Усилители мощности. 
Электроника

Входные и промежуточные усилительные каскады работают со сравнительно малыми уровнями сигналов и в усилительных элементах протекают весьма малые токи (единицы-десятки миллиампер) и рассеиваются малые мощности.

На выходе же многих усилительных устройств требуются сигналы, мощность которых может составлять единицы, десятки, сотни ватт (а в ряде случаев — и многие сотни киловатт). Поэтому очень остро стоит проблема обеспечения большого коэффициента полезного действия.

В самом деле, маломощные усилительные каскады работают в линейных режимах, в которых в отсутствие входных сигналов в активных элементах протекают токи и действуют напряжения, примерно равные половине от максимальных, протекающих во время максимальных значений усиливаемых сигналов.

Вследствие этого КПД обычных усилителей не превышает 30−40% (при максимально возможном значении 50%). В то же время если в отсутствие входного управляющего сигнала через активные элементы не будут протекать токи, то КПД можно существенно повысить.

Наиболее просто это достигается использованием двухтактных (по сути двухканальных) усилителей, в которых раздельно усиливаются положительные и отрицательные полупериоды сигналов.

В частности, на рис. 3.19, а приведена упрощенная структурная схема двухтактного усилителя, в котором входной сигнал t/,_x? разделяется диодами VD1 и VD2 (применение которых, вообще говоря, во многих случаях совсем не обязательно) на положительные t/, и отрицательные U. составляющие (рис. 3.19, б).

Эти составляющие раздельно усиливаются двумя усилителями К₀ с идентичными параметрами, запертыми и почти не потребляющими ток от источника питания в отсутствие сигналов, и подаются на общее сопротивление нагрузки Rформируя суммарное выходное напряжение и_ш&. Таким образом, если на входе нет сигналов, то усилители заперты и тока от источника питания не потребляют.

Принцип раздельного двухтактного усиления может быть реализован с помощью повторителя, выполненного на комплементарной паре биполярных транзисторов (рис. 3.20, а). В отсутствие входного сигнала оба транзистора VT1 и V72 заперты, поскольку на их затворы не подается отпирающего напряжения смещения, и тока не проводят. Во время положительных полупериодов сигнала отпирается транзистор VT1, имеющий структуру п-р-п. Отрицательные полупериоды сигнала отпирают транзистор VT2, имеющий структуру р-п-р. Таким образом, попеременно и раздельно на выход усилителя передаются положительные и отрицательные полупериоды сигнала, образуя суммарный сигнал Рассмотренная схема усилителя обычно используется при больших уровнях сигналов — десятки вольт, поскольку при малых уровнях сиг;

Рис. 3.19. Структурная схема двухтактного усилителя (а) и диаграммы напряжений на его входе и выходе (б).

налов она дает существенные искажения, обусловленные тем, что кремниевые транзисторы отпираются при напряжении база—эмиттер более 0,6 В (германиевые — примерно 0,3 В).

Вследствие этого в выходном сигнале искажаются участки малого уровня и моменты переходов через нулевые значения. Для устранения этих нелинейных искажений применяют более сложные схемы усилителей мощности, выполненные на основе операционных усилителей и мощных выходных каскадов. При этом весь усилитель охватывается петлей очень глубокой отрицательной обратной связи, как это сделано в усилителе, схема которого приведена на рис. 3.20, б.

В этом усилителе выходной каскад выполнен на двух составных эмиттерных повторителях, состоящих из VT1 и VT2 (я-р-я-транзисторы) и VT3 и VTA (р-я-р-транзисторы) и стабилизирующих режим их работы эмиттерных резисторов R₃ с сопротивлением в 1 Ом. Коэффициент усиления рассматриваемой схемы (и вместе с ним коэффициент нелинейных искажений) зависит от соотношения сопротивлений резисторов в цепи отрицательной обратной связи К = R_ooc/R₂vi. обычно не превышает 5−10.

Предельная мощность выходного сигнала определяется параметрами выходных транзисторов, напряжением источников питания и сопротивлением нагрузки. Напряжение питания современных высоковольтных операционных усилителей ограничено 200−300 В, поэтому мощность в нагрузке зависит от ее сопротивления. Например, при максимальном допустимом напряжении источника питания 300 В и со;

Рис. 3.20. Принципиальные схемы: двухтактного эмиттерного повторителя на комплементарной паре биполярных транзисторов (а) и двухтактного усилителя мощности на основе операционного усилителя и двухтактного эмиттерного повторителя на составных транзисторах (б).

противлении нагрузки R_H = 10 Ом ток в нем составит 30 А (т. е. мощность до 9 кВт).

В тех случаях, когда необходимо в сопротивлении нагрузки обеспечить больший ток при существенно большем напряжении источника питания, применяют двухтактные усилители мощности, собранные на дискретных компонентах: мощных биполярных и полевых транзисторах, электронных лампах и тиристорах.

