Меню

Кпд двухтактного усилителя мощности



Двухтактные усилители

При работе транзистора в режиме A невозможно реализовать высокий к.п.д. усилителя. В качестве альтернативы может подойти режим работы B, но он приводит к значительным нелинейным искажениям. Однако если реализовать два усилителя, работающие в режиме B, и заставить их усиливать положительную и отрицательную полуволны синусоиды отдельно, а затем соединить эти полуволны вместе, то получится усилитель, работающий почти без искажений. Подобный усилитель получил название двухтактного усилителя. В иностранной (и переводной) литературе сохраняется старое название этой схемы — push-pull (тяни-толкай). Схема двухтактного каскада усилителя, реализованного на n-p-n и p-n-p транзисторах, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема двухтактного каскада на n-p-n и p-n-p транзисторах

Применение двух транзисторов позволяет им помогать друг другу. В приведенной на рисунке 1 схеме положительная полуволна синусоидального напряжения открывает транзистор VT1 и закрывает VT2. Отрицательная полуволна — запирает транзистор VT1 и открывает VT2. Таким образом каждый из транзисторов усиливает только половинку входного напряжения, однако на выходе, на сопротивлении нагрузки (в звуковых усилителях на динамике) эти половинки суммируются и форма входного напряжения восстанавливается. Временные диаграммы напряжений и токов в двухтактном усилительном каскаде приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 Временные диаграммы напряжений и токов в двухтактном каскаде

В приведенной схеме транзисторы включены по схеме с общим коллектором, поэтому коэффициент усиления двухтактного каскада по напряжению приблизительно равен единице. Такой каскад обычно используется совместно с каскадом предварительного усиления, собранного по схеме с общим эмиттером. Для упрощения схемы между каскадами применяется непосредственная связь (без разделительной емкости). В результате становится возможным для формирования напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2 воспользоваться коллекторным напряжением прыдущего каскада. Схема подобного усилителя с двухтактным каскадом на выходе приведена на рисунке 2.

Рисунок 3 Схема усилителя с двухтактным каскадом на выходе и непосредственной связью между каскадами

Следует отметить, что в схеме двухтактного усилителя, приведенной на рисунке 2, строго говоря используется не класс B, а класс C! Это вызвано тем, что точка перегиба входной характеристики кремниевого транзистора не соответствует нулю, а отстоит от него на 0,7 В. Для обеспечения режима B в двухтактном усилителе на базы транзисторов необходимо подать напряжение 0,7 В. Это можно сделать при помощи резистора, зашунтированного по переменному току конденсатором, однако для устранения влияния температурного ухода входной характеристики транзистора в качестве источника напряжения 0,7 В применяются кремниевые диоды (тем более, что их сопротивление переменному току при протекании постоянного тока близко к нулю). Схема двухтактного усилителя, в котором режим работы B обеспечивается кремниевыми диодами, приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема двухтактного усилителя с формированием смещения на диодах

Следует отметить, что от выходного каскада звукового усилителя в основном требуется максимальная мощность. Обычно от одиночного транзистора не удается получить ток, достаточный для получения мощности 50 или 100 ватт. Поэтому в двухтактном усилителе применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона).

Еще одним недостатком схемы, приведенной на рисунке 3, является низкое входное сопротивление. Это обуславливается применением параллельной отрицательной обратной связи. Добавим еще один каскад для того, чтобы можно было применить последовательную отрицательную обратную связь. В результате получим схему усилителя звуковых частот, которая широко применялась в семидесятые годы XX века. Она приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 Усилитель мощности с двухтактным выходным каскадом на схеме Дарлингтона

В данной схеме при напряжении питания 12 В можно получить на нагрузке 4 Ом мощность до 3 Вт. Обращает внимание, что в этой схеме усилителя мощности смещение на двухтактный каскад формируется на транзисторе VT3. Это позволяет избежать применения четырех диодов и позволяет обеспечить плавную регулировку напряжения смещения двухтактного усилителя.

Дата последнего обновления файла 27.10.2017

Источник

Кпд двухтактного усилителя мощности

По способу работы с входным сигналом и принципу построения усилительных каскадов усилители мощности звуковой частоты разделяются на:

  1. Аналоговые, класс А
  2. Аналоговые, класс В
  3. Аналоговые, класс АВ
  4. Аналоговые, класс H
  5. Импульсные и цифровые, класс D

Необходимо отметить, что существует еще множество классов усилителей, таких как C, A+, SuperA, G, DLD и др. Некоторые из них, такие как C (угол отсечки менее 90 градусов) в УМЗЧ не применяются. Другие же оказались слишком сложными и дорогостоящими, поэтому «сошли со сцены» или были вытеснены более перспективными.

Аналоговые усилители, по сути, отличаются только углом отсечки входного сигнала, т.е. выбором так называемой «рабочей точки».

Класс А

Углы отсечки для усилительных каскадов классов А, В, АВ и С.

