Мощный выходной каскад на эмиттерных повторителях

February 3, 2012 by admin Комментировать »

Ток нагрузки и ток покоя

Очень важно осознать, что малое выходное сопротивление не обязательно означает, что та или иная часть схемы может развивать большие токи в низкоомной нагрузке.

Например, простая схема эмиттерного повторителя на рис. 5.13 может обеспечить выходное сопротивление меньше 50 Ом, однако не приходится ожидать, что с ее помощью окажется возможным создавать на нагрузке с таким же сопротивлением сколько-нибудь значительные колебания напряжения. Даже колебания с полным размахом 1 В на сопротивлении 50 Ом требуют создания переменного тока с размахом 1/50 А (20 мА). Поскольку у нас имеется ток покоя всего лишь в 1 мА, колебания тока в нагрузке безусловно ограничены пределами ±1 мА, а максимальное значение для полного размаха тока равно 2 мА.

Усилители, специально рассчитанные так, чтобы была возможность возбуждать большие по величине колебания напряжения в низкоомных нагрузках типа громкоговорителей, обычно называют усилителями мощности. Однако это название не должно вводить в заблуждение: оно не означает, что такие усилители принципиально отличаются от уже рассмотренных схем. Усилители мощности — это не что иное, как «слегка специализированные» усилители напряжения, способные развивать большие выходные токи.

Вполне возможно напрямую определять ток покоя в схеме эмиттерного повторителя, необходимый для того, чтобы могли осуществляться колебания выходного тока с большим размахом. Можно все резисторы изменить по величине в одно и то же число раз и, если это необходимо, вместо транзистора типа ВС 107 поставить транзистор с большей номинальной мощностью. Однако использование большого тока покоя расточительно с энергетической точки зрения, и эмиттерный повторитель на одном транзисторе — это не самый эффективный способ развивать в нагрузке определенную мощность,

Двухтактный усилитель: режим В и режим АВ

Как мы видели, в эмиттерном повторителе необходимо поддерживать ток покоя, чтобы ток в нагрузке мог меняться как вверх, так и вниз и можно было передавать без искажений положительный и отрицательный полупериоды переменного сигнала. Рассмотрим теперь схему на рис. 5.23, где имеются два комплементарных транзистора: через п-р-n-транзистор проходят положительные полуволны, а через р-п-р-транзистор — отрицательные полуволны. Характеристики транзисторной пары ZTX450-ZTX550 вполне допускают коллекторные токи до 1 А, так что можно, не опасаясь, нагружать их малыми сопротивлениями величиной примерно до 6 Ом. Говорят, что схема такого типа работает в режиме В\ каждый транзистор пропускает

Рис. 5.23. Простейший эмиттерный повторитель на комплементарной паре транзисторов, работающих в режиме В. Транзисторы 2N3053 и 2N4037 — противоположной полярности (п-р-п и р-п-р соответственно). Цоколевка у этих транзисторов такая же, как у транзистора ВС 107.

сигнал только одной полярности, и поэтому ток покоя может быть нулевым. Иногда такую конструкцию называют двухтактным выходом (push- pull), поскольку транзистор Т2 «проталкивает снизу» (to push) отрицательную полуволну, а затем наступает очередь транзистору Тг «протаскивать сверху» (to pull) положительную полуволну.

По определению, схема работает в режиме В, если рабочая точка транзистора выбрана так, что он проводит ток только в пределах половины периода входного сигнала. Это прямо противоположно режиму А, применяемому в большинстве схем усилителей напряжения, когда ток течет через транзистор в течение всего периода входного сигнала. Третий случай — режим С — это, по определению, работа транзистора в таких условиях, когда он проводит менее чем в пределах полупериода входного сигнала, но такой режим применяется только в выходных каскадах радиопередатчиков вместе с узкополосными резонансными цепями.

Мы можем определить коэффициент полезного действия усилительного каскада как долю, которую составляет мощность переменного сигнала, фактически развиваемая на нагрузке, к полной мощности, потребляемой от источника питания. При работе в режиме А к.п.д. не может превосходить максимально достижимых 50 %; можно показать, что в режиме В предельное значение к.п.д. равняется 78 %, а в режиме С к.п.д. может достигать 100 %.

Как можно догадаться, эта схема из-за своей крайней простоты непригодна в тех случаях, когда требуются малые искажения. Каждому транзистору нужны 0,6 В на переходе база—эмиттер, чтобы через него пошел заметный ток, так что малые сигналы (с полным размахом меньше 1 В) не передаются вовсе. Схема будет работать с большими сигналами, но при этом будут иметь место искажения типа «ступеньки», показанные на рис. 5.24. Вблизи точек, в которых колебание пересекает ноль, коэффициент усиления падает до нуля, в результате чего происходит указанный на рисунке

Рис. 5.24. Типичные входное и выходное колебания в схеме на рис. 5.23, демонстрирующие сильные искажения типа «ступеньки».

резкий «излом». При работе в диапазоне звуковых частот искажения такого типа особенно нежелательны, поскольку проявляются тем сильнее, чем меньше уровень сигнала.

Хотя простая схема, приведенная на рис. 5.23, и годится для некоторых приложений в автоматике, все же она нуждается в улучшении, чтобы результаты в диапазоне звуковых частот были приемлемыми. Необходимо приложить к транзисторам какое-то смещение, чтобы переходы база—эмиттер были готовы пропускать малейшие входные сигналы. Обычно для работы в линейном режиме на транзисторы подается такое смещение, что по ним течет небольшой коллекторный ток покоя даже в отсутствие входного сигнала. Когда сигналы малы, этот каскад работает в режиме А и оба транзистора находятся в проводящем состоянии, тогда как при сигналах большей величины только один транзистор оказывается открытым в пределах каждой полуволны. Такой режим работы называют режимом АВ, и именно так бывают, как правило, устроены усилители мощности звукового диапазона.

На рис. 5.25 показано, как следует модифицировать рассмотренную выше простую схему с режимом В для работы в режиме АВ. Вместо того чтобы непосредственно соединять базы одну с другой, их разделяют парой диодов D, и D2, смещенных в прямом направлении, которые как раз и обеспечивают достаточное смещение для транзисторов, при котором в них течет ток в режиме покоя. С помощью эмиттерных резисторов R3 и R4 создается небольшая обратная связь по току, улучшающая стабильность по постоянному току.

Во всех усилителях с режимом АВ исходное состояние транзисторов в большой степени зависит от разности потенциалов в прямом направлении

Рис. 5.25. Эмиттерный повторитель на комплементарной паре транзисторов, работающих в режиме АВ.

VBE на переходах база—эмиттер. Небольшие изменения VBE, обусловленные колебаниями температуры, могут приводить к значительным изменениям коллекторного тока покоя. Применение диодов для создания смещения обеспечивает температурную компенсацию: если температура окружающей среды растет и величина VBE падает, то разность потенциалов на каждом из диодов также падает, в результате чего базовые токи, а значит, и коллекторные токи поддерживаются относительно неизменными. В идеальном случае диоды нужно размещать рядом с транзисторами, чтобы те и другие испытывали одни и те же колебания температуры. Коллекторный ток покоя следует выбирать в районе 5—10 мА.

Рис. 5.27. Эмиттерный повторитель по схеме Дарлингтона на комплементарных транзисторах, работающих в режиме АВ, способный отдавать в нагрузку 3 А.

тот, создавая путь для носителей тока, которые иначе ответвлялись бы в базовые области и тормозились в них.

Отводя ток утечки коллектор—база (1СВ0), они увеличивают также напряжение пробоя мощных транзисторов.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты