Предельное значение КПД линейных усилителей

Под линейными обычно понимают усилители, в которых управляемые (активные, усилительные) элементы (УЭ) работают в непрерывном режиме. Обобщенные структурные схемы линейных усилителей с последовательным и параллельным включением нагрузки (Н) изображены соответственно на рис 5.63, а, б.

а б

Рис. 5.63. Схемы усилителей мощности:
а – с последовательным и б – параллельным включением нагрузки

Поскольку в случае параллельного включения нагрузки необходимо наличие дополнительного элемента – внутренней нагрузки (ВН), на которой теряется часть энергии источника питания (ИП), то такая схема при построении усилителей мощности практически не применяется, а используется в маломощных каскадах из-за удобства «заземления» управляющего элемента, источника питания и нагрузки.

Рис. 5.64. Диаграмма выходного тока для однотактного усилителя мощности

В схеме усилителя по рис. 5.63, а напряжение на нагрузке может иметь только одну полярность (за счет однополярного источника питания). В результате получение двуполярного (например, гармонического) сигнала в нагрузке возможно лишь с постоянным «пьедесталом» (рис. 5.64). Наличие «пьедестала» – потребление тока i₀ от источника питания при отсутствии сигнала (в режиме «покоя») – свидетельствует о низком КПД такого усилителя, называемого
однотактным.

Экономичный режим воспроизведения знакопеременного сигнала при отсутствии или незначительном потреблении энергии от источника питания в режиме «покоя» возможен в двухтактных схемах усилителей, одна из разновидностей которых приведена на рис. 5.65, а. Эпюры токов в такой схеме изображены на рис. 5.65, б.

Определим факторы, обеспечивающие максимально возможное значение КПД двухтактного усилителя (см. рис. 5.65). По определению КПД (h) – это отношение мощности сигнала в нагрузке (Р_н) к мощности, потребляемой при этом от источника питания (Р_ип):

.

а б

Рис. 5.65. Схема двухтактного каскада (а) и диаграмма токов (б)

В общем случае значение КПД зависит от формы сигнала – U_н(t), i_н(t), поэтому принято определять предельное значение КПД линейных усилителей при гармоническом сигнале в нагрузке

U_н(t)=U_mcosw t; i_н(t) = i_mcos(w t + j).

Тогда, полагая, что Е_ип = const, и учитывая наличие в схеме двух источников, получаем

,

где – период сигнала; – постоянная составляющая источника питания.

Минимальное значение КПД (h=0) имеет место при чисто реактивной (емкостной или индуктивной) нагрузке, когда фазовый сдвиг между током и напряжением достигает 90° (j=p/2). В этом случае активная мощность в нагрузке не развивается и вся мощность, отбираемая от источника питания, рассеивается на управляемых элементах. При чисто активной нагрузке (j=0) имеем

.

Отсюда следует, что значение КПД зависит от коэффициента использования напряжения источника питания g_и = U_m/Е_ип и коэффициента использования тока источника питания g_i = i_m / .

Из рис. 5.65, а следует, что приращение напряжения в нагрузке одной полярности не может превышать напряжения источника питания одного плеча двухтактного каскада:

U_m < Е_ип.

Степень этого неравенства зависит от вида вольт-амперных характеристик управляемых элементов и способа их включения. На рис. 5.66 приведен пример графического построения эпюр напряжения и тока в нагрузке для одного плеча двухтактной схемы на биполярных транзисторах с режимом покоя в точке А.

Из построений (рис. 5.66) хорошо видно, что коэффициент использования напряжения g_и < 1 из-за наличия остаточного напряжения U₀ (точка А¢¢).

Рис. 5.66. Диаграммы напряжения и тока
для одного плеча двухтактной схемы

Очевидно, что наиболее благоприятным в энергетическом смысле режимом работы линейных транзисторных усилителей является режим достижения заданной мощности в нагрузке при высоких значениях амплитуды напряжения и низких значениях амплитуды тока.

Рис. 5.67. Диаграмма выходного тока одного плеча двухтактного усилителя

При этом, с одной стороны, увеличивается отношение U_m/U₀, а с другой – уменьшается абсолютное значение U₀. Если при заданных нагрузке и мощности значения U_m и i_m оказываются неблагоприятными в указанном выше смысле, то можно, если это допустимо с других точек зрения, применить согласующий трансформатор. Выбором коэффициента трансформации можно на выходе усилителя (на первичной обмотке) получить требуемое высокое значение напряжения при заданном низком его значении в нагрузке. С учетом сделанных замечаний предельное значение g_и ® 1.

Для определения максимального значения коэффициента g_i рассмотрим эпюру тока в цепи источника питания двухтактной схемы при заданном токе покоя i⁰ (рис. 5.67). Постоянная составляющая тока может быть подсчитана по соотношению

или, обозначив i⁰=e i_m,

.

Очевидно, что значение i_ип⁰, соответствующее максимуму g_i, достигается при e = 0, когда g_i=p. Полагая, что предельные значения g_и=1 и g_i=p, получаем максимальное значение КПД двухтактного каскада при гармоническом выходном сигнале:

.

Мощность, рассеиваемая на каждом управляемом элементе, равна половине общей мощности потерь:

.

В случае если требуемая мощность в нагрузке достигается при большой амплитуде напряжения, когда возникают затруднения с выбором транзистора с требуемым высоким значением U_кэдоп, используется мостовая схема (рис. 5.68). В этой схеме транзисторы работают попарно: при одной полярности сигнала открываются транзисторы V1 и V4, при другой – V2 и V3. Максимальная амплитуда сигнала в нагрузке равна

U_m = Е_и – U₀

Рис. 5.68. Мостовая схема усилителя мощности

или (для случая U_m>>U₀) U_m » Е_ип. Это означает, что требуемое напряжение источника питания при одной и той же амплитуде сигнала в нагрузке в мостовой схеме почти в 2 раза ниже, чем в ранее рассмотренных схемах. В результате и требуемое значение U_{кэ доп} для транзисторов мостовой схемы также уменьшается в два раза. С другой стороны, при одинаковом напряжении источника питания в мостовой схеме можно получить в два раза большую амплитуду сигнала в нагрузке, что при одинаковой заданной мощности позволит снизить импульс тока через транзисторы в два раза по сравнению с немостовыми схемами. Недостатками мостовой схемы являются существенное усложнение (два дополнительных мощных транзистора со схемами управления) и проблематичность введения обратной связи для стабилизации режима покоя.