Усилителей мощности

Цель работы: исследование схемных решений транзисторных усилителей мощности (УМ) и основных схем оконечных каскадов УМ, выявление требований к элементам усилителей мощности и принципов их расчета.

Описание лабораторной установки

На стенде смонтированы два выходных каскада усилителей мощности (УМ) переменного тока: трансформаторный двухтактный УМ по схеме с ОЭ (рис. 10.1, а) и бестрансформаторный двухступенчатый УМ на комплементарных (p-n-p и n-p-n) транзисторах, включенных в первой ступени по схеме с ОЭ, а во вто- рой – по схеме с OК (рис. 10.2).

а) б)

Рис. 10.1. Двухтактный усилитель мощности с трансформаторной связью:

а – схема; б – диаграммы коллекторных токов и напряжений

Питание и нагрузка с измерительными приборами подключаются к усилителям тумблерами. Напряжение источника питания и ток нагрузки измеряются приборами, установленными на стенде. Источником переменного входного сигнала может быть использован звуковой генератор (ЗГ) или осциллограф с масштабированным усилением. Звуковой генератор можно применить и для исследования частотных характеристик.

Ток источника питания замеряется амперметром. Мощность, потребляемая усилителем, определяется по формуле

Р_ИП = U_ИП×I_ИП.

Типы и параметры элементов усилителей:

· напряжение питания U_ИП = 12 В;

· транзисторы VT1 и VT2 (см. рис. 10.1, а) типа КТ-817В (U_КПРЕД = 45 В; I_КПРЕД = 3 А; Р_КПРЕД = 1 Вт – без охладителя; Р_КПРЕД = 25 Вт – с охладителем; β = 25-40);

· трансформатор Т2: сердечник Ш16х24, сталь Э1412, W1 = 380 х 2, W2 = 130 витков;

· транзисторы на бестрансформаторной схеме (см. рис. 10.2, а): VT1 – КТ315В (U_КПРЕД = 20 В; I_КПРЕД = 100 мА; Р_КПРЕД = 150 мВт; β = 50-250), VT2 – КТ361В (данные, как у КТ315В), VT3 – КТ816В (данные, как у КТ817В), VT4 – КТ817В;

· конденсаторы С1 = 100 мкФ, С2 = 4000 мкФ.

а) б)

Рис. 10.2. Двухтактный усилитель мощности с конденсаторной связью:

а – схема; б – диаграммы коллекторных токов и напряжений

Задания по выполнению лабораторной работы

1. Подключить осциллограф к выходу усилителя по схеме рис. 10.1, а и, регулируя входное напряжение, определить предельные режимы усиления. Зарисовать форму кривых выходного напряжения при малых, больших и закритических (при появлении искажений и «срезов») амплитудах сигнала. Дать заключение о качестве настройки, подбора транзисторов и симметрирования усилителя.

2. Снять амплитудную характеристику U_ВЫХ = f(U_ВХ) усилителя, построить кривую потерь мощности источника питания P_ИП = f(U_ВЫХ) и КПД каскада η = f(U_ВЫХ). Графики построить на одних координатных осях в функции выходного напряжения.

3. Срисовать с экрана осциллографа формы напряжения и тока коллектора транзистора при большой и малой амплитудах сигнала. Кривые разместить совместно: с общей осью времени и координатой нуля. Дать заключение о режиме работы транзистора.

4. Произвести исследования по п.п. 1, 2 для бестрансформаторного усилителя.

5. Подключить к входу усилителя по схеме рис. 10.2, а звуковой генератор и снять частотную характеристику усилителя в пределах от 20 до 20000 Гц. Построить зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала К_U = f(f_{ВХ С}) с логарифмическим масштабом по оси частоты, выражая коэффициент усиления в абсолютных значениях и в децибелах.

Методические указания по выполнению лабораторной работы

К пункту 1.

Предельные режимы усиления – это режимы работы усилителя, при которых начинают появляться искажения в форме выходного сигнала. Для того, чтобы проконтролировать форму выходного сигнала, к нагрузке подключают осциллограф.

Амплитуда входного сигнала задаётся от звукового генератора, подключаемого к входным гнёздам.

