Назначение элементов двухтактного УМ аналогично назначению соответствующих элементов однократного УМ с учетом того, что они обслуживают два транзистора. Входной трансформатор Т_{р вх} обеспечивает получение двух одинаковых по модулю, но противофазных напряжений U_вх1 и U_вх2. Выходной трансформатор Т_{р вых} суммирует переменные выходные тока и напряжения транзисторов. К вторичной обмотке Т_{р вых} подключен нагрузочный резистор.

Преимущества двухтактных усилителей наиболее ощутимы при использовании режима В. В отсутствии входного сигнала U_вх = 0, U_бэ обоих транзисторов равны нулю. U_н = 0, к коллектору каждого транзистора относительно эмиттера приложено постоянное напряжение + Е_к.

Процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы. Первый такт сопровождается усилением одной полуволны с участием 1-го транзистора, а второй такт – усилением другой полуволны с участием другого транзистора.

Преимуществами двухтактного УМ, работающего в режиме В, являются:

• обеспечение большой мощности в нагрузке по сравнению с однотактным УМ;

• меньшая чувствительность к пульсациям напряжения питания;

• возможность получения высокого к.п.д. за счет работы в режиме В.

К недостаткам двухтактного УМ можно отнести:

• необходимость в двух идентичных транзисторах;

• необходимость в выходном трансформаторе с выводом средней точки первичной обмотки;

• наличие двух противофазных входных напряжений, что также требует наличия трансформатора, а это увеличивает массу и габариты усилителя.