close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Управления Министерства;doc

код для вставкиСкачать
Электроника и МПТ
Усилители мощности (УПТ)
Усилитель мощности – усилительный каскад, предназначенный для передачи в нагрузку
заданной либо максимально возможной мощности при максимально возможном КПД и
минимальных нелинейных искажениях.
Усилители мощности (УМ) применяются
предоконечного (предвыходного) каскадов.
в
качестве
оконечного
(выходного),
либо
Важные параметры УМ:
1. коэффициент полезного действия - КПД;
2. коэффициент гармоник – Кг.
1
Классификация УМ
Каскады усиления мощности отличаются большим разнообразием.
1. Тип УЭ:
а) на полевых транзисторах;
б) на биполярных транзисторах;
в) на электронных лампах.
2. Класс усиления УЭ:
а) в классе А;
б) в классе В;
в) в классе АВ.
3. Способ подключения нагрузки к выходу каскада:
а) трансформаторные (с трансформаторным выходом);
б) бестрансформаторные (с непосредственной связью).
4. Схема включения УЭ:
а) ОЭ (ОИ);
б) ОБ;
в) ОК (ОС).
5. Количество УЭ, работающих за период усиления
входного сигнала:
а) однотактные (один УЭ работает в течение периода);
б) двухтактные (два УЭ работают поочередно).
2
Однотактный усилитель мощности (класса А)
с трансформаторным выходом
В однотактных усилителях мощности применяется
лишь один транзистор, который работает в активном
режиме и усиливает как положительную, так и
отрицательную полуволны входного сигнала (класс
усиления А).
Такой режим работы называется однотактным.
Простейшая схема замещения
трансформатора
Схема однотактного УМ
W1, W2 – первичная и вторичная обмотки (количество витков в обмотках);
rа1, rа2 – сопротивление меди в обмотках W1, W2, соответственно (rа1, rа2 часто пренебрегают,
считая rа1, rа2 ≈ 0);
rа2’ = rа2/n2 – пересчитанное в первичную цепь rа2;
n = W2/W1 – коэффициент трансформации;
Lμ →∞ - индуктивность намагничивания трансформатора (при этом ток намагничивания Iμ →∞ ).
3
Полагаем
rа1, rа2 ≈ 0,
Lμ →∞.
Схема однотактного УМ
а)
б)
Схема замещения трансформатора в однотактном УМ:
а) режим покоя (на постоянном токе); б) на переменном токе.
В режиме покоя:
ω=0 => XL=ωLμ=0 (XL - закоротка) => Rн= = ra1 ≈ 0;
На переменном токе:
Rн= << Rн~
- отличие от RC-усилителя
ω≠0 => XL=ωLμ→∞ (XL - разрыв) => Rн~ = (ra1+ ra2’)+Rн’ ≈ Rн’
C учетом Rн= << Rн~ принцип работы такого усилителя
мощности аналогичен работе RC –усилителя.
4
Rн= = ra1 ≈ 0;
Rн~ ≈ Rн’.
О построении нагрузочных прямых
1. Нагрузочная прямая постоянного тока.
По 2-му закону Кирхгофа справедливо
Eк  Ura1  Uк  Iк  ra1  Uкэ .
Прямая строится по 2-м точкам:
1) Uкэ  0; Iк 
Eк Eк

 ;
ra1
0
2) Iк  0; Uкэ  Eк .
В данном случае нагрузочная прямая
постоянного тока представляет собой
почти вертикальную прямую линию.
2. Нагрузочная прямая переменного тока
строится также как и в RC-усилителе (см.
лекции, практики).
5
Основные энергетические параметры УМ
Выходная мощность каскада – мощность, поступающая в первичную обмотку трансформатора.
Pвых к
Iкm Uкm Iкm  Uкm
Uк2m
Iк2m
 Iк  Uк 