К пункту 2.

Для снятия амплитудной характеристики U_ВЫХ = f(U_ВХ) необходимо произвести несколько измерений выходного напряжения, меняя при этом уровень входного. Входное напряжение регулируется за счёт изменения выходного напряжения звукового генератора, подключаемого к входным гнёздам. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 10.1). Одновременно с этим занести в табл. 10.1 значения тока I_К, измеренного миллиамперметром.

Таблица 10.1. Амплитудная характеристика усилителя

UВХ, В
UВЫХ, В
IК, мА

Кривая потерь мощности P_ИП = f(U_ВЫХ) (или мощность, потребляемая каскадом от источника питания) может быть построена с использованием данных из табл. 10.1 и выражения

P_ИП = 2I_КМ·E_К/π,

где I_КМ – амплитудное значение тока коллектора (I_КМ = I_К); E_К – устанавливается равным 12 В.

КПД каскада

,

где К_Т – коэффициент трансформации трансформатора Т2 (принимают К_Т = 1); Е_К – контролируют по вольтметру; U_КМ = U_ВЫХ/2.

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

· исследуемые схемы;

· таблицы с результатами измерений;

· графики, построенные по результатам измерений.

Задания для домашней подготовки

1. Изучить работу выходных каскадов усилителей мощности и способы обеспечения их экономичности.

2. Пользуясь научной литературой, выяснить причины возможных искажений усиливаемых сигналов, методы снижения искажений и принципы выбора транзисторов.

3. Для трансформаторной схемы УМ к параметрам нагрузки P_Hmax = 3 Bт, U_НЭmax = 3 В, I_НЭ = 1 А, U_ИП = 12 В определить коэффициент трансформации, потери мощности в транзисторах и КПД каскада: а) при максимальном усиливаемом сигнале; б) в режиме максимальных потерь; в) при U_НA = 0,1U_ИП.

4. Для бестрансформаторной схемы УМ с данными нагрузки по п. З определить оптимальное напряжение питания, расчетные напряжения, токи и мощности рассеяния (нагрева) транзисторов.

5. Ответить на вопрос, каким образом можно скомпенсировать различие коэффициентов усиления β1 и β2 транзисторов в двухтактных схемах УМ: а) по входным цепям; б) с помощью обратных связей. Привести схемные решения.

Краткие теоретические сведения

Усилители мощности являются выходными каскадами усилительных устройств, к которым подключается внешняя нагрузка (электромагниты, электродвигатели, реле, громкоговорители и т. д.). Усилители мощности могут быть выполнены как усилители переменного тока с трансформаторным или конденсаторным подключением входов и выходов и как усилители медленно меняющихся сигналов – с непосредственной связью. Схемные различия и потребительские свойства этих двух видов УМ аналогичны тем же качествам маломощных (входных и промежуточных) каскадов, поэтому здесь рассматриваются только УМ переменного тока с точки зрения особенностей режимов работы транзисторов в УМ и их расчета.

Для УМ одним из решающих факторов качества и надежности является КПД и нагрев транзисторов, поэтому их выходные каскады, как правило, выполняются по двухтактным схемам с работой транзистора в экономичных классах линейного усиления В или АВ.

При работе в идеальном классе В в режиме покоя токи коллекторов транзисторов близки к нулю, напряжения на коллекторах равны напряжению источника питания в трансформаторной схеме и 1/2U_ИП в схеме с конденсаторной связью. В режимах усиления малых амплитуд (U_НA = 0,2U_ИП) напряжение на транзисторах снижается незначительно, а средний ток коллекторов в рабочие полупериоды равен среднему току нагрузки (I_КСР = ), следовательно, потери мощности на нагрев транзисторов прямо пропорциональны току нагрузки. В классе А ток покоя равен половине максимального тока и потери на нагрев транзистора в режиме покоя равны максимальной мощности в нагрузке.

Мощность, выделяемая в нагрузке при синусоидальном выходном напряжении

P_Н = ,

где , I_НA – амплитудные значения напряжения и тока нагрузки, приведенные к первичной (коллекторной) обмотке трансформа-тора: = K_TU_НA; = I_Н/К_Т; = К_T²R_Н – приведенное сопротивление нагрузки; К_Т = w1/w2 – коэффициент трансформации; w1 – число витков одной первичной полуобмотки.

