Ćwiczenie 8

Badanie wzmacniaczy mocy.

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi własnościami i regulacją wzmacniaczy mocy

pracujących w klasach 2B i C.

2. Wiadomości podstawowe

Wzmacniacze mocy są takimi wzmacniaczami, których głównym zadaniem jest dostarczenie mocy do

obciążenia. Stąd ich zasadniczymi parametrami są; maksymalna moc wyjściowa, minimalna rezystancja
obciążenia i sprawność. Dopiero po tych parametrach następują inne jak; współczynnik zniekształceń,
pasmo przenoszenia, rezystancja wyjściowa, wzmocnienie napięciowe i pozostałe parametry jak we
wszystkich wzmacniaczach. W zależności od położenia punktu pracy elementu wzmacniającego,
najczęściej tranzystora, wzmacniacze mocy dzielimy na klasy:

•

Klasa A - punkt pracy umieszczony pośrodku obszaru aktywnego

•

Klasa B - punkt pracy umieszczony na granicy obszaru aktywnego (punkt odcięcia) zwykle
wzmacniacze te pracują w układzie przeciwsobnym, co pozwala na wzmocnienie obydwu połówek
sinusoidy, wówczas mówimy o klasie2B

•

Klasa C - punkt pracy umieszczony poza obszarem aktywnym

•

Klasa D - tu element aktywny przełącza się między nasyceniem a odcięciem zatem jest to
w istocie układ impulsowy najczęściej pracujący z modulacja, szerokości impulsu z częstotliwością
impulsowania znacznie większą od maksymalnej częstotliwości sygnału, który zamierzamy
wzmacniać

Ponieważ sprawność wzmacniaczy klasy A wynosi maksymalnie teoretycznie 25% a w układzie

przeciwsobnym - klasa 2A maksymalnie 50% dalej nie będziemy się nimi zajmować. Również ich
zastosowanie w praktyce jest sporadyczne i odnosi się tylko do wzmacniaczy od których wymaga się
szczególnie małych zniekształceń.

Podobnie nie będą tu omawiane wzmacniacze klasy D mimo tego, że ich sprawność teoretycznie

wynosi 100%, ze względu na ich znaczny stopień skomplikowania układowego.

2.1. Wzmacniacze klasy 2B

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy klasy 2B o sprzężeniu bezpośrednim, spotyka się również

wzmacniacze tu nie omawiane (zwykle lampowe) o sprzężeniu transformatorowym, przedstawiono na
rys. 2.1. Układy te różnią się sposobem połączenia obciążenia i zasilania oraz dołączeniem masy.

C1

C1

C2

C2

C2

C1

T2

T2

T2

T1

T1

T1

Robc

Robc

Robc

+Uz

-Uz

2Uz

2Uz

Rys. 2.1. Układy wzmacniaczy klasy 2B.

W każdym z tych układów prąd obciążenia płynie przez pierwsze pół okresu przez tranzystor T1

a przez drugie pół okresu przez tranzystor T2. W układzie a) energia jest pobierana w pierwszym
półokresie (przewodzi tranzystor T1) z zasilacza +Uz a w drugim (przewodzi tranzystor T2)

z zasilacza -Uz. Zaletą tego układu jest możliwość pracy z zerową częstotliwością dolną o ile nie jest ona
ograniczona przez układ sterujący pracą tranzystorów wzmacniacza. W układzie b) energia jest pobierana
w pierwszym półokresie

z zasilacza +2Uz i z pojemności C1 oraz ładowana jest pojemność C2 a w drugim z zasilacza

i pojemności C2 oraz ładowana jest pojemność C1. W rezultacie energia jest pobierana z zasilacza
w każdym półokresie zaś maksymalny prąd zasilacza jest o połowę mniejszy niż, w układzie a) nadto
częstotliwość tętnień napięcia zasilacza jest dwukrotnie większa (wyklucza to możliwość wzbudzenia
wzmacniacza w wyniku niezerowej impedancji wyjściowej zasilacza). W układzie c) energia jest pobierana
z zasilacza wyłącznie w pierwszym półokresie zaś w drugim z pojemności C1. Tym niemniej z uwagi na
możliwość użycia tylko pojedynczego zasilacza oraz wspólną masę zasilacza i obciążenia jest on
najczęściej stosowany.

U;I

U

CE

Uz

I

C

t

U

sat

Rys. 2.2. Przebiegi napięcia i prądu jednego z tranzystorów.

Z przedstawionego na rys. 2.2. przebiegu napięcia na tranzystorze i schematu wzmacniacza można

odczytać największą możliwą wartość amplitudy napięcia na obciążeniu R

obc

stąd największa moc

wyjściowa wzmacniacza wyniesie:

(

)

( )

obc

sat

z

WY

R

U

U

P

2

2

max

2

−

=

(2.1)

W przypadku, gdy tranzystor jest wysterowany aż do nasycenia (napięcie U

sat

jest napięciem

nasycenia). Przy niepełnym wysforowaniu tranzystora jego minimalne napięcie jest większe a zatem moc
wyjściowa mniejsza.

Każdy z dwóch tranzystorów wzmacniacza mocy klasy 2B powinien być sterowany połówką sinusoidy.

Zwykle do tego celu wykorzystywane są diody (najczęściej diody emiterowe tranzystorów mocy). Jednak
diody mają nieliniowe charakterystyki stąd pojawiają się, przy przejściu przez zero napięcia wyjściowego
wzmacniacza, charakterystyczne zniekształcenia tzw. „skrośne". Przeciwdziałanie temu polega na
niewielkim przesunięciu punktu pracy tranzystorów w obszar aktywny - mówimy wówczas o klasie 2AB.
Przesunięcie to powoduje przepływ prądu przez tranzystory przy braku sygnału wejściowego tzw. prąd
spoczynkowy - I

0

co zwiększa straty mocy w tranzystorach a tym samym zmniejsza sprawność

wzmacniacza. Stąd maksymalny prąd tranzystora możemy obliczyć z wzoru:

0

max

I

R

U

U

I

obc

sat

z

+

−

=

(2.2)

a jego wartość średnią:

0

max

I

R

U

U

I

obc

sat

z

ŚR

+

⋅

−

=

π

(2.3)

stąd sprawność wzmacniacza wyniesie:

z

ŚR

WY

U

I

P

max

max

2

=

η

(2.3a)

W idealnym przypadku tj. gdy napięcie nasycenia i prąd spoczynkowy są równe zeru sprawność

wzmacniacza klasy 2B wynosi 78%.

Przy niepełnym wysforowaniu wzmacniacza w powyższych wzorach zamiast U

sat

należy podstawić

wartość minimalnego napięcia na tranzystorze tzn. napięcie zasilania minus amplituda napięcia
zmiennego.

2.2. Wzmacniacze klasy C

Jeżeli przyjrzeć się uważnie przebiegom prądu i napięcia na tranzystorze wzmacniacza w klasie 2B

- rys. 2.2. to można zauważyć, że duża sprawność energetyczna tego układu wynika stąd, iż prąd
tranzystora płynie akurat wtedy, gdy napięcie na nim jest małe. Wobec powyższego, dla zwiększenia
sprawności układu prąd płynący przez tranzystor powinien płynąć w krótszym czasie, gdy napięcie na
tranzystorze jest jeszcze mniejsze. Jednak w tym przypadku prowadziło by to do powstania zniekształceń
napięcia wyjściowego (zniekształcenia skrośne). Ich likwidacja podobnie jak dla wzmacniacza
pracującego w klasie 2B prowadziła by do zmniejszenia sprawności, stąd do zmniejszenia zniekształceń
we wzmacniaczach klasy C używa się filtru najczęściej w postaci obwodu rezonansowego LC. Typowy
schemat ideowy wzmacniacza w klasie C przedstawiono na rys. 2.3.

T

Uz

C1

Cr

R1

Robc

L1

L2

G

Rys. 2.3. Schemat ideowy typowego wzmacniacza klasy C.

W układzie tym filtr stanowi obwód rezonansowy L

1

C

r

obciążony rezystorem R

obc

dołączonym do niego

poprzez transformator L

1

L

2

umożliwiający swoją przekładnią zwiększenie dobroci tego obwodu. Ujemną

polaryzację bazy zapewnia tzw. automatyczny minus złożony z C

1

R

1

, źródła sygnału zmiennego G oraz

diody emiterowej tranzystora. Działanie tego układu polega na tym, że kondensator C

1

ładuje się ze

źródła G poprzez diodę emiterową z niewielką stałą czasową zaś jego rozładowanie możliwe jest poprzez
rezystor R

1

ze znacznie większą stałą (powinna być ona większa od okresu sygnału). W rezultacie na

kondensatorze C

1

pojawia się napięcie stałe przesuwające punkt pracy tranzystora w obszar odcięcia.

Wartość tego napięcia zależy od napięcia źródła sygnału i rezystancji R

1

zaś prąd kolektora i bazy ma

kształt jak na rys. 2.4. Przyjmując, że kształt tego prądu w czasie przewodzenia tranzystora (kąt 2

Θ) da

się opisać sinusoidą o amplitudzie I = I

m

/(1-cos

Θ). Zaś w pozostałym czasie przyjmując wartość równą

zeru. Tak opisaną funkcję można rozłożyć na szereg Fouriera, którego współczynniki podzielone przez I

m

wyniosą:

(

)

(

)

(

)

Θ

−

⋅

Θ

−













−

−

+

Θ

+













−

+

=

cos

1

1

sin

1

1

1

1

sin

1

1

1

π

n

n

n

n

n

n

A

n

(2.4)

I

m

2θ
2π

Rys. 2.4. Przebieg prądu kolektora.

Wartości tych współczynników podano na wykresie rys. 2.5.

ra d

t e t a / p i

A 1 / (2 * A 0 )- 0 ,5

A 0

A 1

A 2

A 3

A 4

A 5

m ia n o w n ik

0

0

0 ,5

0

0

0

0

0

0

0

0 ,0 7 8 5 4

0 ,0 2 5

0 ,4 9 9 3 8 3 3 5 8

0 ,0 1 6 6 6 5

0 ,0 3 3 3 0 9

0 ,0 3 3 2 4 8

0 ,0 3 3 1 4 5

0 ,0 3 3 0 0 2

0 ,0 3 2 8 1 9

0 ,0 0 9 6 8 4 4 8 2

0 ,1 5 7 0 8

0 ,0 5

0 ,4 9 7 5 3 5 9 3 2

0 ,0 3 3 3 2

0 ,0 6 6 4 7 5

0 ,0 6 5 9 8 4

0 ,0 6 5 1 7 2

0 ,0 6 4 0 4 6

0 ,0 6 2 6 2

0 ,0 3 8 6 7 8 2 1 9

0 ,2 3 5 6 1 9

0 ,0 7 5

0 ,4 9 4 4 6 5 2 1 1

0 ,0 4 9 9 5 4

0 ,0 9 9 3 5 4

0 ,0 9 7 7 0 9

0 ,0 9 5 0 0 9

0 ,0 9 1 3 1 9

0 ,0 8 6 7 2 5

0 ,0 8 6 8 0 2 4 5 5

0 ,3 1 4 1 5 9

0 ,1

0 ,4 9 0 1 8 3 6 5 5

0 ,0 6 6 5 5 7

0 ,1 3 1 8 0 7

0 ,1 2 7 9 4 1

0 ,1 2 1 6 7 9

0 ,1 1 3 2 8 1

0 ,1 0 3 0 8 9

0 ,1 5 3 7 6 0 4 8 9

0 ,3 9 2 6 9 9

0 ,1 2 5

0 ,4 8 4 7 0 8 6 5 7

0 ,0 8 3 1 1 8

0 ,1 6 3 6 9 4

0 ,1 5 6 2 3 4

0 ,1 4 4 3 4 2

0 ,1 2 8 7 7 8

0 ,1 1 0 5 2

0 ,2 3 9 1 3 9 5 0 1

0 ,4 7 1 2 3 9

0 ,1 5

0 ,4 7 8 0 6 2 4 9

0 ,0 9 9 6 2 7

0 ,1 9 4 8 8 3

0 ,1 8 2 1 7 9

0 ,1 6 2 3 2 3

0 ,1 3 7 1 2 1

0 ,1 0 8 7 9 3

0 ,3 4 2 4 1 3 1 0 3

0 ,5 4 9 7 7 9

0 ,1 7 5

0 ,4 7 0 2 7 2 2 4 9

0 ,1 1 6 0 7 3

0 ,2 2 5 2 4 4

0 ,2 0 5 4 1 6

0 ,1 7 5 1 4 6

0 ,1 3 8 1 2 1

0 ,0 9 8 6 4 1

0 ,4 6 2 9 4 4 5 7 7

0 ,6 2 8 3 1 9

0 ,2

0 ,4 6 1 3 6 9 7 6 9

0 ,1 3 2 4 4 4

0 ,2 5 4 6 5 4

0 ,2 2 5 6 4 2

0 ,1 8 2 5 4 8

0 ,1 3 2 0 9 3

0 ,0 8 1 6 3 8

0 ,5 9 9 9 9 0 8 0 7

0 ,7 0 6 8 5 8

0 ,2 2 5

0 ,4 5 1 3 9 1 5 4

0 ,1 4 8 7 2 8

0 ,2 8 2 9 9 8

0 ,2 4 2 6 1 4

0 ,1 8 4 4 8 5

0 ,1 1 9 8 1 8

0 ,0 5 9 9 8 5

0 ,7 5 2 7 0 6 8 5 8

0 ,7 8 5 3 9 8

0 ,2 5

0 ,4 4 0 3 7 8 6 0 9

0 ,1 6 4 9 1 5

0 ,3 1 0 1 6 4

0 ,2 5 6 1 5 6

0 ,1 8 1 1 3

0 ,1 0 2 4 6 2

0 ,0 3 6 2 2 6

0 ,9 2 0 1 5 1 1 8 5

0 ,8 6 3 9 3 8

0 ,2 7 5

0 ,4 2 8 3 7 6 4 7 1

0 ,1 8 0 9 9

0 ,3 3 6 0 5 4

0 ,2 6 6 1 6

0 ,1 7 2 8 5 7

0 ,0 8 1 4 8 2

0 ,0 1 2 9 3 9

1 ,1 0 1 2 9 1 4 3 6

0 ,9 4 2 4 7 8

0 ,3

0 ,4 1 5 4 3 4 9 5 3

0 ,1 9 6 9 4 2

0 ,3 6 0 5 7 6

0 ,2 7 2 5 8 9

0 ,1 6 0 2 2 4

0 ,0 5 8 4 9 5

- 0 ,0 0 7 5 6

1 ,2 9 5 0 1 0 8 2 3

1 ,0 2 1 0 1 8

0 ,3 2 5

0 ,4 0 1 6 0 8 0 9 8

0 ,2 1 2 7 5 7

0 ,3 8 3 6 4 7

0 ,2 7 5 4 7 5

0 ,1 4 3 9 3 5

0 ,0 3 5 1 5 2

- 0 ,0 2 3 4 9

1 ,5 0 0 1 1 5 0 0 1

1 ,0 9 9 5 5 7

0 ,3 5

0 ,3 8 6 9 5 4 0 3 6

0 ,2 2 8 4 2

0 ,4 0 5 1 9 6

