velikol.ru
1


УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ


Цель работы: Изучение принципа работы и схемотехники усилителя мощности с трансформаторным включением нагрузки и двухтактного комплиментарного эмиттерного повторителя. Компьютерный анализ влияния параметров элементов усилителя мощности на его амплитудно-частотную и нагрузочную характеристики.


Введение


Мощности современных радиопередающих устройств измеряются десятками и сотнями киловатт. Мощности усилителей звуковых сигналов измеряются десятками ватт, а в специальных случаях – и десятками киловатт. Для получения таких больших мощностей необходимы специальные усилители – усилители мощности.

Различают апериодические (АУМ) и резонансные (РУМ) усилители мощности.

Апериодические усилители мощности усиливают широкополосные сигналы. Основные области их применения – усиление звуковых и видеосигналов. Стремление повысить КПД приводит к увеличению амплитуд напряжений и токов усилительных элементов до предельно возможных. При таких условиях заметны нелинейности вольтамперных характеристик, приводящие к искажениям усиливаемых сигналов. Требования получения максимальной мощности в нагрузке усилителя и минимальных нелинейных искажений являются противоречивыми. При расчете АУМ приходится искать компромиссные решения.

Резонансные усилители мощности усиливают узкополосные радиочастотные колебания. Нагрузкой РУМ служит резонансный контур, выделяющий первую гармонику тока усиливаемого сигнала. Нелинейные искажения тока в таком усилители не имеют значения, поэтому в РУМ удается получить большую мощность и КПД.

Каскады усилителей мощности отличаются большим разнообразием. Они могу выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОВ, ОЭ (ОИ) или ОК (ОС).

По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть трансформаторными и бестрансформаторными.

Важным является также класс усиления, используемый в каскаде. В зависимости от выбора исходной рабочей точки на передаточной характеристике различают режимы работы: А, В, АВ, С и D.

Режим А – это режим, при котором исходная рабочая точка П, определяющая состояние схемы при отсутствии сигнала и так называемый ток покоя Iкп, располагается примерно на середине линейного участка характеристики (рис.1).


Iк iк


Iкm

Iкп П


0 t

Uбэ

Uбп

Uвх m


t


Рис.1. Режим А работы усилительного каскада


В этом режиме напряжение смещения Uбп всегда больше амплитуды входного сигнала Uбп > Uвх m, а постоянная составляющая коллекторного тока больше или примерно равна амплитуде переменной составляющей Iкп ≥ Iкm. Синусоидальному входному сигналу соответствует синусоидальный выходной ток, нелинейные искажения минимальны, но КПД каскада составляет лишь 20 – 30%.

Режим В – это режим, при котором исходная рабочая точка совпадает с началом координат, т.е. ток покоя отсутствует Iкп = 0 (рис.2). При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода и имеет форму импульсов с углом отсечки θ = π/2.

Iк iк

Iкm


0 Uбэ t


Uвх m


t


Рис.2. Режим В работы усилительного каскада


КПД каскада, работающего в режиме В, достигает 60 – 70%. Однако форма выходного сигнала искажена из-за нелинейного участка передаточной характеристики.

Режим АВ, как видно из рис.3 занимает промежуточное положение.


Iк iк


Iкm


П

Iкп

Uбэ t


Uвх m


T


Рис.3. Режим АВ работы усилительного каскада

Угол отсечки в этом режиме несколько больше за счет сдвинутой из нуля исходной, рабочей точки П с помощью тока покоя Iкп в начало линейного участка передаточной характеристики.


Режим С - это режим, при котором ток iк протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т.е. θ < π/2. Ток покоя отсутствует. Этот режим используется в мощных избирательных усилителях, где нагрузкой является колебательный контур.

Режим Dэто ключевой режим работы, при котором транзистор может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Достоинство режима D заключается в увеличении КПД. Его недостаток – значительное усложнение схемы усилителя.


Усилитель мощности с трансформаторным включением нагрузки

Схема усилителя мощности с трансформаторной нагрузкой показана на рис.4. В работе усилителя используется режим А. Расчет каскада обычно проводят графо-аналитическим методом с использованием линий нагрузки по постоянному и переменному токам. Исходным при расчете являются выходная мощность Pн и сопротивление Rн.

В выходной цепи каскада сопротивление постоянному току относительно мало. Оно определяется активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора, в силу чего линия нагрузки каскада по постоянному току проводится из точки Е почти вертикально.

Для определения угла наклона линии нагрузки каскада по переменному току, проходящей через точку покоя П, необходимо определить коэффициент трансформации . Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется приведенным к первичной обмотки сопротивлением Rн: .

Для выбора координат точки покоя Uкэп и Iкп требуется определить Iкm, Uкm. В случае гармонического сигнала выходная мощность каскада связана с параметрами Uкm и Iкm выражением:

,

откуда находим .




Тр.


ω1 ω2 Rн

R1


С1

Т


Uвх R2 Rэ

_


Iк

Iк доп


Pк доп


Iкm П

Iбп

t

Iкп


0 Е Uк доп Uкэ

Uкэп


Uкm

t Рис. 4


Выбор напряжения Uкm производят с учетом того, что режим А предусматривает: Uкэп > Uкm + ΔUкэ, Iкп > Iкm + Iк max, где ΔUкэ – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора; Iк max – начальный ток коллектора, соответствующий максимальной температуре. Из этого следует Uкэп ≤ Е. Для определения Iкп можно воспользоваться линией нагрузки по постоянному току или соотношением .

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току под углом, определяемым отношением .

Выбор типа транзистора связывают с производимым расчетом, т.к. тип транзистора накладывает ограничения на ток Iкm, напряжение Uкэm и мощность Pк, рассеиваемую в коллекторном переходе: Iк. доп. > Iкп + Iкm, Uк. доп. > Uкэп + Uкm ≈ 2Е,

Рк. доп. > Рк = Uкп ∙ Iкп , где Iк. доп., Uк. доп., Рк. доп. – допустимые параметры для транзистора.

По найденным значениям Iкп определяют ток Iбп, а затем рассчитывают элементы входного делителя R1 и R2 .

КПД каскада равен произведению коэффициентов полезного действия коллекторной цепи и трансформатора: η = ηк ∙ ηтр.

Величину ηк находят из отношения выходной мощности каскада к мощности, потребляемой от источников питания:



.

Предельная величина ηк равна 0,5 при Iкm = Iкп и Uкm = Uкэп. Положив ηтр = 1, заключаем, что предельно возможное КПД рассматриваемого каскада составляет 50%. Реальное значение η не превышает 35 ÷ 45%.

Мощность рассеиваемая транзистором в коллекторном переходе Рк характеризуется разностью мощностей, потребляемой каскадом и отдаваемой в цепь трансформатора:

.

Эта величина стремится к 0,5Ри при максимальной нагрузке и к Ри при отсутствии сигнала.

^

Двухтактный усилитель мощности


Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью показана на рис.5. Она выполнена на двух трансформаторах Т1 и Т2. Нагрузка Rн подключается с помощью выходного трансформатора Тр2. Коллекторная цепь транзистора Т1 подключена к первой секции его первичной обмотки ω2-1, а транзистора Т2 ко второй секции ω2-2. Коэффициент трансформации Трансформатор Тр1, имеющий коэффициент трансформации , выполняет функцию входного трансформатора. Он обеспечивает подачу входного сигнала на базовые цепи обоих транзисторов.

Двухтактный каскад может работать в режиме В или АВ. Режим АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R1 и R2 напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источника питания Е. В режиме В начальное смещение не создается и резистор R1 отсутствует.

В отсутствие входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов относительно эмиттеров равны нулю. Токи в усилителе равны нулю и Uвых = 0.


iк1




Iб1

Тр1 Т1 Тр2


R2 Uвых

Uвх - Е + Rн


R1

Т2

Iб2 iк2





Iк


Iкm iк1


О

Iко Uкэ

Е


Uкm


Рис.5


При подаче входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке ω1-1 трансформатора Тр1 действует относительно эмиттеров отрицательная полуволна напряжения, а на вторичной обмотке ω1-2 – положительная полуволна. В результате транзистор Т2 остается закрытым, а через базу транзистора Т1 протекает ток iб1. Транзистор Т1 открывается и через него протекает коллекторный ток iк1 = β ∙ iб1, а в обмотке ω2-1 создается напряжение . На нагрузке действует положительная полуволна напряжения .

При поступлении на вход усилителя отрицательной полуволны напряжения полярность напряжений на вторичной обмотке Тр1 изменяется на обратную. Теперь в закрытом состоянии будет находиться транзистор Т1, а в усилении сигнала будет участвовать транзистор Т2. На обмотке ω2-2 трансформатора Тр2 от протекания тока iк2 = β ∙ iб2 создается напряжение той же величины, что и в первом случае, только обратной полярности. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы.

