Раздел 4 транзисторные усилители напряжения и мощности

В структурной схеме было отмечено, что предварительные каскады – это усилители напряжения, а оконечные - это усилители мощности; предоконечные каскады могут быть как усилителями напряжения, так и усилителями мощности. Требования к этим каскадам различны, поэтому различны и схемы и режимы их работы.

Рассмотрим вопросы проектирования и работу оконечных каскадов.

Тема 4.1 режимы работы каскадов усиления мощности

Эти каскады работают при больших уровнях напряжения и мощности сигнала. Нагрузкой для них является громкоговоритель больших залов, поэтому каскад должен отдавать в нагрузку достаточно большую мощность при допустимой величине нелинейных искажений (К_г ≤ 1%).

Соответственно каскад потребляет от источника большую мощность и, следовательно, возрастают потери мощности в виде нагрева коллектора. Поскольку эти потери зависят от КПД каскада, то следует выбирать режим работы транзистора с наиболее высоким КПД, а также выбирать мощные транзисторы, допускающие выделение большой электрической мощности на коллекторе характеризующиеся большими максимальными предельными значениями напряжения и тока коллектора.

Это важно, так как экономичный режим оконечного каскада достигается при максимальном использовании транзисторов, т.е. при предельном использовании рабочей области характеристик, что приводит к тому, что захватываются нелинейные участки. Поэтому для уменьшения нелинейных искажений приходится принимать специальные меры. Расчет оконечных каскадов ведется на основе графического определения режима покоя и коллекторного режима, путем построения динамических характеристик для постоянного и переменного токов, которые строятся на семействе выходных статических характеристик. Основные показатели оконечных каскадов: выходная мощность, коэффициент гармоник и КПД. Они зависят от типа транзистора, режима его работы, схемы каскада и способа его включения. Различают однотактные и двухтактные схемы оконечных каскадов, по способу подключения громкоговорителей на выход усилителя различают трансформаторные и бестрансформаторные схемы. В трансформаторных каскадах транзисторы включаются по схеме с ОЭ, в бестрансформаторных - по схеме с ОК. Среди режимов работы различают режимы А,В, А-В и С, причем наиболее экономичным является режим В или близкий к нему.

Режим работы определяет положение рабочей точки покоя на проходной динамической характеристике. Для упрощения будем считать эту характеристику идеальной (прямолинейной), и обратный ток коллектора при отсутствии тока базы равным нулю. Наибольшее напряжение базы, при котором транзистор еще закрыт, называется пороговым напряжением базы U_бп.

1. Режим А – характерен тем, что рабочая точка выбирается на середине динамической характеристики.

Рис. 30 - а Работа транзистора в режиме А

Границы участка в точке А,В выбираются так, чтобы ток коллектора не превышал предельно допустимую величину I _кпред для данного транзистора, т.е.I к мах ≤ Iк _пред. Так как минимальный ток коллектора крайне мал и его можно считать равным нулю,

т.е. Iк min ≈ 0, то ток покоя коллектора равен половине максимального тока ( ). В колебательном режиме амплитуда коллектора тока I_mк ≈ I_ко.

В режиме А транзистор работает без отсечки, так как ток протекает весь период сигнала.

Положительные свойства режима: минимальные нелинейные искажения, постоянство средних значений тока независимо от величины сигнала.

Недостаток: низкий КПД (50%) и большая мощность потерь. Применяется режим А в каскадах предварительного усиления и однотактных оконечных каскадах, а также в двухтактных усилителях малой мощности (1 – 3 Вт).

Режим В – в этом режиме рабочая точка выбирается в точке запирания транзистора (точке В), для чего на его базу подают смещение, равное пороговому напряжению (U_бп).

Рис. 30-б Работа транзистора в режиме В

Это напряжение для кремневых транзисторов составляет

0,5 – 0,6 В, для германиевых – 0,3 В. Амплитуда максимального выходного сигнала может быть увеличена вдвое, что увеличивает полезную выходную мощность и снижает потребляемую мощность т.к ток покоя практически равен нулю, и каскад в режиме покоя практически не потребляет энергию. КПД много больше и составляет примерно 78 - 79%; одновременно с его повышением снижается мощность потерь, возрастает надежность и долговечность устройства. Недостаток: так как транзистор воспроизводит только одну полуволну сигнала, то отсечка составляет 90⁰ и велики нелинейные искажения (до 40%), поэтому режим В применяется только в двухтактных схемах, где поочередно работают два плеча.

Режим А-В – этот режим по выбору рабочей точки является промежуточным. Его применяют только в двухтактных схемах. Свойства режима будут ближе к режиму А или режиму В, в зависимости от выбора положения рабочей точки. Целесообразно применять глубокий режим А-В.

Рис.30-в Работа транзистора в режиме АВ:

кривая 1 – при большом сигнале; кривая 2- при малом сигнале

Особенности работы транзистора без смещения (Режим С) – при подаче переменного напряжения на базу, транзистор открывается после того, как оно превысит пороговое, поэтому при отсутствии смещения ток через транзистор протекает меньше

полпериода (рис.30,г). Если работают два транзистора, то каждый из них пропускает ток меньше полпериода и это вызывает заметные нелинейные искажения. Если амплитуда сигнала мала, меньше U_бп, то такой сигнал вообще не будет воспроизводиться в схеме без смещения.

Рис.30-г Работа транзистора в режиме С (а) и нелинейные искажения типа центральной отсечки и двухтактной схеме (б)