0 ,2 7 4 9 1 7

0 ,1 2 4 8 1

0 ,0 1 3 0 1 1

- 0 ,0 3 3 7 3

1 ,7 1 5 3 3 9 4 3 5

1 ,1 7 8 0 9 7

0 ,3 7 5

0 ,3 7 1 5 3 4 8 6 1

0 ,2 4 3 9 1 7

0 ,4 2 5 1 6 3

0 ,2 7 1 0 8

0 ,1 0 3 7 3 8

- 0 ,0 0 6 5 8

- 0 ,0 3 7 9 4

1 ,9 3 9 3 5 7 1 9 4

1 ,2 5 6 6 3 7

0 ,4

0 ,3 5 5 4 1 6 5 0 9

0 ,2 5 9 2 3 1

0 ,4 4 3 5

0 ,2 6 4 1 8 6

0 ,0 8 1 6 3 8

- 0 ,0 2 2 5 6

- 0 ,0 3 6 5 1

2 ,1 7 0 7 8 7 1 3 4

1 ,3 3 5 1 7 7

0 ,4 2 5

0 ,3 3 8 6 6 8 6 3 7

0 ,2 7 4 3 4 5

0 ,4 6 0 1 7

0 ,2 5 4 5 1 3

0 ,0 5 9 4 1 5

- 0 ,0 3 4 2 6

- 0 ,0 3 0 4 7

2 ,4 0 8 2 0 2 4 1 3

1 ,4 1 3 7 1 7

0 ,4 5

0 ,3 2 1 3 6 4 5 2

0 ,2 8 9 2 4 3

0 ,4 7 5 1 4 8

0 ,2 4 2 3 8 2

0 ,0 3 7 9 1 7

- 0 ,0 4 1 3 6

- 0 ,0 2 1 2 7

2 ,6 5 0 1 3 9 2 8 7

1 ,4 9 2 2 5 7

0 ,4 7 5

0 ,3 0 3 5 8 0 9 4 9

0 ,3 0 3 9 0 5

0 ,4 8 8 4 2 4

0 ,2 2 8 1 5 1

0 ,0 1 7 9

- 0 ,0 4 3 9 4

- 0 ,0 1 0 5 6

2 ,8 9 5 1 0 6 1 3 5

1 ,5 7 0 7 9 6

0 ,5

0 ,2 8 5 3 9 8 1 6 3

0 ,3 1 8 3 1

0 ,5

0 ,2 1 2 2 0 7

- 8 ,1 E - 1 7

- 0 ,0 4 2 4 4

5 ,8 2 E - 1 7

3 ,1 4 1 5 9 2 6 5 4

1 ,6 4 9 3 3 6

0 ,5 2 5

0 ,2 6 6 8 9 9 7 9 2

0 ,3 3 2 4 3 7

0 ,5 0 9 8 9 2

0 ,1 9 4 9 5 4

- 0 ,0 1 5 3

- 0 ,0 3 7 5 5

0 ,0 0 9 0 2 7

3 ,3 8 8 0 7 9 1 7 2

1 ,7 2 7 8 7 6

0 ,5 5

0 ,2 4 8 1 7 2 8 4 3

0 ,3 4 6 2 6 3

0 ,5 1 8 1 2 8

0 ,1 7 6 8 0 6

- 0 ,0 2 7 6 6

- 0 ,0 3 0 1 7

0 ,0 1 5 5 1 2

3 ,6 3 3 0 4 6 0 2

1 ,8 0 6 4 1 6

0 ,5 7 5

0 ,2 2 9 3 0 7 7 2 3

0 ,3 5 9 7 6 1

0 ,5 2 4 7 5 4

0 ,1 5 8 1 7 3

- 0 ,0 3 6 9 2

- 0 ,0 2 1 2 9

0 ,0 1 8 9 3 5

3 ,8 7 4 9 8 2 8 9 4

1 ,8 8 4 9 5 6

0 ,6

0 ,2 1 0 3 9 8 3 1 5

0 ,3 7 2 9 0 6

0 ,5 2 9 8 2 4

0 ,1 3 9 4 5 5

- 0 ,0 4 3 0 9

- 0 ,0 1 1 9 1

0 ,0 1 9 2 7 2

4 ,1 1 2 3 9 8 1 7 3

1 ,9 6 3 4 9 5

0 ,6 2 5

0 ,1 9 1 5 4 2 1 2 1

0 ,3 8 5 6 6 8

0 ,5 3 3 4 1 2

0 ,1 2 1 0 2 7

- 0 ,0 4 6 3 2

- 0 ,0 0 2 9 4

0 ,0 1 6 9 3 7

4 ,3 4 3 8 2 8 1 1 3

2 ,0 4 2 0 3 5

0 ,6 5

0 ,1 7 2 8 4 0 4 9

0 ,3 9 8 0 1 5

0 ,5 3 5 6 0 1

0 ,1 0 3 2 3 8

- 0 ,0 4 6 8 7

0 ,0 0 4 8 8 6

0 ,0 1 2 6 6 5

4 ,5 6 7 8 4 5 8 7 2

2 ,1 2 0 5 7 5

0 ,6 7 5

0 ,1 5 4 3 9 8 9 3 9

0 ,4 0 9 9 1 2

0 ,5 3 6 4 9 2

0 ,0 8 6 3 9 7

- 0 ,0 4 5 1 4

0 ,0 1 1 0 2 5

0 ,0 0 7 3 6 7

4 ,7 8 3 0 7 0 3 0 6

2 ,1 9 9 1 1 5

0 ,7

0 ,1 3 6 3 2 7 6 1 3

0 ,4 2 1 3 2 1

0 ,5 3 6 1 9 7

0 ,0 7 0 7 6 9

- 0 ,0 4 1 6

0 ,0 1 5 1 8 6

0 ,0 0 1 9 6 4

4 ,9 8 8 1 7 4 4 8 4

2 ,2 7 7 6 5 5

0 ,7 2 5