Описанный процесс работы каскада поясняют графические построения на рис.5 для такта усиления транзистора Т1. Линия нагрузки каскада по постоянному току, исходящая из точки с координатами (0; Е ), проводится почти параллельно оси токов, поскольку сопротивление в коллекторной цепи транзистора определяется малым активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора Тр2. Поскольку в режиме покоя Uбэ = 0 и ток коллектора определяется обратным током Iко, линия нагрузки каскада по переменному току пересекается с линией нагрузки по постоянному току в точке с координатами (Iко; Uкэ≈Е). Линия нагрузки каскада по переменному току проводится с учетом того, что .

Определим соотношения, характеризующие энергетические показатели каскада.

Мощность выходного сигнала . С учетом потерь в трансформаторе мощность в нагрузке .

Так как потребляемый от источника питания ток Iи является пульсирующим током с амплитудой Iкm, его среднее значение

.

Мощность, потребляемая от источника питания .

КПД коллекторных цепей каскада и всего каскада .

И этих соотношений следует, что КПД каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив Uкm = E и ηтр= 1, находим предельное значение КПД: η = 0,785. Реальные значения КПД двухтактного трансформаторного усилителя мощности составляют 0,6 ÷ 0,7, что в 1,5 раза выше, чем в однотактном выходном каскаде.

Мощность, рассеиваемая в коллекторных переходах обоих транзисторов: , или .

Для определения максимальной рассеиваемой мощности Pк max продифференцируем Рк по Uкm и приравняем производную нулю:

, откуда найдем величину Uкm, соответствующую Pк max: . Подстановкой находим выражение для подсчета максимальной суммарной мощности, теряемой в транзисторах: .

Выбор транзисторов по напряжению производят, исходя из его максимального значения, которое может составлять 2Е. Режим В, характеризуемый протеканием через каждый из транзисторов только одной полуволны тока, отличается лучшим их использованием по току. Выбор транзисторов по току производится по величине Iкm. В связи с этим, при одном и том же типе транзисторов, двухтактный каскад обеспечивает большую мощность в нагрузке, чем однотактный.

Однако, отсутствие в режиме В начального смещения приводит к сильным нелинейным искажениям выходного сигнала. Основная причина этого явления – нелинейность входной характеристики транзисторов на начальном участке (при малых токах базы).

Влияние нелинейного участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис. 6а.




Iб


iб1


0

- Uбэ Uбэ t

iб2


Uвх Рис.6 а. Режим В

- Iб


Iб


Uбо

iб1

Iбо

- Uбэ Uбэ t


iб2


Uвх


- Iб Рис.6 б. Режим АВ


Как видно из рис. 6,а при синусоидальном входном сигнале Uвх форма токов iб1 и iб2 получается искаженной. Вследствие этого будет искажена и форма токов коллекторов iк1 и iк2, а следовательно, выходное напряжение каскада.

Для уменьшения искажений в цепи баз обоих транзисторов вводят дополнительные резисторы (R1, R2), которые задают некоторое начальное смещение на базах транзисторов, соответствующее началу линейного участка их вольтамперной характеристики.

При наличии напряжения смещения Uбо и начальных токов Iбо≠0 обоих транзисторов входной сигнал воздействует на уменьшение базового тока одного транзистора и увеличения другого, в связи с чем, результирующая входная характеристика получается близкой к прямой линии, показанной на рис.6,б пунктиром. Влияние нелинейности входных характеристик на режим усиления исключается.

Задание небольшого напряжения смещения Uбо практически не сказывается на энергетических показателях схемы по сравнению с режимом В. Поэтому, для режима АВ действительны все приведенные ранее соотношения.


^

Бестрансформаторные усилители мощности



В рассмотренных схемах усилителей мощности применение трансформатора необходимо для согласования выходного сопротивления транзистора с низкоомным сопротивлением нагрузки. Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов.

Для выяснения принципов работы бестрансформаторных усилителей мощности рассмотрим два каскада усиления режима В с общими коллекторами, в которых применены транзисторы разных проводимостей.