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

Интересными представителями усилителей класса А являются транзисторный Pass Labs XA 200.5 и ламповый Unison Research Sinfonia, сравнительные характеристики которых приведены в таблице:

Характеристики Pass Labs XA 200.5 Unison Research Sinfonia
Номинальная мощность 200 Вт 25Вт
Коэффициент гармонических искажений 1% (400Вт) не указывается
Диапазон воспроизводимых частот 1.5 – 100000 Гц 20 – 30000 Гц
Потребляемая мощность 700 Вт 500 Вт
Масса 81 кг 25 кг
Читайте также:  Земная кора название слоев мощность


Представитель усилителей класса А

Класс В

Принцип работы усилителей, классов А, В и С.

Усилительные элементы работают с отсечкой 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою «половинку» сигнала. Основная проблема усилителей в классе В — это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.

Искажения типа ступенька в усилителях класса В.

Достоинством усилителя класса В можно считать высокий КПД, который теоретически может достигнуть 78%. Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, и при отсутствии сигнала на входе она вообще равна нулю. Несмотря на высокий КПД, обнаружить среди современных моделей усилители класса В вряд ли кому-то удастся.

Класс АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Среди аналоговых усилителей данный режим работы встречается чаще всего.


Графики зависимости коэффициентов нелинейных искажений от выходной мощности усилителя для классов А, В и АВ.


Минимизация искажения типа «ступенька» в усилителях класса АВ.

Сравнительная таблица усилителей, работающих в режимах А, В, АВ:
Характеристики A B AB
Теоретический КПД 50% 78% Зависит от режима
Реальный КПД 15-30% 50-60% 40-50%
Нелинейные искажения малые Высокие средние)
Потребляемая мощность постоянная зависит от выходной зависит от выходной
Термостабильность низкая высокая средняя


Представитель усилителей класса АВ

Класс H

Данный класс усилителей был разработан специально для автомобилей, в которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Стимулом к созданию усилителей класса Н послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. Однако накопительный конденсатор должен быть достаточной емкости, иначе заявленная выходная мощность будет обеспечиваться только на средних и высоких частотах.

Идея коммутирования напряжения питания нашла применение не только в автомобильных усилителях мощности. Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов переводит в тепло. Чем больше ступенек у напряжения питания, тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше выделяется тепла на аналоговом канале.

Усилители, построенные по подобной схемотехнике, сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и, соответственно, занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД, и соответственно, снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том, что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала. Фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло в усилителями с высокой тактовой частотой, когда частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Тепловые потери аналоговой части усилителя получаются довольно низкими, но их в достаточной мере восполняют коммутационные потери и потери в фильтре при высокой тактовой частоте. Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания, при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя. КПД усилителей класса H достигает 83% при коэффициенте гармонических искажений 0,1%.

Класс D

Строго говоря, класс D — это не только схема построения или режим работы выходного каскада — это отдельный класс усилителей. Более логично было бы назвать их импульсными, но историческое название «цифровой» за ними уже прочно закрепилось. Рассмотрим общую структурную схему усилителя.


Блок схема цифрового усилителя

Оцифрованный сигнал поступает на аудио процессор, который в свою очередь с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM — Pulse Width Modulation) управляет силовыми полупроводниковыми ключами. Можно добавить, что ШИМ-сигнал можно получить и без аналого-цифрового преобразования с помощью компаратора и генератора, например, пилообразного сигнала. Такой метод в усилителях класса D также широко применяется, но благодаря развитию цифровой техники постепенно уходит в прошлое. Аналого-цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, шумоподавление, подавление акустической обратной связи и др.

В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность («ширина») изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке.

Читайте также:  Полевой транзистор высокой мощности


График зависимости КПД аналоговых и цифровых усилителей от выходной мощности.

В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.

Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но, тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность — с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.

Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.

Практическое применение находят более простые по конструкции: усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток — зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах. Чаще всего, усилители класса D, как и класса АВ, выпускаются в интегральном исполнении.

Такие усилители применяются в системах оповещения и трансляции, в которых, как известно, не уделяется большого внимания вопросам достижения особенного качества звучания. В профессиональных системах звуковоспроизведения в классе D реализуются в основном усилители для сабвуферов, так как на низких частотах ухо наименее чувствительно к нелинейным искажениям сигнала.

Если раньше от усилителя требовалась просто надежная работа и гарантированное качество звука, то современные модели дополняются рядом сервисных функций, таких как компьютерное управление усилителем, программирование встроенного лимитера, а также наличие цифрового входа. С удешевлением цифровых интерфейсов для передачи аудиосигналов можно ожидать рост рынка усилителей с дистанционно управляемыми параметрами и автоматической диагностикой, что, безусловно, расширит возможности в создании звукоусилительных комплексов. Учитывая стремительное развитие цифровой техники и элементной базы сложно даже предположить, к каким вершинам приведет нас дальнейшее совершенствование принципов построения усилителей мощности.