0 ,1 1 8 7 4 1 8 9 9

0 ,4 3 2 2 0 2

0 ,5 3 4 8 4 3

0 ,0 5 6 5 6 6

- 0 ,0 3 6 7 4

0 ,0 1 7 3 1 7

- 0 ,0 0 2 7 5

5 ,1 8 1 8 9 3 8 7 1

2 ,3 5 6 1 9 4

0 ,7 5

0 ,1 0 1 7 6 3 2 4 7

0 ,4 4 2 5 0 8

0 ,5 3 2 5 7 1

0 ,0 4 3 9 4 9

- 0 ,0 3 1 0 8

0 ,0 1 7 5 8

- 0 ,0 0 6 2 2

5 ,3 6 3 0 3 4 1 2 3

2 ,4 3 4 7 3 4

0 ,7 7 5

0 ,0 8 5 5 2 0 2 3 9

0 ,4 5 2 1 9 1

0 ,5 2 9 5 3 4

0 ,0 3 3 0 2

- 0 ,0 2 5 1 1

0 ,0 1 6 3 0 7

- 0 ,0 0 8 1 6

5 ,5 3 0 4 7 8 4 4 9

2 ,5 1 3 2 7 4

0 ,8

0 ,0 7 0 1 4 9 9 9 8

0 ,4 6 1 1 9 6

0 ,5 2 5 9 0 2

0 ,0 2 3 8 2 2

- 0 ,0 1 9 2 7

0 ,0 1 3 9 4 5

- 0 ,0 0 8 6 2

5 ,6 8 3 1 9 4 5

2 ,5 9 1 8 1 4

0 ,8 2 5

0 ,0 5 5 8 0 0 0 0 1

0 ,4 6 9 4 6 2

0 ,5 2 1 8 5 4

0 ,0 1 6 3 3 9

- 0 ,0 1 3 9 3

0 ,0 1 0 9 8 6

- 0 ,0 0 7 8 5

5 ,8 2 0 2 4 0 7 3

2 ,6 7 0 3 5 4

0 ,8 5

0 ,0 4 2 6 3 0 4 5 2

0 ,4 7 6 9 2 3

0 ,5 1 7 5 8 6

0 ,0 1 0 5

- 0 ,0 0 9 3 6

0 ,0 0 7 9 0 3

- 0 ,0 0 6 2 7

5 ,9 4 0 7 7 2 2 0 4

2 ,7 4 8 8 9 4

0 ,8 7 5

0 ,0 3 0 8 1 7 3 6 6

0 ,4 8 3 5 0 6

0 ,5 1 3 3 0 6

0 ,0 0 6 1 8 2

- 0 ,0 0 5 7 1

0 ,0 0 5 0 9 5

- 0 ,0 0 4 3 7

6 ,0 4 4 0 4 5 8 0 6

2 ,8 2 7 4 3 3

0 ,9

0 ,0 2 0 5 5 6 5 9 8

0 ,4 8 9 1 2 7

0 ,5 0 9 2 3 6

0 ,0 0 3 2 0 9

- 0 ,0 0 3 0 5

0 ,0 0 2 8 4 2

- 0 ,0 0 2 5 9

6 ,1 2 9 4 2 4 8 1 8

2 ,9 0 5 9 7 3

0 ,9 2 5

0 ,0 1 2 0 6 9 1 5 8

0 ,4 9 3 6 9 5

0 ,5 0 5 6 1 2

0 ,0 0 1 3 6 9

- 0 ,0 0 1 3 3

0 ,0 0 1 2 7 9

- 0 ,0 0 1 2 1

6 ,1 9 6 3 8 2 8 5 2

2 ,9 8 4 5 1 3

0 ,9 5

0 ,0 0 5 6 0 8 2 5 7

0 ,4 9 7 1 0 9

0 ,5 0 2 6 8 5

0 ,0 0 0 4 0 9

- 0 ,0 0 0 4

0 ,0 0 0 3 9 7

- 0 ,0 0 0 3 9

6 ,2 4 4 5 0 7 0 8 8

3 ,0 6 3 0 5 3

0 ,9 7 5

0 ,0 0 1 4 6 8 7 5 8

0 ,4 9 9 2 5 4

0 ,5 0 0 7 2

5 ,1 3 E - 0 5

- 5 ,1 E - 0 5

5 ,0 9 E - 0 5

- 5 ,1 E - 0 5

6 ,2 7 3 5 0 0 8 2 5

-0 ,1

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 ,7

0 ,8

0 ,9

1

A 1 / (2 * A 0 )- 0 ,5

A 0

A 1

A 2

A 3

A 4

A 5

Θ / π

Rys. 2.5. Wykres wartości współczynników szeregu Fourier’a.

Ponadto na wykresie umieszczono linię A

1

/2A

0

-0,5 w celu umożliwienia łatwego określenia sprawności

wzmacniacza.

W oparciu o współczynniki szeregu Fourier’a można łatwo napisać wzory do obliczenia mocy pobranej

ze źródła:

m

z

z

I

A

U

P

0

=

(2.1)

Maksymalnej mocy wyjściowej:

(

)

obc

sat

z

z

m

z

sat

z

z

m

R

U

U

U

I

A

U

U

U

U

I

A

P

'

2

2

1

2

1

2

1

1

1

−

=

=