+ Е - Е


U1 Т1 U1 Т2


t iэ t iэ


iэ Rн t iэ t


а) б)


+ Е


Т1

iэ

U1 iэ1


t iэ2 Rн t


Т2


- Е в)

+ Е


R1


С

Т1

D1


D2

Т2

Rн

R2


г)

- Е

Рис. 7



При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа (рис.7,а) протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p-типа (рис.7,б). Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности (рис.7,в). Образованная схема усилителя мощности представляет собой мощный комплементарный эмиттерный повторитель. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

Энергетические соотношения комплементарных эмиттерных повторителей аналогичны двухтактным усилителям с трансформаторной связью. Проблема нелинейных искажений решается также, как и в предыдущем случае – подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ (рис.7,г).


^

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ



Выполнение экспериментальной части включает в себя как изучение назначения и функционирования элементов электронного усилителя, так и получение экспериментальных параметров, характеризующих работу усилителя мощности.

Экспериментальная работа выполняется на лабораторном стенде № 5. Его внешний вид представлен на рис. 8.


1


2 12


11

3

10

4


5 6 7 8 9


Рис. 8. Внешний вид лабораторного стенда № 5


  1. Сетевой трансформатор блока питания.

  2. Стабилизированный источник питания усилителя мощности (10В).

  3. Плата усилителя мощности.

  4. Громкоговоритель.

5, 7- Выводы общего провода.

6- Вывод входа усилителя.

8, 9- Выводы выхода усилителя.

10, 11- Органы управления нагрузкой усилителя.

12- Тумблер выключения сетевого питания.


На рис. 9 приведена электрическая схема усилителя мощности.

+


D3 Uп=10В


R3 16к T5

Т6

R4 D4 T8

R2 2,2к 1,3к R6 1,8к D5

R11 0,5

C1 Т1 Т2 R8 16к D6 C3 2000.0 Uвых

R7 R10 R12 0.5

Uвх 20.0

150 C4 T9

T3 T4 Rн 26

R1 D1 Т7

10к R5 С2 R9

150 D2 50.0 200


_

Рис.9. Транзисторный усилитель мощности с отрицательной обратной связью: Т1, Т2, Т3, Т4, Т8 – КТ 315; Т59 – КТ 361; Т6 – КТ 972; Т7 – КТ 973


Усилитель мощности включает в себя входной дифференциальный каскад на транзисторах Т1 и Т2, промежуточный каскад на транзисторе Т5 и выходной двухтактный эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах Т6 и Т7.

Питание дифференциального каскада осуществляется от генератора стабильного тока, выполненного на транзисторе Т3, двух диодах D1, D2 и резисторах R5 и R 6.

Генератор тока на транзисторе Т4 обеспечивает стабильность тока в цепи смещения выходных транзисторов Т6 и Т7.

Транзисторы Т8 и Т9 совместно с резисторами R11 и R12 выполняют роль защиты по току выходных транзисторов от короткого замыкания в нагрузке.

Резистор R2 осуществляет регулировку выходного напряжения по постоянному току в пределах 0,5 Uп.

Резистор R10 позволяет регулировать напряжение смещения на базах выходных транзисторов.

В усилителе введена отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току цепочкой R8, R7 и С2.

Усилитель мощности питается от однополярного компенсационного стабилизатора (Uп= 10В), находящегося в лабораторном стенде.

Для исследования усилителя мощности используются электронные измерительные приборы: вольтметр переменного тока В3-33, вольтметр универсальный В7-35, двухлучевой осциллограф С1-118А и источник сигналов – генератор низкой частоты Г3-112.


Задание 1. Получение амплитудной характеристики усилителя.


Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитуды выходного напряжения от изменения амплитуды напряжения на входе.

Для ее получения гармонический сигнал низкой частоты 1 кГц с генератора Г3-112 подать на вход усилителя, контролируя его величину вольтметром переменного тока В3-33. Форму входного сигнала наблюдать на экране осциллографа С1-118А по первому каналу.

Выходной сигнал наблюдать на экране осциллографа по второму каналу, а его величину измерять вольтметром универсальным В7-35.

Перед включением приборов в сеть проверить органы управления на источниках сигналов и на измерительных приборах. Источники сигналов должны выдавать наименьший по амплитуде сигнал, а ручки управления измерительных приборов должны быть поставлены в положение измерения максимальной величины.

Увеличивая входной сигнал от 0 наблюдать увеличение выходного сигнала до симметричного ограничения его амплитуды. Результаты измерений Uвх и Uвых занести в таблицу 1.