 Rн' .
'
2
2  Rн
2
2
2
Данная мощность есть площадь заштрихованного на выходных х-ках треугольника со
сторонами Iкm и Uкm.
Мощность в нагрузке, т.е. передаваемая во вторичную цепь трансформатора:
Pн  Pвых к  ηтр ,
где ηтр – КПД трансформатора.
В зависимости от передаваемой мощности ηтр = 0,75÷0,95. Чем больше
передаваемая мощность, тем больше КПД.
Мощность, потребляемая усилителем от источника питания:
T
T
 Eк T

Eк T
1
P0  PE   Eк  iк (t )dt    I0к dt   Iкm sinωtdt  
I
dt

0
  0к
  Eк  I0к  U0к  I0к .
T 0
T 0
0
 T 0

КПД усилителя мощности:
Pн Pвых к  ηтр Iкm  Uкm
I U
η


 ηтр  кm кm  ηтр .
P0
P0
2  P0
2  Eк  I0к
6
Для идеального усилителя Uкm = Eк, Iкm = Iок, ηтр=1, => теоретический КПД (теоретический
максимум) усилителя
ηтеор max  50%.
Реальное значение КПД каскада всегда меньше 50% и составляет
ηреал  30  35%.
Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых значениях
выходной мощности – единицы Вт.
Требования, предъявляемые к транзистору в однотактном трансформаторном УМ:
1.
2.
3.
4.
Pк доп ≥ Pк max = I0к·Eк;
Iк доп ≥ Iк max = 2·I0к;
Uк доп ≥ Uк max = 2·Eк;
fβ >> fв – верхняя граничная частота усилителя.
Параметры Pк max, Iк max, Uк max рассчитаны на худший случай.
7
Двухтактные усилители мощности
В двухтактных схемах входной
сигнал усиливается за два такта. В
первом такте полуволна одной
полярности усиливается первым
транзистором, а во втором такте
полуволна другой полярности –
вторым транзистором.
I. Двухтактный трансформаторный
усилитель мощности
Разобрать самостоятельно
по Забродин Ю.С. Промышленная
электроника: Учебник для вузов.
– М.: Альянс, 2008. – 496 с.
Содержание:
- принцип действия в классе В;
- основные
энергетические
соотношения;
- нелинейные
искажения
и
способы их снижения.
8
Достоинства трансформаторных усилителей мощности
1. Гальваническая развязка между выходом каскада и нагрузкой.
2. Разделение нагрузки и выхода каскада по постоянной составляющей.
3. Возможность согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением
каскада за счет коэффициента трансформации с целью передачи в нагрузку
максимально возможной мощности.
4. Возможность получения теоретических любых значений выходного напряжения при
заданном напряжении питания.
5. Возможность работы на несколько гальванически развязанных нагрузок.
6. Возможность получения 2-х противофазных сигналов.
Недостатки трансформаторных усилителей мощности
1. Увеличенные массо-габаритные параметры устройства за счет трансформатора.
2. Возрастание нелинейных искажений выходного сигнала из-за нелинейности кривой
намагничивания сердечника.
3. Увеличение линейных частотных искажений вследствие влияния реактивностей
трансформатора
(индуктивность
рассеяния,
индуктивность
намагничивания,
паразитные емкости (межвитковая, межслоевая, межобмоточная и т.д.)).
4. Существенное увеличение стоимости усилителя.
5. Невозможность микроминиатюризации, что исключает применение его в интегральных
микросхемах.
Указанные недостатки привели к тому, что наиболее широко на практике применяются
бестрансформаторные усилители мощности (БУМ).
9
II. Бестрансформаторные усилители мощности (БУМ)
БУМ выполняются по схеме ОК либо по схеме ОЭ, при этом класс усиления задается В либо АВ.
БУМ с однополярным питанием на биполярных транзисторах разного типа
проводимости (схема с дополнительной симметрией)
Pк доп, Вт
p-n-p
n-p-n
до 125