−

=

ξ

(2.5)

Gdzie:

ξ - współczynnik wykorzystania napięcia;

I -rezystancja obciążenia przeliczona na stronę pierwotną transformatora

Sprawność:

Θ

Θ

−

Θ

Θ

−

Θ

⋅

=

=

cos

sin

2

sin

2

1

2

2

0

1

ξ

ξ

η

A

A

(2.3a)

Uwaga: We wszystkich wzorach wartość kąta przewodzenia

Θ powinna być wyrażona w radianach.

Z zamieszczonego wykresu wynika, że jednoczesne osiągnięcie maksymalnej mocy wyjściowej

(współczynnik A

1

) i maksymalnej sprawności nie jest możliwe. Rozwiązanie kompromisowe osiąga się

przez budowę funkcji celu np. o postaci:

( )

l

k

P

f

1

⋅

=

Θ

η

Gdzie wykładniki potęgowe k i l oddają hierarchię ważności tj. czy bardziej zależy nam na sprawności

czy też na mocy wyjściowej (najczęściej jednakowo stąd k = l = 1). Po znalezieniu maksimum tej funkcji
możemy określić optymalną dla nas wartość kąta przewodzenia. W większości wzmacniaczy przyjmuje
się wartość

Θ w granicach od 60° do 90° co daje sprawność od 70% do 80%. Niekiedy z uwagi na

konieczność uniknięcia na wyjściu wzmacniacza nie pożądanej harmonicznej kąt przewodzenia

Θ

przyjmuje się tak, aby współczynnik dotyczący tej harmonicznej miał wartość zerową - patrz rys. 2.5.
Istnieje możliwość wykorzystania wzmacniacza mocy klasy C jako powielacza częstotliwości. W tym celu
należy dostroić obwód rezonansowy do pożądanej harmonicznej zaś kąt przewodzenia ustawić na
wartość, przy której współczynnik rozkładu na szereg Fourier'a dotyczący naszej harmonicznej ma
maksimum (patrz rys. 2.5).

2.3. Współpraca wzmacniacza mocy z zasilaczem

Zwykle wzmacniacz mocy stanowi główne obciążenie zasilacza. Dotyczy to zwłaszcza przypadku

maksymalnej mocy oddawanej do obciążenia wzmacniacza. Stąd, jeśli uwzględnimy kształt prądu
pobieranego przez wzmacniacz, może wystąpić przeciążenie zasilacza. Ponieważ zasilacz jest zwykle
wyposażony w układy zabezpieczające go przed przeciążeniem i jednocześnie w pojemności blokujące,
to przy większych częstotliwościach sygnału zabezpieczenie zasilacza reaguje na wartość średnią prądu
pobieranego przez wzmacniacz jednak przy niewielkich częstotliwościach sygnału, gdy pojemności
blokujące nie są w stanie skutecznie uśrednić prądu wówczas należy się liczyć z możliwością reakcji
układu zabezpieczenia zasilacza na wartość chwilową prądu. Tym samym zabezpieczenie zasilacza
może skutecznie ograniczyć moc wyjściową wzmacniacza.