При этом усилители мощности, работающие на частотах выше 20 Гц, часто выполняют с использованием согласующе-разделительных трансформаторов.

Работа усилителей в линейных и почти линейных режимах (в том числе и в рассмотренных выше двухтактных усилителях) ставит весьма сложную проблему отвода тепла, выделяющегося на коллекторах, стоках или анодах усилительных элементов.

Например, если усилитель, выполненный по схеме рис. 3.20, б, отдает в нагрузку 1 кВт мощности, то почти столько же рассеивается на коллекторах выходных транзисторов УТЛ и VT2.

В то же время КПД может быть увеличен до 99%, а количество выделяющегося тепла уменьшено в десятки раз, если усилительные элементы будут использоваться в режиме переключения, при котором усилительные элементы работают в режиме насыщения, их внутреннее сопротивление и падение напряжения на них минимально и для биполярных транзисторов обычно не превышает 1−2 В.

Однако при работе в режиме переключения с заходом в область насыщения происходят значительные искажения формы усиливаемого сигнала и устранить их простыми средствами невозможно. Поэтому усилители в режиме переключения прямого действия, без каких-либо существенных преобразований усиливаемого сигнала, применяются лишь в тех случаях, когда допустимы любые нелинейные искажения формы сигнала или когда усиленный полезный сигнал может быть затем выделен с помощью соответствующих фильтров (рис. 3.21, а).

Однако имеется ряд сигналов, нелинейное искажение формы которых не приводит к изменению их спектров.

В частности, ни форма, ни спектр сигналов, составленных из импульсов прямоугольной формы с одинаковой амплитудой, но разной длительностью, практически не изменяются при прохождении через широкополосный нелинейный усилитель, работающий в режиме переключения. Это свойство сигналов прямоугольной формы широко используется на практике для создания усилителей-инверторов, работающих в режиме переключения.

На рис. 3.21, б приведена функциональная схема усилителя подобного вида. На входе, непосредственно перед мощным нелинейным усилителем, включается широтно-импульсный модулятор, преобразующий входной U_m(t) непрерывный сигнал (рис. 3.21, в) в последовательность импульсов ?/,"""({) прямоугольной формы с одинаковой амплитудой, но разной длительностью, — так, чтобы площадь каждого импульса была бы прямо пропорциональна амплитуде сигнала в момент формирования каждого конкретного импульса.

Частота следования прямоугольных импульсов должна быть значительно (в 10−50 раз) выше верхней граничной частоты усиливаемого сигнала, чтобы уменьшить возможные искажения спектра сигнала.

Таким образом, непрерывный сигнал преобразуется в последовательность импульсов, которыми управляется усилитель мощности, работающий в режиме переключения.

Если нагрузка на выходе усилителя инерционна (для этого достаточно включить параллельно ей конденсатор), то усиленные прямоугольные импульсы разной длительности интегрируются, и закон изменения выделяющейся в нагрузке энергии повторяет закон изменения входного непрерывного сигнала.

Подобные усилители — «инверторы» — могут быть выполнены на электронных лампах, биполярных и полевых транзисторах, тиратронах и тиристорах.

В общем случае схема транзисторного инвертора, работающего в режиме переключения, отличается от схемы двухтактного усилительного выходного каскада (например, приведенного на рис. 3.20, а) тем, что.

Рис. 3.21. Функциональные схемы нелинейных усилителей мощности (а, б) и диаграмма напряжений на входе и выходе широтно-импульсного модулятора (в).

на базы транзисторов от специальных источников подается напряжение смещения в запирающей полярности. Поэтому при отсутствии входного сигнала транзисторы полностью заперты. Прямоугольные импульсы управления подаются на базы транзисторов и переключают их в режим насыщения.

Наиболее часто инверторы выполняются по «мостовым» схемам, с использованием четырех-восьми усилительных приборов (ламп, биполярных, полевых транзисторов или тиристоров).

В частности, на рис. 3.22, а приведена упрощенная принципиальная схема мостового четырехтранзисторного инвертора. В отсутствие входных управляющих сигналов инвертор выключен, и ток через транзисторы не проходит. Это обеспечивается полным запиранием транзисторов VT2 и VT4 (п-р-п-типа), осуществляемым за счет подачи на их базы отрицательного напряжения от источника ?_см. Если на базу транзистора VT2 поступает прямоугольный входной импульс (/"*, (рис. 3.22, б), то происходит его отпирание. При этом на базу транзистора V73 через резистор R_c" подается напряжение в отпирающей полярности, он открывается в цепи: минус источника питания — транзистор VT2 — сопротивление нагрузки R_H — транзистор V73 — плюс источника питания Е_п и начинает протекать ток. Сила этого тока определяется напряжением источника питания Е" и сопротивлением нагрузки /?," ибо транзисторы VT2 и V73 находятся в режиме насыщения и на них надает очень малое напряжение (от нескольких десятых долей до единиц вольт, в зависимости от типа транзисторов).