КТ 825
КТ 825
до 100
КТ 818
КТ819
до 25
КТ 816
КТ 817
до 10
КТ 814
КТ 815
до 0,25
КТ 3107
КТ 3102
до 0,15
КТ 361
КТ 315
Транзисторы VT1 и VT2 с разным типом проводимости, но с
одинаковыми
параметрами.
Такая
пара
транзисторов
называется комплементарной парой.
Рассмотрим принцип действия схемы.
В классе В (нет смещения) базы транзисторов соединены
вместе.
1. Режим покоя (Uвх = 0).
Транзисторы заперты => I0к1 = I0к2 = Iк0 ≈ 0.
Eк делится пополам, т.е. U0кэ1 = U0кэ2 = Eк/2.
Т.к. постоянный ток через Cр2 не протекает, то Uвых = 0.
Ср2 подключен параллельно VT2 => Uср2 = U0кэ2 = Eк/2 = const.
Ср2 выполняет две функции:
1. разделение выхода каскада и нагрузки по постоянной
составляющей;
2. выступает в качестве источника питающего напряжения при
работе VT2 (Uср2 = Eк/2)
Схема БУМ.
Транзисторы в классе В.
10
2. Динамический режим работы (Uвх ≠ 0).
а) Uвх > 0 (положительная полуволна)
Данная полуволна является прямой для VT1 (транзистор открыт,
усиливает, активный режим) и запирающей для VT2 (заперт весь
полупериод).
По 2-му закону Кирхгофа:
uвх + Uср1 = uбэ1 + Uср2 + uвых, при этом Uср1 = Uср2 = Eк/2 !!!
По переменке:
uвх = uбэ1 + uвых => uвых = uвх - uбэ1
т.к. uвх >> uбэ1, то uвых ≈ uвх, т.е. КU ≈ 1.
Т.о. данное плечо схемы является эмиттерным повторителем
(т.е VT1 работает по схеме с ОК).
Для выходной цепи по 2-му закону Кирхгофа:
Eк = uкэ1 + uср2 + uвых => Eк – Eк/2 = Eк/2 = const = uкэ1↓ + (iэ1·Rн)↑.
Схема замещения
для Uвх > 0
каскада
С ростом uвх увеличивается ток iб =>
iэ1↑ = (1+β)iб => uвых↑, а uкэ1
противофазно падает.
Максимальная теоретическая величина uвых = Eк/2, тогда uкэ1 = 0.
Однако реальное значение uвых < Eк/2, причем чем меньше, тем меньше нелинейные искажения,
т.к. схема – эмиттерный повторитель, то uвх всегда должно чуть-чуть превышать uвых – заданное,
т.е. схема будет усиливать по току и мощности, не будет усиливать напряжение.
11
б) Uвх < 0 (отрицательная полуволна)
Данная полуволна является прямой для VT2 и запирающей
для VT1. =>
VT1 – заперт весь полупериод;
VT2 – открыт, усиливает сигнал, активный режим.
По 2-му закону Кирхгофа:
uвх + Uср2 = uвых + uбэ2 + Uср1, при этом Uср1 = Uср2 = Eк/2 !!!
Схема замещения каскада
для Uвх < 0
По переменке:
uвх = uбэ2 + uвых => uвых = uвх – uбэ2
т.к. uвх >> uбэ2, то uвых ≈ uвх, т.е. КU ≈ 1.
Т.о. и второе плечо схемы является эмиттерным повторителем (схема с ОК). Следовательно, схема
является симметричной и по свойствам и по схеме включения. Именно поэтому схема называется
схемой с дополнительной симметрией.
В данной схем используется класс В, который сопровождается
существенными нелинейными искажениями типа «ступенька»,
причем данные искажения наблюдаются несмотря на
присутствие 100% ООС. Это связано с тем, что ООС действует
только тогда, когда на выходе появляется сигнал, т.е. полезная
переменная составляющая.
Искажения типа «ступенька» на
диаграмме выходного напряжения
Для уменьшения нелинейных искажений транзисторы каскада необходимо перевести в режим АВ,
используя известные методы задания рабочей точки (фиксированным током или напряжением).
Также целесообразно использование элементов термокомпенсации.
12
II. Бестрансформаторные усилители мощности (БУМ)
БУМ с двухполярным питанием на биполярных транзисторах
В схеме использованы комплементарные транзисторы. Для
питания
схемы
используется
источник
двухполярного