Podobnie przy braku zabezpieczenia w zasilaczu ograniczenie mocy wzmacniacza może wystąpić

z uwagi na spadek napięcia na impedancji wyjściowej zasilacza.

3. Badanie wzmacniacza klasy 2B

3.1. Regulacja wzmacniaczy klasy 2B.

Połączyć układ jak na rys. 3.1. lub po uzgodnieniu z prowadzącym jak na rys. 2.1.b) albo rys. 2.1.c).

Jako R

obc

zastosować miernik uniwersalny z zestawu laboratoryjnego. Ustalić z prowadzącym napięcia

zasilające wzmacniacz Uz w zakresie od 10V do 15V. Za pomocą woltomierza ustawić napięcia +Uz i -Uz.
Sygnał wyjściowy generatora sterującego zmniejszyć do zera. Przy pomocy potencjometru „prąd
spoczynkowy" nastawić minimalną wartość prądu pobieranego z zasilacza. Potencjometrem
„symetryzacja" wyrównać napięcia na obu tranzystorach. Aby tego dokonać, należy przełączyć miernik
R

obc

na pracę: woltomierz prądu stałego o zakresie 10V i obserwując jego wskazania ustawić na wyjściu

wzmacniacza napięcie 0V(dla pozostałych układów napięcie na tranzystorze powinno wynosić połowę
napięcia zasilania - tu Uz). Regulację tą można przeprowadzić wprowadzając sygnał z generatora o takiej
wartości, aby wystąpiły niewielkie zniekształcenia amplitudowe a następnie tak regulować
potencjometrem „symetryzacja" aby zniekształcenie górnej połówki i dolnej były jednakowe. Przełączyć
miernik na pracę: watomierz o zakresie 15W, 15Q.

+15V

0

Robc

Ulkad

GEN

sterujacy

Oscyloskop Y1

-15V

Rys. 3.1. Układ do badania wzmacniacza w klasie 2 B.

Doprowadzić do wejścia wzmacniacza sygnał sterujący (sin.-3kHz). Obserwując przebieg napięcia na

oscyloskopie nastawić (przy pomocy potencjometru „prąd spoczynkowy") minimalną wartość prądu
pobieranego z zasilacza, zapewniającą niezniekształcony sygnał na wyjściu wzmacniacza. W trakcie
regulacji zniekształceń skrośnych napięcie generatora ustawić tak, aby w przebiegu wyjściowym nie
występowały zniekształcenia powodowane nasyceniem tranzystorów wzmacniacza (obcięcie
wierzchołków sinusoidy).

3.2. Wyznaczanie maksymalnej mocy wyjściowej P

WY

Obliczyć maksymalną moc wyjściową P

WYmax

z zależności (2.1) dla R

obc

= 15, 8, 6 i 4

Ω. Usat - spadek

napięcia na nasyconym tranzystorze - przyjąć 1V. Dla obliczonej mocy obliczyć prądy szczytowy i średni
pobierany z zasilacza z zależności (2.2) i (2.3) gdzie I

0

- prąd pobierany z zasilacza przy mocy wyjściowej

równej zeru. Obliczone wartości prądów porównać z maksymalnym prądem zasilacza. Nastawić
R

obc

=15

Ω. Zwiększać stopniowo napięcie generatora aż do wystąpienia zniekształceń amplitudowych.

Odczytać wartość mocy wyjściowej i prądu zasilacza. Powtórzyć pomiary dla pozostałych wartości R

obc

.

Powtórzyć pomiary przy częstotliwości sygnału sterującego f=100Hz.
Uwaga: W razie wystąpienia zniekształceń skrośnych lub nie symetrii powtórzyć regulację w/g punktu 3.1.

3.3. Pomiar charakterystyk wzmacniacza.

W układzie jak w punkcie 3.1, dla rezystancji obciążenia 8

Ω zdjąć charakterystykę prądu pobieranego

z zasilacza w funkcji mocy wyjściowej. Na podstawie pomiaru obliczyć:

•

moc pobieraną z zasilaczy P

zas

=2U

zas

I

ŚR

•

moc strat w tranzystorach

∆P=P

zas

-P

WY

•

sprawność

zas

WY

P

P

=

η

Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić w tabeli oraz przedstawić na wykresie.

P

WY

[W]

I

ŚR

[A]

P

zas

[W]

∆P [W]

η [-]

3.4. Badanie pasma przenoszenia wzmacniacza.

W układzie jak w punkcie 3.1, dla rezystancji obciążenia 80 wyznaczyć górną i dolną częstotliwość

przenoszenia wzmacniacza. Wartość napięcia sterującego ustawić tak, aby dla częstotliwości f

ŚR

moc

wyjściowa była równa połowie mocy maksymalnej. Następnie zmieniając częstotliwość generatora w górę
lub w dół zmniejszyć moc wyjściową o 3dB (o połowę). Odczytać częstotliwość górną i dolną.

