Однотактні каскади підсилення потужності.

 

Каскад з безпосереднім включенням навантаження

Простим способом підключення навантаження R_н до каскаду потужного підсилення є її безпосереднє введення у вихідний ланцюг підсилювального елементу без вихідного пристрою (рис.6.2,а).

Переваги: простота, відсутність додаткових деталей, втрат потужності у вихідному пристрої, додаткових нелінійних, частотних і перехідних

 

спотворень і можливість підсилення сигналів в широкій смузі частот.

Недоліки: протікання через навантаження постійної складової струму живлення і наявність на ній постійного потенціалу по відношенню до загального дроту, невисокий к.к.д схеми (для транзисторних схем 20 %).

На практиці ці схеми використовуються рідко.

Резистивно-ємнісний однотактний каскад потужного підсилення – (рис.6.2,б), навантаження R_н включається у вихідний ланцюг через резисторно-ємнісний RC міжкаскадний зв'язок. Розділяючий конденсатор С перешкоджає протіканню через навантаження постійної складової струму підсилювального елемента і навантаження з′єднане із загальним дротом схеми, що нерідко необхідне.

Переваги: простота, каскад не вимагає дорогих і громіздких деталей, має широку смугу робочих частот.

Недоліки: низький к.к.д (транзисторний каскад – 5-6 %).

Тому, їх застосовують тільки при дуже малій вихідній потужності – не вищий за десятки або сотні мілліват.

Більш високим к.к.д. володіють дросельний і трансформаторний каскади потужного підсилення.

Трансформаторний каскад, маючи майже ті ж габаритні розміри, масу і вартість, що і дросельний каскад, має переваги: при відповідному коефіцієнті трансформації вихідного трансформатора він може працювати з високим к.к.д. практично на будь-який по величині опір навантаження.

Трансформаторні каскади будуються за однотактною або двотактною схемами. Схема однотактного трансформаторного підсилювача потужності наведена на рис.3.33.

У колекторне коло транзистора VT1 увімкнено первинну обмотку трансформатора TV1, вторинна обмотка якого підімкнена до навантаження R_н.

Вихідний трансформатор служить для узгодження опору навантаження з вихідним опором транзистора. Призначення решти елементів те ж саме, що і в попередніх схемах. Працює підсилювач у режимі класу А.

Якщо нехтувати втратами в трансформаторі, то можна вважати що потужність в первинній і вторинній обмотках залишається незмінною, тобто Р₁ = Р₂.

В цьому випадку можна записати U₁² / R₁ =U₂² / R₂ ,

де R₁ и R₂ – опори первинного і вторинного ланцюгів трансформатора змінному струму.

Для отримання максимальної потужності корисного сигналу опір первинного ланцюга змінному струму повинен бути рівний оптимальному опору колекторного навантаження транзистора (R_k.опт), при якому добуток змінних складових напруги і струму в колекторному ланцюзі опиняється максимальним.

Тому приймемо R₁ = R_k.опт.

Опір вторинного ланцюга змінному струму рівний опору навантаження R_н, тобто R₂ = R_н. Тому

U₁² /R _k.опт =U₂² /R_н .

Розділимо ліву і праву частини на U₁², одержимо 1/ R _k.опт =U₂²/ U₁²·1/ R _н.

Відношення U₁/ U₂ є коефіцієнтом трансформації вихідного трансформатора (n). Отже n = R _k.опт/ R_н.

Величина R_н (опір навантаження споживача) звичайно задається. R _k.опт слід визначити графічним шляхом з умови отримання максимальної неспотвореної потужності сигналу.

R _{k опт}=U_m /I_m.

U_m– амплітуда змінної складової напруги на колекторі.

І_m – амплітуда змінної складової струму колектора.

Коефіцієнт трансформації n = w₁ / w₂, де w₁, w₂ - кількість витків первинної та вторинної обмоток відповідно.

Недоліками наведеної схеми є:

1) низький к.к.д.: η = 0,25…0,3;

2) неможливість застосування економічних режимів АВ і В через неприпустимо великі нелінійні спотворення;

3) відносно великі нелінійні спотворення, що вносяться транзистором;

4) збільшення нелінійних спотворень через стале підмагнічування магнітопровода вихідного трансформатора;

5) відносно великі частотні спотворення.

Вказаніх недоліків позбавленій двотактній підсилювач потужності рис.3.34.

Підсилювач складається з двох однотактних каскадів, виконаних на транзисторах VT1 і VT2. Параметри транзисторів повинні бути практично однаковими. Трансформатор TV1 призначений для подачі на вхід підсилювача двох напруг U_вх1 та U _вх2, рівних за величинами, але зсунутих за фазою на 180 ел.град. Трансформатор TV2 узгоджує вихід підсилювача з навантаженням, тобто

забезпечує виконання умови передачі максимальної потужності. Резистори R₁, R₂ (дільники напруги) призначені для створення режиму спокою (в режимі класу АВ) для обидвох транзисторів.

Цей підсилювач може працювати у класі В або АВ. У трансформатора TV2 стале підмагнічування відсутнє, оскільки по одній його напівобмотці постійний струм тече в одному напрямку, а по другій – у протилежному, причому І_ОК1 = І _ОК2

Розглянемо роботу підсилювача за наявності U_вх1.

Якщо полярність U_вх1 відповідає вказаній на схемі без дужок, транзистор VT2 закритий, а VT1 працює в режимі підсилення. При цьому в колекторному колі VT1 з′являється підсилена напівхвиля струму, яка через верхню первинну напівобмотку трансформатора TV2 передається до навантаження.

При полярності U_вх1, вказаній у дужках, транзистор VT1 закритий, а VT2 знаходиться в режимі підсилення під дією U_вх2. Напівхвиля струму, що протікає у колекторному колі VT2, має протилежний напрямок і через нижню напівобмотку трансформатора TV2 передається до навантаження. Таким чином, транзистори VT1 і VT2 працюють по черзі, створюючі підсилену змінну напругу на навантаженні за два такти.

 

Р_вих = І_m U_m /2,

Р_вих – корисна потужність, що віддається в навантаження.

U_m– амплітуда змінної складової напруги на колекторі.

І_m – амплітуда змінної складової струму колектора.

Потужність, яка споживається кожним транзистором від джерела живлення

P₀ = І_Ксер Е_К.

І_Ксер - середнє значення струму кожного транзистора.

Унаслідок симетрії схеми к.к.д. двотактного каскаду в режимі В рівний

η_В = 2Р_вих /2Р₀ = Р_вих /Р₀.

Різниця потужностей, яка споживається кожним транзистором від джерела живлення і корисної

Р_К =P₀ – Р_вих = Р₀(1 -η_В)

розсіюється у вигляді тепла на колекторі транзистора. Високий К.К.Д. вказує, що в режимі В на колекторі транзистора розсіюється відносно невелика частина (близько 30%) потужності, споживаної транзистором від джерела живлення. Тому при заданій допустимій величині потужності Р_Кmax в режимі В транзистор може віддати потужність у декілька разів більшу, ніж в режимі А.