напряжения, организованный из двух источников, соединенных
последовательно с выводом на среднюю точку.
В классе В (нет смещения) базы транзисторов соединены
вместе.
Схема БУМ
1. Режим покоя (Uвх = 0).
Транзисторы VT1, VT2 заперты, но маленькие токи протекать
будут I0к1 = I0к2 = Iк0 ≈ 0, причем протекая через Rн, т.к. их
величины одинаковы, они компенсируются =>
Uвых = URн = 0 =>
потенциал «0» «сидит» на эмиттерах транзисторов,
а к коллекторам прикладываются напряжения:
U0кэ1 = Eк1; U0кэ2 = Eк2.
2. Динамический режим (Uвх ≠ 0).
Принцип действия аналогичен предыдущей схеме с тем
отличием, что каждая полуволна усиливается своим
транзистором от своего источника напряжения.
Схема двухполярного
источника напряжения
Двухполярное питание дает возможность отказаться от
использования по выходу разделительного конденсатора,
что дает возможность снизить линейные частотные
искажения.
13
Пример БУМа с транзисторами, работающим в классе АВ
В этом режиме протекают токи покоя I0к1 = I0к2 (VT идентичны),
U0кэ1 = Eк1, U0кэ2 = Eк2,
но т.к. токи покоя направлены встречно друг другу, то, протекая
через Rн, создают напряжение:
Uвых = URн = 0,
поэтому потенциал «земли» соединен с эмиттерами транзисторов.
VD1, VD2 необходимы для термокомпенсации.
Т.к. RдинVD << Rст VD, то для переменной составляющей диоды
представляют практически закоротку, а для постоянной – на
диодах падает напряжение:
Uпр1 + Uпр2 = U0б1 + U0б2 ≈ 2U0бэ (VT одинаковы).
Схема БУМ
Диоды тоже должны быть идентичными. В этом случае точка а
«сидит» на «земле» по постоянке, т.к.
Uпр1 = U0б1 = U0бэ,
Uпр2 = U0б2 = U0бэ.
Величина U0бэ задается с помощью Uпр диода пропусканием
прямого тока через диод (Iдел), величина которого находится по
прямой ВАХ диода.
14
Способы увеличения β транзисторов
Поскольку коэффициенты усиления KU, KI, KP весьма сильно зависят от коэффициента усиления
транзистора β, получить большой KP с помощью рассмотренных каскадов не удается. Это связано с тем,
что β достаточно сильно падет с ростом допустимой мощности Pк доп, рассеиваемой на коллекторе.
Чем мощнее транзистор, тем меньше β у транзистора.
Для увеличения KP требуется увеличить β. Самый простой путь – это применение составных транзисторов
(каскадное включение 2-х и более транзисторов).
Существует 9 способов создания составных транзисторов. Из 9 наибольшее распространение получили 2.
1. Схема Дарлингтона
Тип составного транзистора соответствует типу исходных
транзисторов.
R – служит для ускорения запирания структуры и увеличения
предельно-допустимого напряжения Uкэ.
Результирующий βΣ ≈ β1·β2.
Транзисторы по схеме Дарлингтона:
КТ825 p-n-p β = 500 ÷ 60 000;
КТ827 n-p-n β = 700 ÷ 20 000;
КТ829 n-p-n β ≥ 700.
2. Составной транзистор на транзисторах разного типа
проводимости (композитивный)
Результирующий βΣ ≈ β1·β2.
Тип составного транзистора соответствует типу VT1.
Композитивные
транзисторы
на
практике
составляются из отдельных транзисторов.
VT1 – относительно маломощный;
VT2 – мощный.
15
Ссылки
1.
2.
3.
Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.:
Альянс, 2008. – 496 с.: ил.
Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов
н/Д: Феникс, 2007. – 703, [1] с.
Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника:
Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2008. – 798 с.: ил.
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа