Блок питания усилителя мощности

Усилитель мощности

Выходной каскад (ВК) усилителя мощности работает в режиме В, что повышает его КПД. Для уменьшения нелинейных искажений ВК выполнен по двухтактной схеме. Транзисторы каскада комплементарные, то есть имеющие одинаковые параметры, но разные полупроводниковые структуры (n-p-n и p-n-p). Поэтому при воздействии одного и того же напряжения на эмиттерные переходы один из транзисторов открывается, а другой закрывается. В результате симметричные плечи двухтактной схемы каскада работают поочерёдно на общее приёмное устройство. Амплитуды токов и напряжений приёмника и коллекторной цепи равны, то есть , . Коллекторный ток каждого транзистора однополупериодный. Среднее за период значение такого тока . К закрытому транзистору прикладывается напряжение , максимальное значение которого , что необходимо учитывать при выборе транзисторов.

Транзисторы ВК включены по схеме с общим коллектором (ОК). Схема ОК позволяет получить высокое входное сопротивление, что облегчает согласование каскада с маломощным предусилителем, и низкое выходное сопротивление ВК, что облегчает согласование с низкоомным приёмником.

Выходная мощность каскада определяется по формуле

                     .                        (1)

Мощность, потребляемая каскадом от источника питания,

                                   .                                      (2)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,

                   .                      (3)

В двухтактных УМ  максимальна при средних значениях входного напряжения . При малых значениях  мощность  мала, так как мал ток . При больших значениях мощность  мала, так как мало напряжение . Определив экстремум функции , можно определить значение тока  (или напряжения ), при котором :

               , ( ).                  (4)

При этом значении тока  мощность  максимальная и равная

                               .                                  (5)

Таким образом, максимально допустимая мощность  транзистора ВК должна быть не менее . В инженерной практике руководствуются для надёжности равенством

                              .                                 (5)

 определяется максимально допустимой температурой  полупроводниковой структуры транзистора. Превышение температуры структуры сверх  приводит к тепловому пробою p-n перехода. Температура структуры транзистора при работе в режиме постоянного тока определяется уравнением

                                 ,                                    (7)

где  – коэффициент теплоотдачи от охладителя в окружающую среду;

 – площадь теплоотдачи охладителя.

Данное уравнение позволяет рассчитать , необходимую для рассеивания выделяемой в транзисторе мощности.

Предусилитель выполнен на базе интегрального операционного усилителя DA. Оба каскада усилителя охвачены глубокой отрицательной обратной связью (ОС), выполненной с помощью делителя R2R3. Напряжение обратной связи , пропорциональное выходному напряжению , подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя. Общая ОС устраняет искажения выходного сигнала, вносимые нелинейностью входных ВАХ транзисторов.

Так как коэффициент усиления напряжения ВК близок к единице, то коэффициент усиления напряжения УМ примерно равен коэффициенту усиления ОУ с ОС:

                                 .                                    (8)

Выбор ОУ проводится из условий:

– обеспечения необходимого входного напряжения ВК

                             ;                               (9)

– допустимой нагрузки на ОУ

                                     ,                                      (10)

где  –выходное амплитудное максимальное напряжение ОУ;

 – минимально допустимое сопротивление нагрузки ОУ из условия мак­симально допустимого выходного тока  при номинальном выходном напряжении; уменьшение  приведёт к снижению заданного значения вы­ходного напряжения.

Для большинства ОУ  кОм,  мА. Однако имеются ОУ с малым  и большим . Например, мощный ОУ К157УД1 (  Ом,  до 1 А) или высоковольтный ОУ 1408УД1 (  Ом,  А).

Максимальное амплитудное выходное напряжение ОУ на (2...3) В меньше напряжения питания  [10, с.11]. В справочниках приводится минимально возможное  при стандартном номинальном напряжении питания, которое меньше напряжения  – (2...3) В в большин-стве образцов ОУ [1, с.78].

В режиме покоя через входы ОУ протекают токи смещения, обеспечи­вающие нормальный режим работы его входного дифференциального каскада. Если в цепи входов ОУ будут включены резисторы с неодинаковыми сопро­тивлениями, то будут разные падения напряжения на них от токов смещения. Это создаст между входами дифференциальное напряжение и, следовательно, появление на выходе ОУ некоторого напряжения (разбаланса). Для уменьшения разбаланса сопротивления резисторов, подключённых к обоим входам, должны быть одинаковыми. Так как резисторы R2 и R3 включены относительно инвертирующего входа параллельно, то сопротивление резистора R1 опре­деляется выражением

                                .                                (11)

Входное сопротивление  УМ равно практически сопротивлению резистора R1 , так как входное сопротивление ОУ очень большое (десятки – сотни МОм).

Выходное сопротивление  УМ согласно метода "Эквивалентного генератора" ("Холостого хода и короткого замыкания") равно

                                 ,                                  (12)

где  – входное динамическое сопротивление транзистора;

,  – приращения напряжения база – эмиттер и тока базы, определяемые по входной ВАХ транзистора при максимальном входном сигнале;

 – выходное сопротивление ОУ с ОС;

,  – выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению ОУ без ОС (справочные параметры);

 –коэффициент обратной связи.

Нижняя граничная частота  полосы пропускания УМ определяется ёмкостью разделительного конденсатора С1. Поэтому ёмкость конденсатора  рассчитывается из условия допустимого коэффициента частотных искажений  на нижней граничной частоте  [10, с.35]:

                             ,                             (13)

где ,  – коэффициенты усиления напряжения УМ соответственно на средней (рабочей) частоте и на нижней граничной частоте;

 – постоянная времени входной цепи усилителя.

Обычно задают . Тогда

                                        .                                         (14)

Это значит, что при  сопротивление разделительного конденсатора на частоте  будет равно входному сопротивлению УМ:

                                        .                                         (15)

В инженерной практике с целью уменьшения частотных искажений часто снижают сопротивление разделительного конденсатора на частоте  до .

Частотные искажения на высоких частотах обусловлены инерционностью транзисторов ОУ и ВК. Коэффициент частотных искажений  на верхней граничной частоте  равен

                                   ,                                    (16)

где ,  – коэффициенты частотных искажений на частоте  соответственно ОУ и ВК.

Коэффициент частотных искажений двухтактного усилительного каскада определяется соотношением

                                  ,                                   (17)

где  – предельная частота транзистора, при которой его коэффициент

усиления  уменьшается в раз по сравнению с  на средних частотах;

 – граничная частота транзистора, при которой коэффициент  (справочный параметр).

Граничная частота комплементарных транзисторов, на базе которых рассчитывается ВК, равняется 3...10 МГц, а их коэффициент усиления =20...80. Поэтому коэффициент частотных искажений ВК на  кГц и менее близок к единице. В результате можно считать для рассчитываемого УМ

                                         .                                         (18)

Для ОУ с отрицательной ОС верхняя граничная частота, при которой его коэффициент частотных искажений снижается до , определяется равенством

                                        .                                        (19)

где  – частота единичного усиления ОУ, при котором его  уменьшается до единицы (справочный параметр).

Блок питания усилителя мощности

Блок питания (БП) предназначен для преобразования переменного напряжения питающей сети  в двухполярное стабилизированное напряжение . БП состоит из мостового выпрямителя со средней точкой, двух LC-фильтров и двух компенсационных СН непрерывного действия. Средняя точка вторичной обмотки выпрямительного трансформатора Т выведена и соединена с общей точкой схемы.

Режим работы трансформатора зависит от частоты входного сигнала  усилителя мощности. При этом возможны три случая: частота  Гц, частота  Гц и частота  Гц. Анализ режимов работы трансформатора показывает, что наиболее тяжёлый режим для вторичной обмотки будет при частоте  Гц, а также совпадение по фазе входного напряжения  и напряжения сети . При этом на УМ будет работать одна вторичная полуобмотка. При совпадении полярностей входного напряжения и напряжения сети, работает полуобмотка . Если полярности противоположные, работает  (рисунок. 2).