Какими параметрами характеризуется усилитель мощности?

 

Задачей усилителя мощности является подведение к приемнику энергии (нагрузки) определенной мощности переменного тока. Главными параметрами, определяющими энергетические свойства усилителя мощности, являются: полезная выходная мощность Рвых и максимальная выходная мощность в условиях полного возбуждения усилителя; энергетический КПД μ, определяемый как отношение полезной выходной мощности к мощности, подводимой от источника питания; уровень нелинейных искажений, характеризуемый содержанием гармоник Кг выходного сигнала при синусоидальном входном сигнале; частотная характеристика, определяемая нижней и верхней граничными частотами, а также формой характеристики внутри полосы (неравномерность усиления).

Первые три параметра взаимосвязаны и зависят прежде всего от типа лампы или транзистора, используемой схемы и режима работы усилителя.

Рассмотренные до сих пор усилительные схемы работали в классе А, т. е. рабочая точка находилась посередине рабочей характеристики. Можно сказать, что класс А характеризуется постоянным протеканием анодного или коллекторного тока в такт с управляющим сигналом. Поскольку полный период синусоидального возбуждающего сигнала соответствует углу 360°, то угол отсечки анодного или коллекторного тока 2 θ также равен 360°.

В усилителях мощности применяют и другие классы работы.

Класс АВ – рабочая точка находится в нижней части рабочей характеристики; угол отсечки удовлетворяет условию 180°< 2 θ < 360°.

Класс В рабочая точка находится на начальном участке рабочей характеристики вблизи границы отсечки тока (2 θ = 180°).

Класс С характеризуется углом 2 θ < 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.