И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах
Класс В рабочая точка находится на начальном участке рабочей характеристики вблизи границы отсечки тока (2θ = 180°).
Класс С характеризуется углом 2θ < 180°, однако он находит применение только в резонансных усилителях высокой частоты.
Ниже будут рассмотрены усилители мощности, которые нашли широкое применение. Усилители мощности переменного тока низкой частоты работают в полосе от нескольких десятков герц до 10–20 кГц. Приемником мощности в усилителях этого типа является громкоговоритель. Усилители мощности работают в классах А, АВ и В, причем два последних класса требуют использования балансных или двухтактных схем.
Что такое несимметричный усилитель мощности класса А?
На рис. 7.22 представлены схемы такого усилителя в ламповом и транзисторном вариантах. Представляется, что они идентичны усилителям напряжения, однако между ними имеются различия.
Рас. 7.22. Ламповый (а) и транзисторный (б) усилители мощности класса А
Принципиальное различие заключается в использовании активного элемента большей мощности. В случае лампового усилителя мощности лампа характеризуется большим анодным током, около нескольких десятков миллиампер, при большом анодном напряжении 200–300 В. Рассеиваемая на аноде мощность составляет несколько ватт, поэтому анод мощной лампы должен быть соответственно большим. Аналогично транзистор в усилителе мощности характеризуется большим, около нескольких ампер, током, протекающим через переход коллектор — база.
Однако большой ток вызывает значительный разогрев области перехода, что в случае недостаточного охлаждения транзистора приводит к выходу последнего из строя. Поэтому для мощных транзисторов необходимо применение специальных устройств для отвода тепла, т. е. радиаторов. Следующее отличие по сравнению с усилителями напряжения заключается в значительно меньшем сопротивлении катодного или эмиттерного резистора в усилителе мощности, что непосредственно вытекает из больших значений катодного и эмиттерного токов.
В представленных на рис. 7.22 схемах нагрузка усилителя через трансформатор связана с анодом или коллектором. Трансформатор согласует малое сопротивление нагрузки (около нескольких ом) с оптимальным сопротивлением нагрузки для активного элемента.
В ламповых схемах выбор оптимального нагрузочного сопротивления диктуется стремлением получить как можно большую выходную мощность при допустимых искажениях. При максимальной выходной мощности, достигаемой в усилителях класса А (теоретический КПД составляет 50 %), искажения относительно велики. Поэтому на практике они не используются.
В триодных усилителях оптимальное с точки зрения мощности нагрузочное сопротивление в 2 раза больше внутреннего сопротивления триода. При таком сопротивлении нагрузки КПД триодного усилителя класса А далеко от максимального и на практике составляет примерно 15–25 %. Если учитывать еще малый коэффициент усиления триода, то становится очевидным, что его энергетические свойства не являются выгодными. В связи с этим применение триодов в усилителях мощности ограничивается схемами очень большой мощности, в которых пентоды не могут быть использованы.
В пентодных усилителях оптимальное нагрузочное сопротивление составляет от 1/4 до 1/8 внутреннего сопротивления и близко по значению к нагрузочному сопротивлению, при котором имеет место минимум нелинейных искажений. Коэффициент полезного действия пентодного усилителя больше, чем триодного, и составляет обычно 30–40 %.
В случае транзисторного усилителя проблема нелинейных искажений более сложна, поскольку искажения зависят как от выходных, так и от входных характеристик транзистора. Существует оптимальное сопротивление источника, несколько меньшее среднего выходного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ, при котором искажения минимальны. Нагрузочное сопротивление подбирают исходя в основном из максимальной мощности. С учетом характерных для мощных транзисторов малых напряжений и больших токов нагрузочные сопротивления малы, единицы или десятки ом, что обеспечивает выгодные условия совместной работы, например с громкоговорителем с малым сопротивлением.
На практике транзисторные усилители мощности класса А используются не часто, несмотря на то, что их КПД близок к теоретическому и составляет 45–50 %. Это следует из тенденции к максимальному использованию располагаемой мощности транзистора и усилителя. Частотные характеристики трансформаторных усилителей мощности зависят главным образом от параметров трансформатора.
Как работает двухтактный усилитель?
