Усилитель мощности класса В

Один из возможных вариантов бестрансформаторного УМ класса В представлен на рис. 3.1, а. Каскад состоит из двух усилителей на транзисторах VT1 и VT2 разного типа проводимости, работающих на общую нагрузку R_Н. По своим усилительным свойствам транзисторы VT1 и VT2 идентичны. Напряжения источников питания равны между собой, E₁= E₂ = Е. Режим класса В соответствует условию, когда начальное смещение отсутствует – ток коллектора равен нулю. Таким образом, каждый транзистор работает в активной области характеристик только в течение половины периода сигнала. Формы токов баз, коллекторов и нагрузки по отношению к е_Г представлены на рис. 3.1, б, а на рис. 3.1, в дан характер перемещения рабочих точек по семейству выходных характеристик транзисторов во время работы усилителя.

Из рис. 3.1, б следует, что при синусоидальном сигнале ток каждого плеча существенно отличается от синусоидальной формы, а ток нагрузки вновь близок к синусоидальному

I_Н = I_К1 – I_К2 = I_Кm sin wt. (3.1)

Важнейшим показателем работы УМ является его КПД (h). Будем рассматривать КПД коллекторной цепи (h = Р_Н/Р_ИСТ), где P_Н – мощность, отдаваемая в нагрузку, Р_ИСТ – мощность, потребляемая коллекторными цепями УМ от источников питания. Для синусоидального сигнала, если использовать амплитудные значения (I_{Н m}U_{Н m}) и пренебречь током I_К0, будет справедливо:

P_Н = I_{Н m}U_{Н m}/2 = U_{Н m}²/2R_Н, (3.2)

Р_ИСТ =2Е I_К1 = 2EI_{К m} / p, (3.3)

В таком случае КПД составит h =
= pU_{Н m} / 4E. Как видно, КПД усилителя класса “В” линейно растет с ростом амплитуды сигнала и достигает максимума, равного p/4, т.е. 78%, при мак-симальной малоискаженной амплитуде сигнала U_Нm=Е. Реально наличие напряжения насыщения транзистора (U_КЭН) не позволяет развивать предельную амплитуду в нагрузке (рис. 3.1, б). Это снижение максимально достижимого КПД каскада учитывается фактором x =(E– U_КЭН)/E. Обычно U_КЭН = 1В, и при E = 5–10 В фактор x = 0,8 – 0,9

Рис.3.1. Усилитель мощности класса В: а – схема УМ класса В;

б – осциллограммы токов транзисторов и нагрузки;

в – перемещение рабочих точек по семейству выходных характеристик транзисторов

Из анализа рис. 3.2, где представлены зависимости Р_ИСТ, P_Н, Р_Кå =Р_ИСТ –
– P_Н в функции амплитуды сигнала, следует, что максимальная мощность выделяется на коллекторах транзисторов при амплитуде сигнала U_Нm=
= (2/p)E составляет P_Н = 2E²/p²R_Н. Сопоставление максимальной мощности, выделяющейся на коллекторах, и максимальной мощности в нагрузке позволяет выявить условие выбора транзистора по мощности

Р_{Кå max} / Р_{Н max} = 4/p²x² .

Откуда, принимая x = 0,8, p² = 10 и Р_{К max} < Р_{К доп}, получаем

P_{К доп} ³ P_{Н max} / 3.

Если усиливается сигнал, медленно изменяющийся во времени (f < 5 –
– 10 Гц), то необходимо выбирать транзистор из условия, что рабочая точка не выходит за линию допустимой мощности, рассеиваемой транзистором (Р_{К доп} = U_КЭ I_К = const). В таком случае линия динамической нагрузки в предельном случае может лишь касаться гиперболы Р_{К доп}. Расчеты такого случая показывают, что Р_{К доп} ³ Р_{Н max}/2x².

Другими ограничениями на выбор транзисторов являются ограничения по напряжению U_{КЭ дoп} >2E и по току I_{К доп} > I_{К m} = Е /R_Н.