По окончании импульса управления U_H%] транзисторы VT2 и VT3 выключаются, и через сопротивление нагрузки перестает протекать.

Рис. 3.22. Принципиальная схема транзисторного инвертора (а; и диаграммы напряжений на его входах и выходе (б).

ток. Если в этот момент подается импульс запуска U_m2 на базу транзистора VT4, то происходит его отпирание (и, соответственно, отпирание транзистора VT1) и в сопротивлении нагрузки начинает протекать ток другого, по сравнению с предыдущим полуиериодом, направления.

Особенность этого инвертора — недопустимость подачи импульсов управления U_m, и U_m2 одновременно. При этом включаются все транзисторы и ток, идя по пути наименьшего сопротивления, проходит от источника питания только через транзисторы, минуя сопротивление нагрузки, и достигает большого значения. Если схема не защищена от таких чрезмерных, минующих нагрузку, «сквозных» токов, то, как минимум, разрушаются два транзистора.

Рассматриваемый транзисторный инвертор — трехпозиционный: он может проводить ток как в одном, так и в другом направлениях, по диагонали моста VT1-VTA, и может быть полностью выключен. Вследствие этого ток в нагрузке может иметь и паузы (см. рис. 3.22, б), что очень часто необходимо предусматривать в инверторах, используемых, например, в геофизической аппаратуре.

В отличие от транзистора, обычный тиристор — элемент с неполной управляемостью: его легко включить, но не очень просто выключить. Исключение составляют двухоперационные тиристоры, включение и выключение которых может осуществляться подачей сигналов управления на управляющие электроды, однако они выпускаются на сравнительно небольшие рабочие токи — десятки ампер и малые напряжения — до 3 тыс. вольт, что явно недостаточно для большинства применений.

Выключение обычного тиристора может быть произведено при уменьшении анодного напряжения или изменении его полярности. Поэтому тиристорные инверторы обычно выполняются двухпозиционными: один тиристор включен, второй в этот время выключен, и когда происходит включение второго тиристора, первый, ранее включенный тиристор, автоматически выключается. Такого рода инверторы позволяют получать ток без пауз.

Однако путем усложнения схемы (введя в нее дополнительные тиристоры, служащие для выключения основных) можно получить и трехпозиционный инвертор, с паузами в токе нагрузки.

В инфранизкочастотной аппаратуре, как правило, используют бестрансформаторные инверторы, с непосредственной связью с нагрузкой (подобно инвертору, схема которого приведена на рис. 3.22, а). Однако при работе на звуковых частотах часто применяют и трансформаторные схемы инверторов, позволяющие более оптимально согласовывать сопротивление нагрузки с инвертором (или изолировать цепь нагрузки от источника первичного питания В частности, на рис. 3.23, а приведена схема инвертора с трансформаторным выходом. В отсутствие импульсов запуска фототиристоры V51, VS2 заперты и через них проходит небольшой ток (единицы миллиампер). Если подан импульс запуска на светодиод CV1, то фототиристор VS1 включается, его сопротивление резко уменьшается и падение напряжения на участке анод—катод уменьшается до 0,8−1,5 В.

При этом левая половина первичной обмотки трансформатора Т оказывается подключенной к источнику питания и на вторичной обмотке индуцируется ЭДС в полярности: плюс на правом конце обмотки, минус — на левом. Коммутирующий конденсатор С" заряжается (минус на аноде левого фототиристора, плюс на аноде правого) до напряжения источника питания (за вычетом падения напряжения на левом фототиристоре).

Если подать импульс запуска на светодиод CV2, то фототиристор Е5'2 включается и коммутирующий конденсатор оказывается подключенным к аноду—катоду фототиристора V51. При этом отрицательно заряженная пластина конденсатора оказывается соединенной с анодом, положительная (через фототиристор VS2) — с катодом, вследствие чего фототиристор V51 запирается, а фототиристор VS2 остается во включенном состоянии. Конденсатор С_к перезаряжается: минус оказывается на аноде правого (включенного) фототиристора VS2, плюс — на аноде левого V51 (запертого), вследствие чего при подаче нового импульса запуска фототиристоры V51, VS2 вновь переключаются.

Поскольку при переключениях изменяется направление тока в первичной обмотке, напряжение на вторичной обмотке знакопеременно. Форма выходного напряжения определяется сопротивлением нагрузки, емкостью конденсатора С_к и индуктивностью обмоток трансформатора. При малых значениях емкости С_к форма выходного напряжения приближается к прямоугольной, при больших — фронты существенно округлены. Если импульсы запуска следуют строго периодически с некоторой заданной частотой, то инвертор можно настроить в резонанс, подобрав соответствующим образом значения емкости конденсатора С_к и индуктивности обмоток трансформатора. Инверторы в таком режиме часто используются для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение практически синусоидальной формы.

Следует отметить, что применение светодиодов в инверторе существенно упрощает схему управления (запуска), так как цепи запуска и цепь нагрузки, в которой протекают большие токи и действует высокое напряжение, должны быть электрически изолированы (поскольку схемы управления запуском обычно имеют общую точку с корпусом прибора, на который высокие напряжения подавать нельзя).

На рис. 3.23, б, в приведены схемы инверторов, выполненных на фототранзисторах, с управлением их работой с помощью светодиодов.

Особенностью инвертора на двух фототранзисторах (рис. 3.23, б), является его питание от двух источников с разными напряжениями ?1 и ?2, что бывает необходимо в тех случаях, когда амплитуда тока в нагрузке при одной полярности должна существенно отличаться от амплитуды тока в другой полярности (например, в системах восстановительного заряда аккумуляторов).

Работа инвертора происходит так. Если подается положительный импульс запуска U1 на светодиод СУ1, то происходит излучение света на базу первого фототранзистора ФУ 1, в результате чего фототранзистор отпирается и переходит в режим насыщения. При этом на нагрузке Rh появляется падение напряжения U,_ux в полярности плюс — слева, минус — справа.

Когда напряжение запуска U1 перестанет действовать, светодиод СУ 1 перестанет излучать свет, фототранзистор ФУ 1 выключится, и ток в цепи нагрузки прекратится. При подаче импульса запуска U2 включается светодиод СУ2, отпирается фототранзистор ФК2 и напряжение на сопротивлении нагрузки меняет знак.

Если ток в сопротивлении нагрузки должен быть строго симметричен, то питание инвертора должно осуществляться от одного источника питания. При этом необходимо выполнять инвертор по мостовой, четырехтиристорной схеме.

Так, на рис. 3.23, в показана схема мостового инвертора на фототранзисторах. Для работы инвертора необходимо подавать импульсы запуска на светодиоды, расположенные по диагонали: импульсы 1Л на светодиоды CV1 и СУ4 (тогда включены фототранзисторы ФУ1 и ФУ2), а импульсы U2 — на светодиоды CV2 и СУЗ (тогда включены фототранзисторы ФЯ2 и ФИ3).

Подавая импульсы запуска ?/1 и U2 поочередно, в заданной последовательности, получим на выходе знакопеременное напряжение заданной прямоугольной формы (рис. 3.23, г).

В общем случае для разделения цепи запуска от нагрузки в транзисторных инверторах можно применять трансформаторы, однако они могут работать только в импульсных режимах, а в непрерывных, при полной, неискаженной передаче прямоугольного импульса управления — только на частотах не ниже нескольких десятков герц.

Рис. 3.23. Принципиальная схема инверторов на фототиристорах (а), на фототранзисторах (б, в) и диаграммы напряжений на входах и выходах (г).

Поэтому для управления мощными инверторами, работающими на инфразвуковых частотах, практически всегда используются оптоэлектронные приборы: оптроны, светоизлучающие диоды, фоторезисторы, фототранзисторы, фототиристоры и т. д., в которых управление осуществляется световыми потоками и отдельные, оптически связанные блоки аппаратуры оказываются электрически идеально изолированы друг от друга. Это обеспечивает практически полную безопасность в эксплуатации и уменьшает помехи от утечек из высоковольтных цепей в низковольтные цепи.

В принципе, инверторы могут питаться не только от источников постоянного тока: очень часто для питания применяются пульсирующие или переменные токи. При этом может существенно упроститься схема управления, так как отпадает необходимость в элементах коммутации.

Однако при этом может существенно измениться спектр тока в сопротивлении нагрузки, ибо инвертор, по своей сути, — устройство умножения управляющих сигналов/_с(?) на напряжение (ток) источника питания: U"(t) или I_n(t). И если напряжение (ток) постоянно Если же напряжение (ток питания) переменно, то спектр тока в нагрузке может существенно отличаться от спектра управляющих сигналов: U_H(t) = t/"(t)/_c®; /"(*) = /"(0Л (0;

Контрольные вопросы.

• 1. Объясните подробнее, как отрицательная обратная связь устраняет искажения малых уровней сигналов (вблизи переходов их через нулевые значения, рис. 3.20) в двухтактных усилителях мощности.
• 2. Нужно ли охватывать отрицательной обратной связью усилители мощности, работающие в режиме переключения (рис. 3.22, а)?
• 3. Как изменится режим работы фототиристорного инвертора (рис. 3.23, а), если значительно, в 10−20 раз: а) уменьшить; б) увеличить емкость коммутирующего конденсатора С?