Вопрос 1. Общие сведения о выходных каскадах

 

Выходной или оконечный каскад обычно служит для усиления сигнала по мощности.

Основной отличительной чертой выходных каскадов, в отличие от предварительных, является высокий уровень входного и выходного сигналов, т.е. выходные каскады работают в режиме сильного сигнала. Причем выходной сигнал может быть выражен:

- либо номинальной выходной мощностью при активной нагрузке;

- либо номинальным выходным напряжением при реактивной нагрузке.

Каскады, характеризующиеся выходной мощностью, принято называть усилителями мощности, а каскады, характеризующиеся выходным напряжением, называют выходными усилителями напряжения.

Усилитель мощности должен развивать в заданной нагрузке требуемую мощность при:

- наименьшей потребляемой энергии

- допустимых нелинейных искажениях.

Следовательно, усилитель мощности характеризуется следующими основными параметрами:

- выходной мощностью на нагрузке;

- коэффициентом полезного действия;

- коэффициентом нелинейных искажений.

Нагрузкой выходного усилителя радиовещательной аппаратуры является акустическая система с небольшим сопротивлением (4 или 8 Ом). Для передачи максимальной мощности необходимо согласовывать сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением усилителя. Поэтому усилители мощности часто строятся по трансформаторной схеме.

На вход усилителя мощности поступает сигнал с большой амплитудой, охватывающий всю рабочую область входной характеристики усилительного элемента, вследствие чего его параметры меняются в широких пределах. Поэтому расчет усилителя мощности проводится графо-аналитическим методом, так как аналитические расчеты с использованием параметров усилительного элемента в рабочей точке дают большую погрешность.

Выделяющаяся в усилительном элементе электрическая энергия преобразовывается в тепловую и нагревает коллектор, поэтому для обеспечения надежной работы надо в мощных усилителях предусматривать системы охлаждения. Для охлаждения применяются радиаторы, продув воздушной струей и водяное охлаждение. Последние два метода применяются только в мощных усилителях передающих устройств, где выходная мощность достигает сотен Вт. Радиаторы часто применяются в выходных усилителях, построенных на транзисторах.

,

где Р - мощность, выделяемая на транзисторе;

 - допустимая температура перехода;

 - максимальная температура окружающей среды;

  R - тепловое сопротивление перехода корпуса.

 

Вопрос.2. Способы построения однотактных выходных каскадов

 

При построении выходных каскадов, прежде всего надо правильно выбрать способ подключения внешней нагрузки. Простейшим способом является непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь, рис.2.1.

Рисунок 2.1 - Выходной каскад с непосредственным включением нагрузки.

 

Такая схема включения нагрузки отличается:

- простотой;

- отсутствием дополнительных элементов;

- отсутствие потерь;

- отсутствие нелинейных искажений.

Однако при этом в однотактном каскаде через нагрузку протекает постоянная составляющая выходного тока, что значительно уменьшает КПД. К тому же протекание постоянной состовляющей через акустическую систему недопустимо. В этой схеме сопротивление нагрузки по постоянной и переменной составляющим равны сопротивлению внешней нагрузки:

R _н= = R _нвн; R _н~ = R _нвн.

Второй способ подключения нагрузки может быть осуществлен через емкостную связь С1, что устраняет вышеуказанный недостаток, рис.2.2.

 

 

Рисунок 2.2 - Выходной каскад с емкостной связью.

 

Этот способ построения выходных каскадов используется в импульсных усилителях напряжения, в эмиттерных и истоковых повторителях, а также находит широкое применение в операционных усилителях.

В усилителях мощности широкое применение находит трансформаторное включение. Рис.2.3.

 

Рисунок 2.3 - Выходной каскад с трансформаторной связью.

 

Трансформатор служит выходным устройством, которое связывает выходную цепь усилителя с внешней нагрузкой и позволяет получить для усилительного элемента оптимальное сопротивление нагрузки, т.е. согласовать выход с сопротивлением нагрузки.

Известно, что трансформатор – это преобразователь сопротивления:

где  и  - токи в первичной и вторичной обмотках трансформато­ра,

   и  - напряжение на соответствующих обмотках,

   - коэффициент трансформации,

    и  - количество витков в соответствующих обмотках.