По результатам измерений построить зависимость Uвых=f(Uвх). По графику измерить коэффициент усиления Коос и динамический диапазон усилителя D=Umax/ Umin . Сравнить измеренное значение Коос с расчетным.

Таблица 1




№ п/п fo Uвых Uвх D Kоос изм. Kоос расч.


1.

2.

3. 1кГц



n


Задание 2. Исследование амплитудно-частотной характеристи-

ки (АЧХ) усилителя мощности.

Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты описывает амплитудно-частотную характеристику усилителя. Для ее построения необходимо на вход усилителя подать гармонический сигнал с постоянной амплитудой (Uвх=10mВ). Величина входного сигнала выбирается такой, чтобы выходной сигнал при любых частотах не искажался. Это примерно 3/4 динамического диапазона усилителя.

Изменяя частоту входного сигнала от 10 Гц до 200 кГц, измерять выходное напряжение при номинальной нагрузке 8 Ом. Данные измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2





№ п/п Uвх f lg f Uвых K=Uвых/Uвх ∆fпол. проп.

1.

2.



n


По данным таблицы 2 построить зависимость K = ψ(lgf) и измерить полосу пропускания.

Используя параметры схемы, сравнить расчетную полосу пропускания ∆fпр с экспериментальной.

Задание 3. Измерение скорости нарастания выходного сигнала по переходной характеристике.

Переходную характеристику, как отклик системы на импульсное воздействие, можно получить, подав на вход усилителя сигнал типа меандр с крутыми фронтами. Для этого переключить тумблер формы выходного сигнала Г3 – 112 в положение (меандр). Изменяя частоту входного сигнала, наблюдать выходной сигнал на экране осциллографа и по наклону фронта выходного сигнала измерить максимальную скорость(vU max) нарастания выходного сигнала в В/мкс.


Задание 4. Получение КПД и нагрузочной характеристики усилителя мощности.

Нагрузочная характеристика связывает выходную мощность усилителя и сопротивление нагрузки при Uвх max=const и f=const.

Для получения нагрузочной характеристики Рвых=f(Rнагр) на вход усилителя подать максимально возможный гармонический сигнал с частотой f = 1кГц.

Изменяя Rнагр в пределах 4 ÷ 26 Ом, измерить Uвых и, рассчитав , построить график зависимости Pвых = f(Rнагр). Данные измерений удобно свести в таблицу 3.

Таблица 3





№ п/п Uвх f Rнагр Uвых Рвых

1.

2. 1кГц



n


Для расчета КПД необходимо знать мощность (Рз=Uп · Iп), затраченную на получение выходной мощности Pвых. Uп и Iп – напряжение и ток, потребляемый от источника питания.
^

Задание 5. Компьютерное моделирование лабораторного

эксперимента.

1. Используя программное обеспечение, предлагаемое преподавателем (Electronics Workbench 3.0E или CircutMaker v.5.0), построить на экране компьютера (или использовать файл "Лаб5") схему усилителя мощности. Ввести параметры элементов схемы. Ко входу усилителя подключить функциональный генератор и подать на вход гармонический сигнал с напряжением 15мВ и частотой f =1кГц. Двухлучевой осциллограф и измеритель амплитудно-частотной характеристики по одному каналу подключить к входу усилителя, а по второму каналу к его выходу.


2. Органами управления осциллографа и измерителя АЧХ установить наиболее рациональную форму и размер осциллограмм. Измерить по осциллограммам коэффициент усиления K при f=1кГц, а также полосу пропускания Δf.

3. Провести анализ и установить влияние параметров элементов схемы на коэффициент усиления и полосу пропускания. Сделать соответствующие выводы.


^ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высш.шк., 1982. 496 с.; ил.

  2. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высш. шк., 1988. 464 с.; ил.

  3. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / Пер. с англ. И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. 560 с.; ил.

  4. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие /

Ю. И. Волощенко, Ю. Ю. Мартюшев и др./ Под ред.

Г.Д. Петрухина. М.: Изд-во МАИ, 1993. 416 с.; ил.

  1. Радиотехника: Учебное пособие для студентов вузов /

Е.М. Гершензон, Г.Д. Полянина, Н.В. Соина. М.: Просвещение, 1986. 319 с.; ил.

  1. Элементы информационных систем: Учеб. для вузов / В.П. Миловзоров. М.: Высш.шк., 1989. 440 с.; ил.