к оглавлению

Каскады усиления мощности (УМ) на биполярных транзисторах

Все предварительные транзисторные каскады, усиливая сигнал по току и напряжению, фактически усиливают его и по мощности, но основным каскадом в многокаскадном усилителе, который отдает полезную выходную мощность необходимой величины в нагрузку, при допустимых нелинейных искажениях сигнала, является последний выходной каскад, называемый каскадом усиления мощности.

Аналогично ранее рассмотренным ламповым вариантам различают однотактные каскады УМ, работающие в режиме класса А, и двухтактные каскады УМ, которые могут работать в режимах классов А, В, АВ при соответствующих КПД.

Из электротехники известно, что любой генератор тока или напряжения отдает максимально возможную мощность в нагрузку при условии равенства его внутреннего сопротивления с сопротивлением нагрузки. Учитывая это обстоятельство и имея в виду, что большинство исполнительных механизмов, потребляющих полезную выходную мощность каскада УМ, обладают небольшой величиной сопротивления, их включают в выходную цепь каскада УМ при помощи выходного трансформатора, который согласует малую величину сопротивления нагрузки со значительно большим выходным сопротивлением каскада.

При таком согласовании сопротивление нагрузки Rн, включенной во вторичную обмотку выходного трансформатора, пересчитывается в приведенное сопротивление Rэкв его первичной обмотки по следующей формуле:

Rэкв = n2 * Rн, где коэффициент трансформации

 а с учетом КПД трансформатора, равного hтр = 0.8 — 0.98; n2Rн= = hтр * Rэкв;

В тех случаях, когда Rн Rэкв, то нагрузку можно включать в выходную коллекторную цепь однотактного усилительного каскада УМ без согласующего трансформатора. 

1. Однотактный каскад УМ.

Однотактные каскады УМ дают возможность получить полезную выходную мощность в подключенной нагрузке от долей ватта до 2 - 3 Вт.

Типовая схема такого каскада УМ с выходным трансформатором приведена на рис. 1.9.1, а. Ввиду того, что первичная обмотка выходного трансформатора имеет небольшое омическое сопротивление постоянному току Iко, в режиме покоя при Uвх = 0 почти все напряжение источника питания Ек приложено к коллектору транзистора и равно

Ек = Uкэ0 + Iэ0 * Rэ + Iк0 * r1 трансф » (1.1 - 1.25) * Uкэ0.

Поэтому нагрузочная линия по постоянному току проходит через рабочую точку под углом , значительно большим, чем нагрузочная линия для переменного тока, соответствующая динамическому режиму работы каскада       (рис. 1.9.1, в). Наличие входного сигнала Uвх = Umвх * sinwt и базового тока iб = Iб0 + I * sinwt вызывает в выходной цепи каскада пульсирующий ток коллектора   iк = Iк0 + I * sinwt и пульсирующее напряжение на коллекторе     uк = Uкэ0 + U * sin(wt - p), отстающее по фазе на 180° от фазы входного напряжения в схеме с ОЭ.

нагрузки iн=I*sinwt, выделяя в нагрузке необходимую полезную мощность усиленного сигнала

 Рвых = 0,5 * I * U = 0,5 * I2 *Rэкв к-да = 0,5 * I2 * Rн.

Коэффициент полезного действия транзисторного каскада УМ

h = (Рвых / Р0) * 100% < 45%, где Р0 = Iк0 * Ек.

Коэффициент усиления по мощности каскада УМ        

Кр = Рвых / Рвх.

 

 Рис 1.9.1. Схема транзисторного однотактного каскада УМ с ОЭ:

а - с выходным трансформатором; б - с обмоткой э/м реле в коллекторной цепи; в - графический анализ работы этого каскада УМ в режиме класса А

 

При этом индуктируемая ЭДС во вторичной обмотке трансформатора создает ток

С учетом КПД трансформатора выходная мощность каскада УМ в режиме класса А ограничивается величиной

Pвых = Pдоп трапз * hтрасф

Рдоп транз = Рвых / hтранз

 

2. Двухтактный каскад УМ на биполярных транзисторах с переходным и выходным трансформаторами.

Двухтактные каскады УМ, которые могут работать в режимах классов А, АВ, В, дают возможность получать полезную выходную мощность в нагрузке в два и в несколько раз больше, чем однотактные каскады УМ. При этом уменьшаются нелинейные искажения, а также влияние внешних помех, снижается фон переменного тока источника питания и т. п.

В этих каскадах УМ постоянные составляющие, а также четные гармоники коллекторных токов обоих транзисторов  протекают по одинаковым полуобмоткам первичной обмотки трансформатора навстречу друг другу и, взаимно компенсируясь, не намагничивают сердечник. Это позволяет уменьшить габариты, массу и стоимость трансформатора.

Суммарный ток обоих транзисторов, равный току источника питания, не содержит первой гармоники, что устраняет паразитную обратную связь через цепь источника питания.

При работе в более экономичных режимах классов АВ1 или В значительно повышается КПД двухтактного каскада УМ. При этом транзисторы могут включаться по схемам с ОЭ, ОБ или ОК.

Наибольший коэффициент усиления по мощности получается при включении транзисторов по схеме с ОЭ, что требует меньшей мощности входного сигнала, отбираемого от каскада предварительного усиления, который может собираться или с переходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку со средней точкой, или по схеме с разделенной нагрузкой, обеспечивающей фазоинвертирование сигнала, подаваемого на базы выходных транзисторов, без переходного фазоинвертирующего трансформатора.

 Рис. 1.9.2. Схема транзисторного двухтактного каскада УМ с ОЭ, с автоматическим смещением в классе АВ1 (а); то же, но без автоматического смещения в классе В (б); график работы одного плеча этого каскада УМ в классе В (в); диаграммы напряжений и токов в цепях такого каскада в классе АВ1 (г)

 При включении транзисторов по схеме с ОБ получается небольшой коэффициент усиления по мощности и требуется большей величины ток на выходе каскада предварительного усиления, так как выходным током мощных транзисторов в схеме каскада УМ с ОБ служат их эмиттерные токи. Входные сопротивления транзисторов в схеме с ОБ имеют малую величину, поэтому выходной двухтактный каскад УМ подключается к каскаду предварительного усиления при помощи переходного фазоинвертирующего трансформатора.

На рис. 1.9.2, а приведена типовая схема с ОЭ двухтактного каскада УМ, которая может работать в режимах классов А или АВ. При работе в режиме класса В резисторы R1 и R2 не включаются, так как в этом режиме Uбэ0 = 0, то есть транзисторы работают без напряжения смещения (рис. 1.9.2, б, в). Графическое пояснение принципа работы двухтактного каскада УМ в режиме класса АВ1 показано на рис. 1.9.2, г.

Расчет двухтактной схемы УМ проводится графоаналитическим методом только для одного плеча, аналогично расчету однотактного каскада УМ. При этом необходимо расчетную величину полезной мощности Рвых, для каждого плеча взять равной половине заданной полезной мощности, выделяемой в нагрузке Рн, то есть

Рвых = Рн / 2 = I U / 4

С учетом коэффициента трансформации и КПД трансформатора hтр полезная выходная мощность каждого плеча будет определяться выражением:

Рвых × hтр = Рн / 2 = IU/ (2 × 2) = I2 Rэкв / 4,

где Rэкв = n2 Rн , n = W1 / 2W2 ;

W1 / 2 - число витков полуобмотки первичной обмотки трансформатора;

Rэкв - приведенное сопротивление нагрузки к одной первичной полуобмотке выходного трансформатора; величину напряжения источника питания в режиме классов АВ1 или В выбирают из расчета

Ек » 0.6 * Um вых » (1.1 - 1.25)Uкэ 0.

В таких двухтактных схемах УМ можно получить полезную выходную мощность в нагрузке Рвых »к макс доп при заданной рабочей температуре. Коэффициент полезного действия такого каскада УМ в режиме класса В достигает  hэ = Рвых * 100%  /  Р0  » » 45 - 60%. 

3. Двухтактный каскад УМ с предварительным парафазным, то есть фазоинверсным, каскадом с разделенной нагрузкой.

Принципиальная электрическая схема такого усилительного каскада УМ приведена на рис. 1.9.3. В такой схеме двухтактный каскад УМ подключается вместо переходного фазоинверсного трансформатора со средней точкой к предварительному фазоинверсному каскаду на транзисторе с общим эмиттером, нагрузка которого разделена на две почти равные части Rк » Rэ. . Так как эмиттерный ток Iэ = = Iк + Iб немного больше тока коллектора Iк, то величину сопротивления резистора Rк выбирают немного больше сопротивления эмиттерного резистора Rэ.

В этой схеме усилителя величина каждого сопротивления резисторов R1 и R2, R5 и R6 в цепях делителей напряжения рассчитывается, исходя из необходимой величины напряжения смещения, подаваемого на базы транзисторов, для выбора рабочей точки в режиме класса А для фазоинверсного каскада и в режиме класса АВ1 для каскада УМ.

В схеме включают R3 = R4; С2 = С3 = единицы - десятки мкФ. Резистор Rэ, не зашунтированный конденсатором, создает последовательную отрицательную обратную связь не только по постоянной составляющей эмиттерного тока, что стабилизирует положение рабочей точки при изменении температуры, но и по переменной его составляющей, что уменьшает коэффициент усиления предварительного каскада по напряжению в 1+ gКu раз, то есть

 Кu (ooc) = Кu / (1+ gКi ) , где g = Uoc / Uвых — коэффициент передачи напряжения обратной связи;

 Кu — коэффициент усиления каскада по напряжению без обратной связи:

Кu  = bRк / Rвх к-да ; Rвх к-да = Rб || rвх тр-ра (без обр. св.),

где Rб = R1 || R2.

Хотя фазоинверсный каскад предварительного усиления и не усиливает входной сигнал по напряжению, однако он усиливает сигнал по току примерно в раз.

 

 

Рис 1.9.3. Схема двухтактного каскада УМ с предварительным фазоинверсным каскадом с разделенной нагрузкой, с автоматическим смещением

 Выходное сопротивление этого каскада по коллекторному выходу значительно больше выходного сопротивления каскада по эмиттерному выходу

В процессе усиления, когда на вход фазоинверсного каскада подается входное напряжение сигнала Uвх = Um вых * sinwt, одновременно на базы обоих транзисторов двухтактного каскада подаются одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180° входные напряжения, которые усиливаются выходным транзистором каждого плеча так же, как в обычной схеме двухтактного каскада УМ. 

4. Бестрансформаторный двухтактный каскад УМ.

В последние годы в усилительных устройствах стали применять бестрансформаторные выходные каскады УМ, некоторые схемы которых приведены на рис. 1.9.4.

Особенностью схем бестрансформаторных двухтактных каскадов УМ является применение в них транзисторов разноименной полярности, то есть в одном плече каскада включен транзистор типа р-n-р, а в другом плече - транзистор типа n-p-n. Оба транзистора обладают одинаковыми коэффициентами по току    Вст1 = Вст 2 » 30 - 50, а также одинаковыми обратными токами коллекторов Iкб0 1 = Iкб02.

Применение разноструктурных транзисторов устраняет необходимость фазоинвертирования входного каскада.

В этих каскадах УМ транзисторы включают по схеме с общим коллектором, что создает последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, уменьшая нелинейные и частотные искажения выходного сигнала и расширяя этим полосу пропускания Df = fв гран — fн гран.

Работая в режиме класса В или АВ1 такие низкочастотные каскады УМ имеют наибольший КПД (до 45 —  70%) в тех случаях, когда у выходных транзисторов верхняя граничная частота примерно в 1,5 - 2 раза больше максимальной частоты усиливаемого сигнала fс макс. При невыполнении этого условия КПД каскада значительно снижается, так как происходит увеличение потребляемого тока, который увеличивает мощность, бесполезно рассеиваемую коллекторами транзисторов, что может вывести их из строя. Например, если при биполярных транзисторах типа П201А происходит заметное уменьшение КПД каскада на частотах больше 3 — 5 кГц, то при использовании среднечастотных транзисторов типа П601 —  П602 это явление наступает при частотах свыше 50 — 100 кГц, а при транзисторах типа П212 — свыше 20 —  50 кГц. При этом КПД

h = Рвых × 100% / Р0 ,

где Р0 = Ек * Iк — мощность, потребляемая от источника питания  Ек.

Максимальная полезная выходная мощность таких каскадов УМ возрастает с увеличением напряжения источника питания, но не более чем Ек £ Uк э доп, а также при уменьшении сопротивления нагрузки до минимально допустимой величины, ограничиваемой предельно допустимым током коллектора Iк макс.

