Усилители мощности с повышенным коэффициентом полезного действия

Повышение КПД является одной из важнейших задач при разработке мощных устройств, поскольку ее решение позволяет снизить мощность источника питания, облегчить тепловой режим транзисторов, улучшить массогабаритные показатели, повысить надежность. КПД мощных многокаскадных усилителей определяется оконечным каскадом. Основным недостатком рассмотренных выше оконечных каскадов в режимах классов Ли В (ЛВ) является то, что они имеют теоретические пределы максимальных значений КПД 50 и 78,54% соответственно, а также линейную зависимость КПД от амплитуды усиливаемого напряжения, которая изменяется по случайному закону в достаточно широких пределах. Например, средняя амплитуда звукового сигнала составляет около 30% от максимальной, поэтому реальный КПД усилителя в режиме класса В составляет всего лишь 24%. Обычно усилитель используется не на полную мощность. Кроме того, регулятор громкости усилителей звуковой частоты не устанавливают на максимальный уровень, что приводит к дополнительному снижению КПД.

Для повышения КПД используется ключевой режим работы транзисторов, или режим класса Д в котором на управляющие электроды транзистора поступают прямоугольные импульсы. В этом режиме потенциальный КПД составляет 100%, поскольку транзистор не потребляет мощности. Действительно, в непроводящем состоянии транзистора напряжение на нем и > 0, однако ток i = 0, в проводящем состоянии — наоборот: и = 0, i > 0, т. е. мгновенная мощность всегда равна нулю. При усилении непрерывного сигнала длительность прямоугольных импульсов, коммутирующих транзистор оконечного каскада, должна быть пропорциональна его мгновенному значению, для чего используется широтно-импульсная модуляция (IIIИМ). В этом случае ток нагрузки имеет форму, близкую к форме усиливаемого сигнала. В целом усилитель аналоговых сигналов с повышенным КПД содержит предварительный усилитель АС, формирователь, предварительный и оконечный усилительные каскады ШИМ-сигналов, а также фильтр нижних частот для получения аналоговой формы выходного сигнала.

Формирователь ШИМ-сигналов. На рис. 3.60, а изображена структурная схема формирователя ШИМ-сигналов, содержащего.

Рис. 3.60. Структурная схема формирователя ШИМ-сигналов (а) и временные диаграммы его работы (б, в).

пороговое устройство (компаратор) и генератор пилообразного (треугольного) напряжения. В компараторе происходит сравнение входного напряжения и_пх с пилообразным напряжением и_п. Если и_п^{> и}«х' ^т0 формируются импульсы с постоянной амплитудой, в противном случае и_пх = 0.

На рис. 3.60, б иллюстрируется принцип формирования импульсов выходного напряжения м_пых для двух постоянных значений входного напряжения: U_mX > 0 и U_Bx2 < 0. Как ясно из рис. 3.60, б, в, изменение входного напряжения приводит к изменению длительности выходных импульсов.

Устройство генератора пилообразного напряжения. Принципиальная схема генератора приведена на рис. 3.61, а. В состав генератора входят:

• • операционный усилитель ОУ, выполняющий функции порогового устройства;
• • мостовая схема, составленная из диодов VD_v VI)., и переходов эмиттер — база транзисторов VT₃, VT_v В одну диагональ моста включен стабилитрон VD₃, в другую — потенциометр R." с движка которого снимается двухуровневое опорное напряжение и_т (рис. 3.61, б), подаваемое на прямой вход ОУ;
• • накопительный конденсатор С, с которого снимается выходное напряжение и_вых треугольной формы. Напряжение и_вых подается также на инвертирующий вход ОУ для сравнения с опорным уровнем;
• • зарядно-разрядные цепи накопительного конденсатора С. Зарядная цепь составлена из резистора R₃ и транзистора VT-, разрядная цепь — из резистора R₄ и транзистора VT_fi;

Рис. 3.61. Схема генератора пилообразного напряжения (а) и временные диаграммы (б)

• источники низкого (+?, и высокого (+?", -Е_в) постоянного напряжения.

Принцип работы генератора. Рассмотрим протекающие в генераторе процессы, полагая, что в открытом состоянии находится транзистор VT, выходного каскада ОУ. В этом случае по цепи +Е_Н П —> R_x —* VD_I —" VD₃ —> VT₄ —*? R_t —*? -Е_н протекает ток. За счет падения напряжения на R_i транзистор VT₆ заперт. Происходит заряд конденсатора С но цени +Е_к —*? R₃ —*? VT- —* С. На диоде VD_t, стабилитроне VD₃ и переходе эмиттер — база VT₄ создается падение напряжения и₀ = +U₀. Поэтому на прямой вход ОУ поступает опорное напряжения «_оп = +KU₀, где К < 1. После того, как напряжение на конденсаторе и_вь1Х достигнет значения +KU₀ (см. рис. 3.61, 6) транзистор VT, закрывается, транзистор VT₂ переходит в открытое состояние.

В этом состоянии ток протекает по цепи +Е_В -* R₃ —*? VT₃ —*? VD₃ —* —> VD., —"—*? VT₂ —*? За счет падения напряжения на R₃ транзистор VT₅ заперт. Происходит перезаряд конденсатора, но цепи С —* VT₆ —¹? /?₄ —? -Е_к. На переходе эмиттер — база VT_v стабилитроне VD₃ и диоде VD_i создается падение напряжения и₀ = -U₀. Поэтому на прямой вход ОУ поступает опорное напряжение и_оа = -KU₀, где К < 1. После того как напряжение на конденсаторе и_вых достигнет значения -KU₀ (см. рис. 3.61, б), происходит смена состояний транзисторов VT, и VT₂. Далее процессы периодически повторяются. На конденсаторе С формируется напряжение и_ВЬ]х треугольной формы с линейным нарастанием во время прямого хода и линейным убыванием во время обратного хода. При R₃ = R₄ = R период колебаний Г* ARCKUJ{E_B — ?").

Двухтактный каскад в режиме класса BD. На рис. 3.62, а изображена простейшая схема каскада с бестрансформаторным выходом, построенного на комплементарных транзисторах VT_v VT₂ по схеме ОК—ОК. Выходная цепь представляет собой последовательное соединение накопительного дросселя L и нагрузки R_n. Для отвода накопленной в дросселе энергии используются два диода VD_l и VD.,. В каждом плече каскада имеется свой источник питания, причем ?, = Е₂.

Рис. 3.62. Схема двухтактного усилителя с ШИМ в режиме BD (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б).

Рассмотрим работу каскада при усилении гармонического сигнала. Подаваемое на вход каскада напряжение и_вх представляет собой последовательности широтно-модулированных импульсов (рис. 3.62, б). В первую половину периода усиливаемого сигнала каждый импульс полностью открывает транзистор Vl, в результате чего источник напряжения ?, подключается к ?/?"-цепи. По цепи начинает протекать зарядный ток i, который благодаря дросселю изменяется по экспоненциальному закону. После прекращения импульса транзистор VT, закрывается. Если не принимать никаких мер, мгновенное прекращение тока i вызовет на дросселе скачок напряжения, которое может привести к пробою транзисторов. Поэтому сразу после запирания транзистора VT, открывается диод VD_v через него продолжает протекать ток в прежнем направлении и накопленная в дросселе энергия отводится в источник Е.,. В это время диод VD., заперт, так как к его катоду приложено положительное напряжение Е_{. Во второй половине периода под действием отрицательных импульсов включается нижнее плечо на транзисторе VT, которое работает аналогичным образом. В итоге ток i изменяется по пилообразному закону, а совокупность его средних значений — но синусоидальному закону, т. е. повторяет по форме усиливаемое гармоническое напряжение и (см. рис 3.62, б). В качестве простейшего фильтра для сглаживания выходного напряжения используют конденсатор, который подключают параллельно нагрузке R".

Отметим, что буква В в названии режима отражает двухтактную работу плеч (или угол отсечки 90°), a D — ключевой режим транзисторов Усилители режима класса D имеют следующие недостатки:

• • они менее точно воспроизводят форму колебаний, т. е. даже после фильтрации имеют на выходе остаточные пульсации, что снижает их динамический диапазон;
• • крутые фронты импульсов, с одной стороны, требуют транзисторов с очень высокой граничной частотой (более дорогих), с другой — создают высокий уровень радиопомех в широком спектре частот, что делает проблематичным применение усилителей в радиоприемной аппаратуре.

Оконечные каскады в режиме класса ВС. Указанные недостатки в значительной мере устраняются в усилителях с аналого-дискретным управлением транзисторами, представляющих собой обычные аналоговые усилители, в которых осуществляется ступенчатое управление напряжением потерь на транзисторах.

Сущность аналого-дискретного управления состоит в переключении напряжения питания при фиксированных уровнях, достигаемых сигналом на входе/выходе усилителя. Рассмотрим схему одного плеча двухтактного каскада с двухуровневым способом управления (рис. 3.63, а), содержащего два последовательно соеди;

Рис. 3.63. Схемы одного плеча (а, в) и временные диаграммы (б), поясняющие работу двухтактного каскада в режиме ВС.

ценных транзистора VT_v VT₂. К общей точке транзисторов подключен диод VD, через который на коллектор VT, подается напряжение от источника ?, при малых входных напряжениях м_вх.

Работа плеча при усилении синусоидального входного напряжения. При малых значениях входного напряжения и_пх (на интервале 0 — ?,) в проводящем состоянии находится только транзистор VT, (рис. 3.63, б). Питание на его коллектор подается через VD от источника с меньшим напряжением Е_у Транзистор VT₂ заперт, поскольку напряжение на его эмиттере превышает напряжение на базе. По мере увеличения и_вх увеличиваются эмиттерный ток транзистора VT, и напряжение и_вых на сопротивлении нагрузки R_u. Напряжение на коллекторе VT, и эмиттере VT₂ уменьшается. Транзистор VT₂ начинает открываться и в момент времени t_{ весьма быстро переходит в проводящее состояние. После того как сравняются токи VT_X и VT₂, диод запирается и отключает источник ?*,. На интервале t_{ —1₂ (пока напряжение и_вх > ?,) питание осуществляется от источника Е₂. Затем с помощью VD подключается ?, и отключается VT₂. В рассматриваемой схеме транзисторы VT, и VT₂ не входят в режим насыщения.

На рис. 3.63, б показана форма напряжения питания Е_п. Так как транзистор VT, работает в течение всего полупериода колебания, он называется основным, a VT₂ — вспомогательным. Угол отсечки тока основного транзистора равен 90°, а вспомогательного — меньше 90°. Следовательно, формально основной транзистор работает в режиме класса В, а вспомогательный — класса С. Поэтому режим работы рассматриваемого усилителя называют режимом ВС.

Использование двух источников питания усложняет усилительное устройство. Рассмотрим схему усилителя с одним источником питания Е (рис. 3.63, в), в котором транзисторы VT_v VT₂, диод VD_X и обмотка 1—2 образуют одно плечо двухтактного каскада, а элементы VT₃, VT₄, VD₂ и обмотка 3—4 — второе плечо. Обмотки 1—2 и 3—4 являются первичными обмотками выходного трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора с подключенным к ней сопротивлением нагрузки R_u на схеме не показана. Транзисторы разных плеч имеют взаимно противоположные типы проводимости. Между точкой соединения диодов и коллектором VT₄ включен конденсатор С. В исходном состоянии ввиду симметрии схемы постоянное напряжение на конденсаторе Е_с = Е/2, т. е. напряжение ?_с служит меньшим напряжением питания первого плеча. Меньшее напряжение питания второго плеча создается последовательным соединением источника Е и конденсатора С,. Оно равно разности Е — Е_с = Е/2.

Плечи каскада работают поочередно по изложенному выше правилу. В один полупериод работы первого плеча конденсатор С частично разряжается по цепи VD_i —*? VT, —*? обмотка 1—2, а в другой полупериод он настолько же подзаряжается от источника Е (по цепи обмотка 4—3 —*• VT, —*? VD₂ —*• С), так как токи, протекающие через VD| и VD., в каждые полупериоды (показаны стрелками), одинаковы. Поэтому всегда Е_с = Е/2.