Пересчитанное в цепь первичной обмотки сопротивление нагруз­ки определяется

.              (2.1)

Из (2.1) можно сделать вывод, что в случае применения трансформаторной связи можно достигнуть максимальной передачи мощности и значительно повысить КПД. Однако использование трансформатора увеличивает габариты и вес, а также вносит дополнительные частотные и нелинейные искажения.

Через первичную обмотку трансформатора, включаемую в выходную цепь, подается напряжение питания на коллектор, а к вторичной обмотке подключают внешнюю нагрузку. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на внешную нагрузку.

 

Вопрос 3. Эквивалентная схема трансформаторного каскада

 

Эквивалентная схема трансформаторного каскада в основном определяется эквивалентной схемой трансформатора (рис.3.1.)

 

Рисунок 3.1 - Эквивалентная схема трансформаторного каскада.

 

где  r₁ и r₂ - сопротивления потери первичной и вторичной обмоток;

 и  - индуктивности рассеяния;

L 1 - индуктивность первичной обмотки; L¢_s2, r¢₂, U¢_вых, R¢_н, C ¢ ₀ - параметры, приведенные в цепь первичной обмотки трансформатора и определяемые из следующих выражений:    

Трансформатор является элементом связи. Он имеет сердечник из ферромагнитного материала, который позволяет при небольших размерах трансформатора получать большую основную индуктивность L 1 и малую индуктивность рассеяния, что необходимо для нормальной работы схемы. Трансформатор создает связь по переменной составляющей и вместе с тем изолирует внешую нагрузку от постоянной составляющей. Полученная эквивалентная схема сложна, и подробный анализ приводит к громоздким выражениям. Поэтому целесообразно произвести обоснованные упрощения. Очевидно, что в области низких частот основное влияние на работу усилителя оказывает индуктивность L 1, так как ее индуктивное сопротивление убывает по мере понижения частоты и шунтирует выход схемы. В области высоких частот выход схемы шунтируется емкостями, и, кроме того, здесь выходное напряжение убывает вследствие возрастания сопротивления индуктивностей рассеяния. Поэтому для получения равномерного участка амплитудно-частотной харак­теристики в области средних частот параметры схемы должны быть выбраны так, чтобы на средних частотах все реактивные элементы оказывали на работу схемы пренебрежимо слабое влияние. Для этого должны быть обеспечены большое значение индуктивности первичной обмотки, малые значения индуктивностей рассеяния и малое значе­ние шунтирующей емкости. Для выходных усилителей в цепях максимальной отдачи мощнос­ти очень важен правильный выбор рабочего режима, напряжения пита­ния, сопротивления нагрузки и амплитуды входного сигнала. Однотактные выходные каскады работают в режиме А.

 

Вопрос 4. Выходные динамические характеристики

 

Динамические характеристики усилителя применяются для гра­фоаналитического расчета и анализа выходных каскадов. Различают следующие динамические характеристики:

- выходная динамическая характеристика по постоянному току;

- выходная динамическая характеристика по переменному току;

- входные, сквозные и проходные динамические характеристики.

Наиболее широко применяются первые два вида динамических характеристик, которые рассмотрим подробнее. Выходной динамической характеристикой (ВДХ) называют зависи­мость выходного тока от выходного напряжения при наличии нагруз­ки в выходной цепи. Поскольку эти характеристики имеют прямую линию, их называют нагрузочными прямыми. Уравнением выходной цепи является U _вых =Е- i _вых R _н. Это линейное уравнение, графиком которого является прямая линия. Для построения нагрузочной прямой по постоянному току ис­пользуются выходные статические характеристики усилительного эле­мента, а также при этом считаются заданными напряжение источника питания и сопротивление нагрузки. Причем различают сопротивление нагрузки по постоянному току  и по переменному току . Соп­ротивление нагрузки в трансформаторном усилителе по переменному току значительно больше . В трансформаторном усилителе (рис.2.3.) имеет место:

где r₁ и r¢₂ - сопротивление потери в первичной и во вторичной обмотках;

     - пересчитанное в цепь первичной обмотки сопротивле­ние нагрузки, равное .

При коэффициенте трансформации , величина  будет значительно выше , поэтому в трансформаторных усилителях будет выполняться соотношение .