При этом можно принять, что Рвых = Iвых,

Uвых = 0,5 * Im вых* Um вых = 0,5Рвых макс » Pвых доп, то есть Рвых макс » 2 * Рдоп транз.

Простейшая схема бестрансформаторного двухтактного каскада УМ, собранного на разнотипных транзисторах, работающая в режиме класса В без начального напряжения смещения, показана на рис. 33, а, б. Принцип работы ее состоит в следующем. Когда на базы обоих транзисторов подается одинаковое по величине и фазе входное напряжение Uвх = Um вх *sinwt, то в положительный полупериод входного сигнала работает верхний транзистор типа n-р-n, пропуская коллекторный ток Iк1 через нагрузку Rн и источник питания Ек, а в отрицательный полупериод работает нижний транзистор типа р-n-р и разряжающийся конденсатор Ср2, пропуская коллекторный ток Iк2, через нагрузку в противоположном направлении. Таким образом, через нагрузку проходит суммарный выходной ток iн = Iн макс * sinwt.

Другая схема бестрансформаторного двухтактного каскада УМ (рис. 1.9.4, в) собирается также на двух разнотипных транзисторах. Этот каскад, работая в режимах классов А или АВ1, имеет во входных цепях делитель напряжения из резисторов R1, R2, RЗ, который обеспечивает необходимые одинаковые по величине начальные напряжения смещения, подаваемые на базы обоих транзисторов с разной полярностью, то есть + Uбэ1 и ± Uбэ2.

Диод Д обеспечивает термокомпенсацию рабочего режима транзисторов.

В динамическом режиме работы в классе АВ1, то есть при подаче на вход Uвх = Umвх * sinwt транзисторы V1 и V2 будут поочередно открываться, пропуская выходной ток через нагрузку, подключенную через конденсатор Ср2, емкость которого нужно брать побольше, чтобы обеспечить меньший завал частотной характеристики в области нижней граничной частоты.

Третья схема (рис. 1.9.4, г) отличается от предыдущей тем, что имеет еще предварительный каскад усиления, собранный на транзисторе V1 по схеме с общим эмиттером. При этом симметричные напряжения смещения необходимой величины, подаваемые в режиме покоя на базы выходных транзисторов V2 и V3, снимаются с резистора R3 при прохождении через него тока покоя Iкo1 транзистора V1. Величина тока покоя Iко1 устанавливается подбором сопротивления резистора R2.

Четвертая схема (рис. 1.9.4, д) отличается от второй тем, что оба плеча собраны на двух составных эмиттерных повторителях, в которых транзисторы V1 и V2 разной электропроводности обеспечивают работу каскада без фазоинвертирования входного сигнала. Назначение делителя напряжения, состоящего из элементов R1, R2 || Д, RЗ, аналогично ранее рассмотренной второй схеме.

Резисторы R4 и R5 обеспечивают необходимый режим работы транзисторов V3 и V4 и уменьшают влияние разброса их параметров на режим работы транзисторов V1 и V2.

 

Рис. 1.9.4. Некоторые схемы бестрансформаторных двухтактных каскадов УМ:

а, б - в режиме класса В без начального смещения;

в - в режиме класса А или АВ1 с автоматическим смещением;

г - с предварительным усилительным каскадом, с автоматическим смещением;

д - на двух составных разноструктурных транзисторных повторителях в обоих плечах;

е - график,  показывающий динамику подачи напряжения смещения на базы эмиттерных повторителей

Применение составных транзисторных эмиттерных повторителей дает возможность получать более равномерную частотную характеристику вблизи и выше верхней граничной частоты, а также более высокий коэффициент усиления полезного выходного сигнала по мощности. 

к оглавлению


Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 1011 раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 23.11.2020 - 09:52: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
23.11.2020 - 09:51: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
23.11.2020 - 09:51: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
22.11.2020 - 18:34: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
22.11.2020 - 18:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Николаевича Боглаева - Карим_Хайдаров.
22.11.2020 - 17:42: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
22.11.2020 - 17:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Александра Флоридского - Карим_Хайдаров.
22.11.2020 - 16:31: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
21.11.2020 - 23:42: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
21.11.2020 - 21:05: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
21.11.2020 - 21:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от проф. В.Ю. Катасонова - Карим_Хайдаров.
21.11.2020 - 18:49: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution