Підсилювач потужності - це підсилювач, в якому вихідна потужність підсиленого сигналу порівнянна з потужністю, що підводиться до вихідний ланцюга підсилювача від джерела живлення. Вихідна потужність при цьому можна порівняти з гранично допустимою потужністю, що розсіюється електронними приладами, а амплітуди вихідної напруги і струмів можна порівняти з їх гранично допустимими значеннями. Від підсилювачів потрібне отримання великої потужності на навантаженні при високому коефіцієнті корисної дії, що пов'язане з використанням великих, гранично допустимих струмів і напруг, але при цьому не можна допустити спотворень форми вихідного сигналу.
Аналіз основних співвідношень для підсилювача потужності, можна провести з використанням вихідних характеристик транзистора, який в загальному випадку характеризується гранично допустимими значеннями
потужності, напруги та струму в вихідний ланцюга, тобто.
На рис.12.3. показана схема найпростішого однотактного підсилювача потужності і вихідні характеристики транзистора з ОЕ, у якого лінія допустимої потужності. обмежена допустимими значеннями струму і напруги.
Область, обмежена лінією Pк.доп. дозволяє використовувати транзистор без виходу його з ладу. Зазвичай максимальні миттєві значення вихідних струмів і напруг обмежують
Режим класу А. У даному режимі ток в вихідний ланцюга активного елементу протікає протягом всього періоду вхідного сигналу. Положення робочої точки вибирається таким чином, що амплітуда змінної складової вихідного струму. з'явився в результаті дії вхідного сигналу, не перевищує струм спокою. (Рис. 12.65).
Це дозволяє забезпечити роботу транзистора на лінійній ділянці ВАХ. У зв'язку з цим нелінійні спотворення сигналу мінімальні (Кг £ 1%). Максимальне значення ККД в цьому режимі мало, для резистивного підсилювача.
Режим класу В. Струм у вихідному ланцюзі активного елементу протікає протягом половини періоду вхідного сигналу. Робоча точка на ВАХ вибирається так, що вхідний струм спокою дорівнює нулю (рис. 12.7.). При цьому вхідний і вихідний струми мають форму імпульсу з кутом відсічення 90 °.
Кут відсічення - половина частини періоду, виражена в радіанах або градусах, протягом якої транзистор відкритий і через нього протікає струм.
Через нелінійності початкової ділянки ВАХ активного елемента форма вхідного і вихідного струмів істотно відрізняється форми, відповідної лінійному елементу (рис. 12.8.).
Для посилення іншої напівхвилі вхідного сигналу використовують ще один транзистор, такий підсилювач називається двотактним. Режим класу В характеризується великими нелінійними спотвореннями сигналу (Кг £ 10%), зумовленими роботою на нелінійних початкових ділянках ВАХ транзистора і високим ККД. Максимальний ККД має величину 78%.
Режим класу АВ. Струм у вихідному ланцюзі активного елементу протікає протягом проміжку часу більше половини періоду вхідного сигналу. Кут відсічення досягає 120¼150 °.
У режимі спокою транзистор відкритий, і через нього протікає струм, рівний 5¼15% максимального струму при заданому вхідному сигналі (рис. 5.4). Використовується для зменшення нелінійних спотворень властивих режиму класу В. Коефіцієнт гармонік зменшується (Кг £ 3%), але зменшується і ККД за рахунок наявності вхідного струму спокою Iб0.
Режим класу С - це режим роботи активного елемента (транзистора), при якому струм через транзистор протікає протягом часу меншого половини вхідного сигналу (рис.). Кут відсічення менше. а струм спокою дорівнює нулю. Оскільки більше половини робочого часу транзистор закритий, потужність, споживана від джерела живлення, знижується, так що ККД каскадів підвищується, наближаючись до 100%.
Зі зменшенням кута відсічення в імпульсі струму зростають рівні вищих гармонік по відношенню до рівня першої гармоніки. У зв'язку з великими нелінійними спотвореннями режим класу С не використовується в підсилювачах звукового діапазону частот, а використовується в потужних двотактних каскадах підсилювачів потужності радіочастот, навантажених на резонансний контур і забезпечують в навантаженні струм першої гармоніки.