4. Badanie wzmacniacza klasy C
4.1. Regulacja wzmacniacza klasy C.

Za pomocą woltomierza ustawić napięcie zasilacza +15V lub inną uzgodnioną z prowadzącym,

a następnie zasilacza ±15V na 0V. Połączyć układ wg rys.4.1. Miernik R

obc

ustawić na pomiar napięcia

zmiennego (zakres 10V). Zwiększając amplitudę sygnału z generatora nastawić wartość szczytową prądu
emitera na 1A (poprzez pomiar spadku napięcia na oporniku 0,1

Ω). Ustawić wstępnie częstotliwość

generatora na 13,5kHz. Zmieniając częstotliwość generatora ustawić prąd pobierany z zasilacza na
minimum (maksymalne napięcie wyjściowe). Sprawdzić zgodność częstotliwości prądu emitera i napięcia
wyjściowego.

+-15V

Robc

+15V

Oscyloskop Y1

0.1

Oscyloskop Y2

GND

Rys.4.1. Układ do badania wzmacniacza w klasie C.

4.2. Wyznaczanie strat mocy w obwodzie rezonansowym.

Po zestrojeniu układu w/g punktu 4.1. ustawić za przy pomocy generatora maksymalną wartość

amplitudy prądu emitera. Odczytać na oscyloskopie kąt przewodzenia

Θ (rys.3) oraz wartość amplitudy

prądu I

m

. Obliczyć sprawność w/g zależności (2.6). Przyjąć U

sat

=1V

W oparciu o pomiar średniej wartości prądu zasilacza l

ŚR

obliczyć straty mocy w obwodzie

rezonansowym z zależności:

η

ŚR

zas

str

I

U

P

=

Wartość

η

obliczyć w/g wzoru (2.6) można się posłużyć

wykresem rys. 2.5.

4.3. Wyznaczanie maksymalnej mocy wyjściowej.

Przełączyć miernik R

obc

na pomiar mocy. Zmieniając amplitudę sygnału wyjściowego generatora

wyznaczyć maksymalną moc wyjściową wzmacniacza dla R

obc

= 4, 6, 8 i 15

Ω. Obliczyć wartość

szczytową napięcia odpowiadającą uzyskanej mocy wyjściowej dla wszystkich wartości R

obc

.

4.4. Badanie sprawności wzmacniacza klasy C.

Obciążyć wzmacniacz rezystancją R

obc

= 4

Ω Zmienić wartość kąta przewodzenia poprzez zmianę

napięcia zasilacza +15V i amplitudy sygnału wejściowego oraz doprowadzić moc wyjściową do wartości
maksymalnej odpowiadającej założonemu kątowi przewodzenia. Na podstawie pomierzonej mocy
wyjściowej i prądu pobieranego z zasilacza obliczyć sprawność wzmacniacza z zależności:

ŚR

zas

str

WY

I

U

P

P

+

=

η

gdzie: P

str

- straty mocy w obwodzie rezonansowym.

Uzyskane wyniki porównać z wynikami obliczonymi w oparciu o pomierzony kąt przepływu.

4.5. Badanie powielacza częstotliwości.

Przełączyć miernik R

obc

na pomiar napięć zmiennych. Nastawiać częstotliwość generatora na wartości

f

rez

/n, gdzie n - krotność powielania. Najlepiej przyjąć wartość n od 2 do 5. Zmieniając amplitudę sygnału

wyjściowego generatora i napięcie zasilacza ±15\/ tak, aby wartość maksymalna prądu emitera I

m

, była

stała, pomierzyć wartość kąta przewodzenia odpowiadającą maksymalnej amplitudzie napięcia
wyjściowego. Otrzymany wynik porównać z wynikiem obliczonym z zależności:

0

=

Θ

d

dA

n

lub z wynikiem odczytanym z wykresu.

5. Sprawozdanie.
W sprawozdaniu należy zamieścić:

•

zestawienia wyników pomiarów i obliczeń dla każdego z punktów ćwiczenia,

•

wykresy mocy pobieranej z zasilacza, strat mocy w tranzystorach oraz sprawności wzmacniacza
klasy 2B

•

wnioski wynikające z wykonanego ćwiczenia.

6. Literatura.
J. Jaczewski - Podstawy elektroniki i energoelektroniki.
J. Pawłowski - Wzmacniacze i generatory.
Notatki z wykładów.

2k2

5k6

15

1k2

1k

3k3

330

2k7

2k7

6k8

1k

3k3

330

1k

82

82

10k

47k

5k6

24k

560

560

5k6

33k

2N6030

BD140

BC177

BC107

BC107

BC107

2N3630

BD139

BC107

BC107

22k

22k

82k

BC177

560p

560p

22n

470n

T

10k

100u

220u

"GND"

-15V

+15V

"GND"

Wy

We

Wy=

220u

220u

330n

Rys. 3.2. Schemat wzmacniacza klasy 2B z układem sterującym.