Принципиальная схема двухтактного усилителя, называемого также балансным усилителем, представлена на рис. 7.23.
Рис. 7.23. Принципиальная схема двухтактного усилителя
Для правильной работы схемы напряжения, возбуждающие оба транзистора, должны иметь одинаковые амплитуды и противоположные базы.
С учетом того что источники сигналов в общем несимметричны, имеется необходимость в применении симметрирующей схемы. Простой однако не единственной цепью этого типа является трансформатор, в котором вывод средней точки вторичной обмотки соединен с массой. Благодаря такому соединению потенциал этой точки относительно массы равен 0 В. Теперь, если мгновенная полярность сигнала на верхнем зажиме вторичной обмотки положительна, на нижнем зажиме она отрицательна и наоборот. В соответствии с этим, если напряжение u1 положительно, смещение в проводящем направлении транзистора Т1 уменьшается и убывает его коллекторный ток, т. е. напряжение на коллекторе понижается. В этом же самое время напряжение u2 является отрицательным и увеличивает смещение в проводящем направлении транзистора Т2, в результате чего его коллекторный ток увеличивается и напряжение на коллекторе также возрастает. Кроме того, если мгновенное напряжение на коллекторе транзистора Т1 минимально, то на коллекторе транзистора Т2 оно максимально. Это также означает, что средний вывод выходного трансформатора имеет отрицательный потенциал относительно коллектора транзистора и положительный по отношению к коллектору транзистора Т1. Поэтому напряжения, действующие на каждой половине первичной обмотки выходного трансформатора, находятся в фазе, суммируются друг с другом и создают переменное напряжение, значение которого в 2 раза больше, чем в случае одного транзистора. В условиях правильного согласования схемы с нагрузкой мощность, выделяемая в нагрузке, также в 2 раза больше.
Какие преимущества имеет двухтактный усилитель?
Хотя усилитель, созданный из двух включенных параллельно транзисторов, отдает в 2 раза большую мощность, чем усилитель на одном транзисторе, он все же не обладает многими преимуществами двухтактной схемы.
Одним из преимуществ, являющихся следствием распределения токов, является уничтожение постоянных составляющих в выходном трансформаторе. Это имеет важное практическое значение, поскольку отсутствие постоянной составляющей, насыщающей сердечник трансформатора, в значительной степени упрощает его конструкцию, а искажения, которые могли бы возникнуть в трансформаторе из-за протекания постоянной составляющей, исключаются.
Из анализа нелинейных искажений, вносимых двухтактной схемой, следует, что четные гармоники (вторая, четвертая и следующие, кратные частоте возбуждающего сигнала) вычитаются на выходе, и, следовательно, суммарные потери будут меньше. Отсюда следует, что при том же самом возбуждении, что и в однотактном усилителе, и при тех же самых заданных искажениях можно получить в 2 раза большую мощность по сравнению с мощностью однотактного усилителя.
В цепи питания двухтактной схемы вычитаются основная составляющая и нечетные гармоники возбуждающего сигнала. Благодаря этому в схеме не возникают паразитные обратные связи в цепи питания, а, кроме того, пульсации из источника питания не проникают на выход усилителя.
Очень важным преимуществом двухтактных усилителей является возможность их работы не только в режиме класса А, но также и в режиме класса В или АВ. В усилителе класса В транзистор Т2 (рис. 7.23) усиливает только первую половину периода входного напряжения и заперт во время длительности второго, положительного полупериода. Но именно в этот момент сигнал на базе транзистора Т1 отрицателен и усиливается транзистором. Оба усиленных колебания суммируются в выходном трансформаторе, в результате чего образуется колебание той же самой формы, что и на входе усилителя. Из-за того что в двухтактных усилителях класса В рабочие точки обоих транзисторов лежат вблизи области отсечки тока, мощность питания, а также мощность, рассеиваемая в усилительных элементах в отсутствие возбуждающего сигнала, являются очень малыми. Принимая во внимание возможность полного использования (возбуждения) транзистора, легко сделать вывод, что КПД усилителя этого типа очень высок. Теоретически он составляет 78 %, на практике в транзисторных схемах достигает примерно 75 %.