Режим класу D - це режим, при якому транзистор знаходиться тільки в двох станах: закритий чи відкритий. У закритому стані через транзистор протікає невеличкий зворотний струм, його електричний опір велике, падіння напруги на ньому приблизно дорівнює напрузі джерела живлення. У відкритому стані через транзистор протікає великий струм, його електричний опір дуже мало, мало і падіння напруги на ньому. У зв'язку з цим втрати в транзисторі в режимі класу D мізерно малі і ККД каскаду наближається до 100%.
Таким чином, режим роботи підсилювача визначається завданням робочої точки активного елементу в режимі спокою. В режимі класу А транзистор працює без відсічення струму з мінімальними нелінійними спотвореннями. У режимах АВ, В, С, D транзистор працює з відсіченням струму.
У загальному випадку коефіцієнт корисної дії підсилювача визначається як відношення корисної вихідної потужності до потужності, що витрачається джерелом живлення. Визначимо максимально можливий ККД підсилювача потужності, що працює в режимі класу А.
У разі посилення гармонійного сигналу:
де Uм, ке. Iм, до -амплітуда напруги і струму. Потужність, що витрачається джерелом живлення, визначається твором напруги Ек і постійної складової струму Ік, o. протікає в колекторної ланцюга:
Таким чином, ККД дорівнює:
Де - - коефіцієнт використання напруги джерела живлення;
- відображає відношення амплітуди першої гармоніки колекторного струму до величини постійної складової. Очевидно, що максимальний ККД (100%) виходить при. При максимальному використанні лінійної дільниці
отже,. і, для ідеального підсилювача в режимі класу "А" маємо
У реальних підсилювачах потужності лінійний ділянку вхідний і вихідний характеристики обмежений нелинейностями зверху і знизу, тому реальний.
Збільшення ККД в режимі класу "А" можна домогтися, збільшивши. наприклад, збільшивши амплітуду напруги на виході за рахунок використання трансформаторного включення навантаження.
В цьому випадку постійний колекторний струм протікає тільки через первинну обмотку трансформатора, що має опір для постійного струму (омічний опір первинної обмотки) дуже мале в порівнянні з опором для змінного струму. В цьому випадку максимальна амплітуда напруги на колекторі може в ідеалі прийняти значення, рівне Ек. тобто коефіцієнт використання напруги джерела живлення. і максимальний ККД при такій ідеалізації
Подальше збільшення ККД можливо лише за рахунок збільшення. що передбачає нелінійний режим роботи транзистора з заходом в область відсічення струму. Практичною реалізацією такого способу є двотактні схеми підсилювачів потужності, наприклад, режим В, в якому транзистори працюють з кутом відсічення # +61553; = 90 0 в протифазі.
Двотактні схеми включення, що працюють в режимах АВ і В дозволяють отримати високий ККД при досить малих нелінійних спотвореннях. Останнє пояснюється властивістю двотактних схем компенсувати парні гармоніки.
Двотактна схема, що працює в режимі В практично може забезпечити ККД до 75% при коефіцієнті нелінійних спотворень Kг = (6 ¸ 10)%. Економічність цих режимів пояснюється різким зниженням струму спокою робочої точки за рахунок зменшення кута відсічення. У режимі АВ кут відсічення Q = (105 ¸ 110) °. в режимі В Q = (95 ¸ 100) °.
У режимі АВ (рис.5.5.) Напруга зсуву утворюється на резисторі Rт при проходженні по ньому постійної складової колекторного струму VT1:.
Для забезпечення стабільності положення робочої точки при зміні температурного режиму транзисторів кінцевого каскаду в якості Rт застосовують терморезистор з негативним температурним коефіцієнтом опору, причому розміщують його на радіаторах цих транзисторів.
Мал. 12.10 Рис. 12.11
Кращі результати дає використання в якості елемента термокомпенсации напівпровідникових приладів (рис. 12. 10.). В основі лежить температурна залежність прямої гілки ВАХ p-n-переходу, яка характеризується негативним температурним коефіцієнтом (близько # 8209; 2,2 мВ / ° С для кремнієвих приладів) і дозволяє в ідеальному випадку здійснити повну компенсацію температурного дрейфу струму спокою кінцевих транзисторів.
Крім того, мале динамічний опір відкритого p-n-переходу забезпечує однакові умови збудження транзисторів. Потрібну величину Uсм отримують, використовуючи послідовне з'єднання декількох діодів.