При больших амплитудах напряжения на нагрузке (близких к напряжению источника питания) мощность нагрева транзисторов определяется выражением

Р_НТ = sinωtdωt = .

В данном выражении в правой части первое слагаемое есть мощность, потребляемая каскадом от источника питания:

Р_ИП = ; а второе (вычитаемое) – мощность в нагрузке, соответствующая мощности, выделяемой в нагрузке при синусоидальном выходном напряжении.

В соответствии с выражением Р_ИП = мощность нагрева транзисторов P_НT зависит от величины входного сигнала и имеет экстремум (максимум) при U_НA = 2U_ИП/π = 0,64U_ИП.

Подставляя это значение в выражение для Р_НТ, получим максимальную мощность потерь на нагрев транзисторов

Р_НТmax = .

Эта мощность на 20 % меньше, чем в классе А, и разделяется на два транзистора.

Из диаграмм работы трансформаторного УМ (рис. 10.1, б) видно, что при передаче максимальной амплитуды напряжения U_НA = U_ИП на закрытом транзисторе формируется первичной обмоткой выходного трансформатора полуволна с той же амплитудой, согласная с напряжением питания, т.е. максимальное напряжение составляет U_Кmax = 2U_ИП. Согласно этой величине производится выбор транзисторов по напряжению.

Согласование напряжения питания с требуемым напряжением нагрузки U_НЭ (эффективная величина) производится выбором коэффициента трансформации по соотношению К_Т = .

Выбор транзисторов по току производится по величине

I_Кmax = ·I_НЭ/К_Т.

В бестрансформаторных усилителях мощности выходной конденсатор С2 связи с нагрузкой в режиме покоя заряжен до половины напряжения питания: U_К = U_ИП/2 и при условии X_С2 << R_H его емкость С2 >> 1/(2πfR_Н).

В процессе работы каскада приращение напряжения на нем незначительно, т.е. токи i_КЗ и i_К4 выходных транзисторов вызывают соответствующие (положительный и отрицательный) полупериоды напряжения на нагрузке и приращения коллекторных напряжений на транзисторах (см. рис. 10.2, б). При этом максимальное коллекторное напряжение на закрытом транзисторе достигает удвоенного напряжения покоя (при максимальной амплитуде передаваемого сигнала) и все энергетические показатели аналогичны соответствующим показателям трансформаторного каскада. Однако, поскольку здесь напряжение питания каскада приходится подбирать в соответствии с данными нагрузки, не всегда удается осуществить оптимальный выбор транзисторов и их рабочих режимов. При возможности для этих усилителей подбирается нагрузка, согласованная по параметрам с транзисторами и питанием.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие преимущества имеют двухтактные схемы усилителей на транзисторах, работающих в режиме класса В?

2. Какие параметры являются определяющими для оценки качества усилителей мощности?

3. Какие требования предъявляют к транзисторам двухтактные схемы усиления?

4. Какие преимущества и недостатки даст применение схемы включения транзисторов с ОК в двухтактном каскаде?

5. Дайте сравнительную оценку трансформаторных и бестрансформаторных усилителей мощности.

6. Каковы особенности построения схем бестрансформаторных УМ, выполняемых на транзисторах одинаковых структур, в сравнении со схемами на комплементарных транзисторах?

7. Какова зависимость потерь мощности на нагрев транзисторов от амплитуды передаваемого сигнала в режиме класса В в сравнении с режимом класса А?

8. Каковы принципы выбора величины напряжения питания для трансформаторных и бестрансформаторных схем УМ?

9. Какими способами можно снизить нелинейные искажения сигналов в двухтактных усилителях?

10. Что такое частотные искажения? Какие способы снижения частотных искажений применяются в усилительных схемах?

11. Какими методами можно скомпенсировать различие коэффициентов усиления транзисторов в двухтактных каскадах?

12. Почему магнитопровод выходного трансформатора УМ выполняется с небольшим воздушным зазором?

Дата добавления: 2015-11-30