WZMACNIACZ MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

TEMAT: Jak zmieniają się w funkcji wysterowania moce P₀ , P_z , P_c oraz sprawność we wzmacniaczach
klasy A i przeciwsobnych klasy B.

Wzmacniaczami mocy nazywane są układy wzmacniające, od których żąda się dostarczenia dużej mocy sygnału do obciążenia, przy jak najmniejszym poborze mocy ze źródła sygnału sterującego.

Ze względu na częstotliwość wzmacnianego sygnału wyróżnia się wzmacniacze mocy: prądu stałego, wzmacniacze pasmowe małej częstotliwości, wzmacniacze mocy wielkiej częstotliwości - budowane najczęściej jako rezonansowe. Buduje się je obecnie bądź z elementów dyskretnych (tranzystorów bipolarnych), bądź w wersji scalonej.

Biorąc pod uwagę przeznaczenie wzmacniacza mocy (przetwarzanie sygnałów o małej mocy w sygnały o dużej mocy), za główne parametry tego układu należy uznać: wartość mocy wyjściowej (P_wy), sprawność energetyczną (η), wzmocnienie mocy (K_P), współczynnik zniekształceń (h), rezystancję (w ogólności impedancję) wyjściową (R_wy).

Sprawnością energetyczną wzmacniacza nazywamy stosunek mocy oddawanej do obciążenia (mocy wyjściowej P_wy) do sumarycznej mocy (ΣP_z), jaką wzmacniacz pobiera ze źródeł zasilania

Sprawność wzmacniacza najczęściej wyraża się w procentach.

Współczynnik wzmocnienia mocy (lub po prostu wzmocnienie mocy) jest równy stosunkowi mocy oddawanej do obciążenia (mocy wyjściowej P_wy) do mocy wejściowej (P_we)

Zniekształcenia sygnału wyjściowego są charakteryzowane za pomocą współczynnika zniekształceń całkowitych (h), który jest równy stosunkowi wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej pełnego przebiegu tego sygnału

Szczególnie ważną cechą wzmacniacza mocy jest wysoki poziom mocy wyjściowej uzyskiwany przy możliwie małych zniekształceniach sygnału. Natomiast wartość wzmocnienia napięciowego jest sprawą drugorzędną. Istotnym parametrem jest również sprawność energetyczna wzmacniacza mocy. Wszystkie te parametry są ze sobą ściśle związane i zależą od warunków pracy elementu wzmacniającego, jakim jest tranzystor.

Moc wyjściowa jest uzależniona od mocy maksymalnej strat kolektora (P_cmax), która z kolei jest ograniczona dopuszczalną temperaturą złącza i zależy od temperatury otoczenia oraz sposobu odprowadzania ciepła.

O właściwym wykorzystaniu tranzystora decydują również: dopuszczalna wartość napięcia kolektora (U_cmax - jej przekroczenie grozi przebiciem tranzystora), maksymalna wartość prądu kolektora (I_cmax) oraz minimalne wartości prądu(I_cmin) i napięcia (U_cmin) kolektora, których przekroczenie powoduje zniekształcenia nielinearne. Wymienione wartości parametrów tranzystora (obszar zakreskowany na rys. 1).

Rys. 1. Ograniczenie pola charakterystyk wyjściowych tranzystora.

Tranzystor we wzmacniaczu mocy pracuje często w układzie ze wspólnym emiterem (WE). Ten typ pracy tranzystora zapewnia największe wzmocnienie mocy oraz małe zniekształcenia nielinearne, zwłaszcza jeśli stopień mocy jest sterowany źródłem napięciowym.

Mniejsze wzmocnienie mocy mają wzmacniacze z tranzystorami pracującymi w układzie ze wspólną bazą (WB). Minimum zniekształceń uzyskuje się przy sterowaniu prądowym wzmacniacza.

Układ ze wspólnym kolektorem (WK) ma najmniejsze zniekształcenia nielinearne, gdyż pracuje ze stuprocentowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Ponieważ wzmocnienie układu jest mniejsze od jedności, napięcie sterujące musi być duże.

Stopnie końcowe wzmacniaczy mocy mogą pracować z jednym elementem wzmacniającym lub dwoma. W układzie wzmacniacza mocy z pojedynczym tranzystorem (rys. 2a) obwód kolektora jest najczęściej sprzężony z obciążeniem za pomocą transformatora.

Rys. 2. Schemat układu wzmacniacza mocy klasy A o sprzężeniu transformatorowym (a) i charakterystyka
wzmacniacza klasy A (b)

Tranzystor w tego typu wzmacniaczu pracuje w klasie A, tzn. Punkt pracy A (rys. 2b) znajduje się na dynamicznej prostej obciążenia w środku między punktami odcięcia i nasycenia. W ten sposób tranzystor przewodzi w czasie całego okresu sygnału sterującego. Maksymalne wartości mocy wyjściowej pozwalają wybrać punkt pracy na krzywej mocy maksymalnej strat (U_CE = U_CE0 = E_C; I_C = I_C0 na rys. 2b).

Prosta obciążenia statycznego dla prądu stałego jest pionowa (przy pominięciu rezystancji uzwojenia pierwotnego transformatora), natomiast prosta obciążenia dynamicznego ma nachylenie zależne od rezystancji obciążenia. Moc pobierana z zasilacza przez taki wzmacniacz

P_z = E_CI_C0

a wartość maksymalna mocy wyjściowej użytecznej wystąpi przy maksymalnym wysterowaniu, tzn.

U_CEm = U_wym = E₀; I_cm = I_wym = I_C

Zatem maksymalna wartość sprawności

Jest to sprawność układu idealnego, w praktycznych rozwiązaniach sprawność ta nie przekracza wartości 30...40%. Wartość mocy strat w kolektorze (P_C), mocy wyjściowej (P_wy) i sprawności (η) zależą od amplitudy sygnału sterującego (U_wem - wejściowego), gdyż P_wy i η są proporcjonalne do kwadratu sygnału wejściowego. Przykładowe przebiegi charakterystyk P_wy, P_C, η w funkcji U_wem pokazano na rys. 3

Rys. 3. Charakterystyki energetyczne wzmacniacza mocy klasy A.

Ze względu na szereg wad wzmacniaczy mocy z pojedynczymi tranzystorami ( m.in. - pobierają stałą moc bez względu na poziom wysterowania, poprzez uzwojenie pierwotne transformatora płynie składowa stała prądu, która powoduje nasycenie rdzenia itp.), obecnie buduje się najczęściej wzmacniacze przeciwsobne z dwoma tranzystorami ( lub dwoma układami tranzystorów). Przykładowe schematy układów wzmacniaczy przeciwsobnych podano na rys. 4. Są to układy wzmacniaczy przeciwsobnych: transformatorowego (rys. 4a) i beztransformatorowego (rys. 4b). Ten ostatni zbudowany jest z wykorzystaniem pary tranzystorów komplementarnych (T1 n-p-n, T2 p-n-p) włączonych w układzie WK.

Rys. 4. Schematy układów wzmacniaczy przeciwsobnych: a) transformatorowego, b) beztransformatorowego

Tranzystory we wzmacniaczu przeciwsobnym mogą pracować w klasie A - wówczas zyskuje się dwukrotne zwiększenie mocy wyjściowej (w takich samych warunkach zasilania poszczególnych tranzystorów)
i zmniejszenie zniekształceń nielinearnych. Sprawność wzmacniacza pozostaje niezmieniona (η_max = 50%).

Znacznie lepiej wykorzystywane są pod względem energetycznym tranzystory pracujące w klasie B - prąd kolektora płynie przez pół okresu sygnału sterującego (odpowiada to wyborowi punktu pracy A (U_CE = E_C;
I_C0 = 0)) na prostej dynamicznego obciążenia (rys. 5). Rysunek ten odpowiada charakterystykom idealnym tranzystora.

Rys. 5. Graficzna analiza wzmacniacza klasy B.

We wzmacniaczu transformatorowym odwrócona w fazie para sygnałów sterujących powoduje, że tranzystory przewodzą na przemian, a sumowanie sygnałów w obciążeniu odbywa się poprzez transformator wyjściowy. Warunkiem właściwej pracy jest dobranie tranzystorów o takim samym przebiegu charakterystyk. We wzmacniaczu beztransformatorowym na bazy tranzystorów T1, T2 (rys. 4b) oddziałuje to samo napięcie sterujące (U_we). Jednakże, ze względu na przeciwstawność tych tranzystorów, prądy w ich obwodach są w przeciwfazie, a napięcie wyjściowe zależy od ich różnicy. W tym przypadku elementem sumującym sygnały jest kondensator C₂. Kondensator ten powinien mieć na tyle dużą pojemność, by składowa napięcia nie ulegała na nim zmianom

Napięcie na tym kondensatorze zawiera również składową zmienną i jest źródłem energii w półokresie przewodzenia tranzystora T2. Aby warunki pracy tranzystorów T1 i T2 były jednakowe, wzmacniacz beztransformatorowy należy zasilić napięciem dwukrotnie wyższym (2E_C) niż miało to miejsce w przypadku wzmacniacza transformatorowego i należy odpowiednio dobrać wartości rezystorów: R₁, R₂`, R₂``.

Istotną zaletą wzmacniaczy beztransformatorowych jest nieobecność transformatorów wejściowego
i wyjściowego, które zwiększały gabaryty wzmacniaczy i zniekształcenia sygnału wyjściowego. Dlatego obecnie buduje się przeważnie wzmacniacze mocy beztransformatorowe.

Ważną zaletą wzmacniaczy przeciwsobnych, pracujących w klasie B, jest ich duża sprawność energetyczna. Jej maksymalna wartość teoretycznie wynosi 78,5%. Ma to miejsce dla rezystancji obciążenia spełniającej warunek:

Wartość mocy wyjściowej (P_wy), mocy strat w kolektorze (P_C) i sprawności są funkcją napięcia wejściowego (U_we); przykładowe przebiegi tych zależności funkcjonalnych przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Charakterystyki energetyczne wzmacniaczy mocy klasy B (P_z - moc pobierana z zasilacza)

Wadą wzmacniaczy przeciwsobnych klasy B są zwiększone zniekształcenia nielinearne. Są to tzw. Zniekształcenia skrośne, które związane są z rzeczywistymi przebiegami charakterystyk przejściowych tranzystorów I_C = f(U_BE). Wykazują one znaczne nieliniowości przy małych wartościach prądów kolektorów obydwu tranzystorów, co w konsekwencji prowadzi do zniekształceń sygnału wyjściowego.

---