ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ№ 15
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
Цель занятия: 1.Практическое ознакомление со схемами однотактного и двухтактного усилителей мощности. 2. Снять зависимость выходной мощности на нагрузке усилителей от входного напряжения. 3. Исследовать форму осциллограмм усилителя при его разбалансировке.
Перечень приборов.
1. Лабораторный стенд.
2. Сменный блок №4.
3. Соединительные провода.
4. Электронный осциллограф.
Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 548 –551$ 3) (2) стр. 150 –155/
Контрольные вопросы.
1. Какие особенности имеет усилитель мощности?
2. В каком классе усиления работает однотактный усилитель мощности и в чем особенность этого класса?
3. Зависят ли нелинейные искажения от режима работы?
4. Как вычисляется КПД усилителя?
5. Как вычисляется коэффициент усиления усилителя по напряжению?
Краткие теоретические сведения.
Трансформаторные усилительные каскады
Отличие трансформаторного усилителя (рис. 1) от усилителя на резисторах в том, что в коллекторную цепь транзистора вместо резистора включена первичная обмотка трансформатора Т. Коллекторный ток ΙК, состоящий из постоянной и переменной составляющей, протекает по первичной обмотке I и создает два магнитных потока в сердечнике трансформатора: постоянный и переменный. Во вторичной обмотке трансформатора Т наводится ЭДС только переменным магнитным потоком; постоянный магнитный поток, хотя и охватывает вторичную обмотку, но, не изменяясь во времени по величине и знаку, не наводит в ней ЭДС. Через нагрузку rН, подключенную ко второй обмотке трансформатора, протекают токи усиливаемых сигналов. В данном усилителе не надо ставить разделительного конденсатора, так как трансформатор по принципу своей работы не пропускает во вторую обмотку постоянную составляющую коллекторного тока. Коэффициент усиления трансформаторного усилителя, как и для усилителя на резисторах, представляет отношение напряжений выходного UВЫХ квходному UВХ. Трансформаторные усилители находят широкое применение, так как позволяют легко согласовывать сопротивление выходной цепи с низкоомным сопротивлением нагрузки, что достигается подбором коэффициента трансформации. Очень важное достоинство трансформаторного усилителя в том, что он может работать как усилитель напряжения и как усилитель мощности, что достигается применением трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации. Коэффициент усиления по мощности KPпредставляет отношение выходной РВЫХк входной PВХ мощности.
При использовании транзистора с большими допустимыми токами коллектора низкоомное сопротивление нагрузки может быть включено в выходную цепь транзистора. Это значительно упрощает схему и конструкцию усилителя и уменьшает искажения усиливаемого сигнала. Мощность на нагрузке вычисляется по формуле Pн=ηтРвых, где ηт- КПД выходного трансформатора, коэффициент трансформации которого n= где - сопротивление нагрузки, пересчитанное к первичной обмотке трансформатора (приведённое сопротивление).
Транзисторные усилители мощности работают в трех основных классах. На рис.2 изображен режим работы усилителя мощности с ОЭ в классе А. На выходной динамической характеристике показаны изменения коллекторных токов от до и соответствующих им напряжений от до относительно рабочей точки D с базовым током /Б0.
Однотактные каскады усиления мощности обладают существенными недостатками:
— небольшой КПД каскада;
— относительно большие нелинейные искажения, создаваемые усилительным прибором и постоянными токами подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора;
— относительно большие частотные искажения.
В тех случаях, когда однотактный каскад усиления мощности неприменим из-за указанных выше недостатков и мощности, применяют двухтактный каскад усиления мощности
Схема двухтактного усилительного каскада мощности с трансформаторным входом и выходом, работающего в режиме класса В, изображена на рис. 3. В данной схеме в любой момент времени может быть открыт только один из двух транзисторов. Для облегчения понимания принципа работы схема усилителя показана в двух состояниях, при этом открытый транзистор заштрихован, закрытый транзистор — светлый.
При отсутствии на входе сигналов от
генератора сигналов G(рис.3, а) транзисторы VT1 и VT2 закрыты, потому, что на их эмиттерно-базовых переходах нет разности потенциалов — на эмиттеры прямо, а на базы через половины вторичной обмотки трансформатора Т1 поступает +Uк от источника Εк. Через VT1 и VT2 протекают незначительные тепловые коллекторные токи покоя IК01 и IК02. Эти токи (рис. 4) представлены на двух динамических выходных характеристиках VT1 и VT2, смещенных на 180° по отношению друг к другу, ось абсцисс Uк (Uк1 и Uк2) является общей. Рабочие точки 01 и 02 отмечены при IБ = 0.
Если на вход усилителя подать сигнал с напряжением тока от точки 2 к точке 1 в первичной обмотке Т1 (рис.3, а), то в его вторичной обмотке наводится ЭДС, положительный потенциал которой приложен к базе VT2, а отрицательный — к базе VT1; VT2 закроется еще сильнее, так как к его эмиттерно-базовому переходу приложено обратное напряжение, поступающее от нижней полу обмотки трансформатора Т1 (зажим 4 — точка 01). Транзистор VT1 откроется, потому что на его эмиттерно-базовый переход приложено прямое напряжение от верхней полуобмотки Т1 (зажим 3 — точка 01). По цепи +ЕК— 0 — VT1 — 5 — 02 — (-EК) потечет переменный коллекторный ток IК1 с амплитудой (рис.3). Напряжение коллекторной цепи транзистора VT1 повторяет по форме ток IК1 и совпадает с положительным направлением оси UK1.
Когда полярность напряжения входного сигнала изменится на противоположную (см. рис.3, б) и в первичной обмотке Т1 будет протекать ток от точки 1 к точке 2, со вторичной обмотки Т1 поступит прямое напряжение на эмиттерно-базовый переход транзистора VT2 и обратное напряжение на такой же переход транзистора VT1 закроется транзистор VT1 и
откроется - VT2. По цепи +ЕК—VT2—6—02—(-ЕК) потечет переменный коллекторный ток IК2 с амплитудой Iкmax (рис.4), которому соответствует напряжение с амплитудой, совпадающее по напряжению с осью UК2. Таким образом, в зависимости от полярности входного сигнала открываются поочередно соответствующие транзисторы и поочередно по обоим плечам первичной полу обмотки трансформатора Т2 протекают коллекторные токи с амплитудами IКmах.
Во вторичной обмотке Т2 наводится ЭДС, к зажимам 7, 8 которой подключена нагрузка RН.
Главное значение выходных каскадов — получение максимальной полезной мощности сигнала. Для этого рабочий участок динамической характеристики должен иметь максимальную длину (см. рис.4), т.е. транзистор должен полностью использоваться как по току, так и по напряжению. Чтобы выполнить это требование, рабочую точку в режиме класса В обычно выбирают на динамической характеристике в области малых значений токов коллектора (в нашем случае точки 01 и 02 с токами IК01 и IК02). Это также обеспечивает наименьшее потребление мощности от источника питания.
При максимальном использовании транзистора в режиме класса В амплитуда переменной составляющей тока а амплитуда напряжения
. В действительности пиковое значение напряжения на коллекторе закрытого транзистора при наличии выходного трансформатора может превышать в два раза величину напряжения UK. Это объясняется тем, что ток открытого транзистора, например IК1 транзистора VT1 (см. рис.3, а), протекая по своей половине обмотки трансформатора Т2, наводит ЭДС и во второй половине обмотки этого трансформатора. Эта ЭДС и напряжение источника питания действуют согласно и их сумма прикладывается к коллектору закрытого транзистора. В этом случае величину напряжения источника питания следует выбирать из условия UUKдоп/2, где UKдоп — максимально допустимое напряжение на коллекторе транзистора.
Кроме большой выходной мощности и высокого КПД двухтактные усилители обладают следующими важными качествами: компенсируют четные гармоники усиливаемого тока и гармоники пульсирующего напряжения источника питания.
Указанные гармоники, проходя по плечам первичной обмотки трансформатора Т2, создают (по отношению к точке 02 на рис.3) равные по величине и противоположные по направлению магнитные потоки, которые компенсируют друг друга. В результате от четных гармоник и снижается уровень фона на его выходе от пульсации питающего напряжения.
Схема бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности, собранная на двух разнотипных транзисторах, один из которых типа р-п-р, а другой п-р-п, приведена на рис.5, а. Эти транзисторы соединены последовательно друг с другом по постоянному току, а их входы соединены параллельно по напряжению входного сигнала.
При отсутствии входного сигнала на входе и полной симметрии транзисторов VT1 и VT2 их постоянные коллекторные токи IК01 и IK02, одинаковы по значению и каждый транзистор является для другого коллекторной нагрузкой по постоянному току.
При подаче на вход переменного сигнала (рис.5, б) через нагрузку RH, включенную через разделительный конденсатор Ср3, потечет переменный ток iн (рис.5, д), равный разности коллекторных токов (рис.5, в, г) транзисторов VT1 и VT2
(iн = IК1 - IК2). Это обусловлено тем, что при положительном входном напряжении Uвх(рис.5, а, б) уVT1 ток коллектора iК1 возрастает (рис. 5 в), а у VT2 настолько же уменьшается ток коллектора iК2 (рис.5, г). При изменении полярности входного сигнала уменьшается ток iК1 и возрастает ток iК2. Так как транзист
