2.5 Усилители мощности

В промышленной электронике очень часто возникает необходимость получения в нагрузочном устройстве max мощности (P_max) усиленного сигнала. Усилительные каскады, обеспечивающие выполнение этого условия, называют усилителями мощности.

Обычно усилителями мощности (УМ) являются выходные (или оконечные каскады) многокаскадного усилителя.

Классификация усилителей мощности

1. По элементной базе:

• УМ на биполярных транзисторах, включенных по схеме ОЭ, ОК, ОБ;

• УМ на полевых транзисторах, включенных по схеме ОИ, ОС (схема с ОЗ не используется из-за низкого выходного R_вх).

2. По используемому классу усиления:

• однотактные (используют режим А);

• двухтактные (используют режим В или АВ).

3. По способу подключения нагрузки:

• трансформаторные;

• бестрансформаторные:

• с двумя источниками питания;

• с одним источником питания.

Основными параметрами, характеризующими работу УМ, являются:

• К_р;

• R_вых, R_вых = R_н для получения max мощности в нагрузочном устройстве;

• к.п.д., который зависит от класса усиления.

В режиме А усиление небольшое: к.п.д. = 0,35, но и малые нелинейные искажения; в режиме В к.п.д. достигает 0,8, но наблюдаются большие нелинейные искажения.

Расчет основных величин, характеризующих показатели работы УМ, проводят обычно графоаналитическим методом, с помощью характеристик транзистора. В УМ нашли применения три класса усиления А, АВ, В, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки. Рассмотрим их на примере коллекторных характеристик транзистора с ОЭ (рисунок 2.23).

П_в

П_а

U_к

U_{к max}

P_{к max}

I_{к max}

I_к

Рисунок 2.23 – Для расчета параметров УМ

В режиме класса А точка покоя П_а будет находиться на нагрузочной прямой (U_к = E_к; I_к = E_к / R_к; U_к = 0) и соответствовать середине линейного участка переходной характеристики, где можно получить оптимальные значения тока базы и напряжение между базой и эмиттером.

Режим класса А используется в так называемых однотактных каскадах усиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшее искажение выходного сигнала, но обладают min к.п.д.

В режиме класса В точка покоя П_в располагается в крайней правой части линии нагрузки при U_бэ = 0. При наличии входного сигнала ток I_к транзистора протекает только в положительный полупериод. Т. к. чаще всего в УМ используют УК с общим эмиттером, то используем семейство коллекторных характеристик, на которые нанесем линии, соответствующими предельными режимами работы, которые, в свою очередь, определяются предельными эксплуатационными величинами (рисунок 2.24):

• Р_max = P_{к. max};

• U_{кэ. max};

• I_{к. max}.

Q

N

M

U_к

I_к

U_{к max}

P_{к max}

I_{к max}

Рисунок 2.24 – Предельные режимы работы УМ

При этом линия P_{к. max} представляет собой гиперболу, а линии U_{к-э max} и I_{к. max} – это прямые линии, параллельные осям координат. Три этих линии или три величины определяют границу надежной работы прибора. Если провести линию нагрузки MN, то площадь треугольника MQN, образованного этой линией нагрузки и линиями, параллельными осям координат и проведенными из точек M и N, будет пропорциональна P_max, которую можно получить от транзистора в заданных условиях.

Коэффициент усиления по мощности находят:

К_р = Р_к / Р_б,

где Р_б – мощность цепи базы;

Р_б = 0,5Uб_m I_бm, где U_бm, I_бm находятся по входной характеристике;

Р_к = 0,5 U_max I_{к max}.

Если в результате расчета окажется, что получаемая в нагрузочном резисторе мощность меньше требуемой, то необходимо использовать более мощный транзистор.