Представитель усилителей класса D

Источник

Усилители большой мощности

date image2015-07-04
views image2847

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Усилитель мощности — это усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания. Выходная мощность при этом сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой электронными приборами, а амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с их предельно допустимыми значениями. От усилителей требуется получение большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия, что сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала.

Анализ основных соотношений для усилителя мощности, можно провести с использованием выходных характеристик транзистора, который в общем случае характеризуется предельно допустимыми значениями

мощности, напряжения и тока в выходной цепи, то есть .

На рис.12.3. показана схема простейшего однотактного усилителя мощности и выходные характеристики транзистора с ОЭ, у которого линия допустимой мощности , ограничена допустимыми значениями тока и напряжения.

Область, ограниченная линией Pк.доп, позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают

Режим класса А. В данном режиме ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирается таким образом, что амплитуда переменной составляющей выходного тока , появившегося в результате действия входного сигнала, не превышает ток покоя , (рис. 12.65).

Это позволяет обеспечить работу транзистора на линейном участке ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (Кг £ 1 %). Максимальное значение КПД в этом режиме мало, для резистивного усилителя .

Режим класса В.Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение половины периода входного сигнала. Рабочая точка на ВАХ выбирается так, что входной ток покоя равен нулю (рис. 12.7.). При этом входной и выходной токи имеют форму импульса с углом отсечки 90°.

Угол отсечки – половина части периода, выраженная в радианах или градусах, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток.

Из-за нелинейности начального участка ВАХ активного элемента форма входного и выходного токов существенно отличается формы, соответствующей линейному элементу (рис. 12.8.).

Читайте также:  Генератор реактивной мощности мощностью 1 квт

Для усиления другой полуволны входного сигнала используют еще один транзистор, такой усилитель называется двухтактным. Режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (Кг £ 10 %), обусловленными работой на нелинейных начальных участках ВАХ транзистора и высоким КПД. Максимальный КПД имеет величину 78 %.

Режим класса АВ. Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение промежутка времени больше половины периода входного сигнала. Угол отсечки достигает 120¼150°.

В режиме покоя транзистор приоткрыт, и через него протекает ток, равный 5¼15 % максимального тока при заданном входном сигнале (рис. 5.4). Используется для уменьшения нелинейных искажений присущих режиму класса В. Коэффициент гармоник уменьшается (Кг £ 3 %), но уменьшается и КПД за счет наличия входного тока покоя IБ0.

Режим класса С – это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через транзистор протекает в течение времени меньшего половины входного сигнала (рис. ). Угол отсечки меньше , а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100 %.

С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой гармоники. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.

Режим класса D – это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100 %.

Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.

В общем случае коэффициент полезного действия усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.

В случае усиления гармонического сигнала:

,(12.28)

где Uм,кэ, Iм,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Ек и постоянной составляющей тока Iк,o, протекающего в коллекторной цепи:

Таким образом, КПД равен:

.(12.28)

Где — — коэффициент использования напряжения источника питания;

— отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Очевидно, что максимальный КПД (100%) получается при . При максимальном использовании линейного участка

,(12.28)

следовательно, , и, для идеального усилителя в режиме класса “А” имеем

.(12.28)

В реальных усилителях мощности линейный участок входной и выходной характеристики ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .

Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением для переменного тока. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Ек, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при такой идеализации

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Практической реализацией такого способа являются двухтактные схемы усилителей мощности, например, режим В, в котором транзисторы работают с углом отсечки  = 90 0 в противофазе.

Двухтактные схемы включения, работающие в режимах АВ и В позволяют получить высокий КПД при достаточно малых нелинейных искажениях. Последнее объясняется свойством двухтактных схем компенсировать четные гармоники.

Двухтактная схема, работающая в режиме В практически может обеспечить КПД до 75% при коэффициенте нелинейных искажений kГ = (6 ¸ 10)%. Экономичность этих режимов объясняется резким снижением тока покоя рабочей точки за счет уменьшения угла отсечки. В режиме АВ угол отсечки Q = (105 ¸ 110)° , в режиме В Q = (95 ¸ 100)° .

В режиме АВ (рис.5.5.) напряжение смещения образуется на резисторе Rт при прохождении по нему постоянной составляющей коллекторного тока VT1: .

Для обеспечения стабильности положения рабочей точки при изменении температурного режима транзисторов оконечного каскада в качестве Rт применяют терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, причем размещают его на радиаторах этих транзисторов.

Рис. 12.10 Рис. 12.11

Лучшие результаты дает использование в качестве элемента термокомпенсации полупроводниковых приборов (рис. 12. 10.). В основе лежит температурная зависимость прямой ветви ВАХ p-n-перехода, которая характеризуется отрицательным температурным коэффициентом (около ‑2,2 мВ/°С для кремниевых приборов) и позволяет в идеальном случае осуществить полную компенсацию температурного дрейфа тока покоя оконечных транзисторов.

Кроме того, малое динамическое сопротивление открытого p-n-перехода обеспечивает одинаковые условия возбуждения транзисторов. Нужную величину Uсм получают, используя последовательное соединение нескольких диодов .

Источник