Однотактные каскады усиления мощности

В однотактном каскаде усиление осуществляется одним транзистором. Если в его выходную цепь нагрузка включается через трансформатор
(рис. 1, а), называемый выходным, то каскад называется трансформаторным.

Рис. 1

В трансформаторном каскаде наклон нагрузочной прямой ВС (рис. 1, б) для переменного тока определяется сопротивлением нагрузки транзистора , равным входно­му сопротивлению трансформатора, нагруженного на сопротивление

,

где – коэффициент трансформации выходного трансформатора, равный отношечшю чисел витков обмоток; – КПД трансформатора. Прямая ВС проходит через исходную рабочую точку А, которая выбирается на нагрузочной прямой для постоянного тока. Последняя проходит вертикально, если сопротивление провода первичной обмотки = 0. В этом случае постоянное напряжение на коллекторе в рабочей точке . Ток коллектора в ней называется током покоя.

На рис. 1 нанесены также диаграммы мгновенных значений напряжения и тока коллектора при усилении гармонического колебания максимальной амплитуды. Они содержат постоянную и переменную составляющие. Транзистор работает в режиме А. Точки В и С определяют максимальные границы используемого участка нагрузочной прямой. Точка В лежит на границе с состоянием насыщения, а точка С – на границе с запертым состоянием транзистора.

Напряжение в точке В и ток в точке С являются минимальными и называются остаточными (). Так как при уменьшении ЭДС самоиндукции первичной обмотки складывается с напряжением питания , в некоторые отрезки времени оказывается .

Важным показателем каскада является КПД выходной цепи транзистора . Здесь мощность переменного тока , отдаваемая в нагрузку транзистора #„.т, пропорциональна квадрату амплитуды колебания, а мощность питания его выходной цепи не зависит от нее. Поэтому для любого каскада в режиме А

, (1)

где относительная амплитуда колебания ^.

Найдем . Мощность , причем при отсутствии искажений средний за период ток питания , а если = 0, то . Поэтому . При максимальной амплитуде мощность . Тогда

, (2)

где – максимальные коэффициенты использования напряжения и тока питания транзистора. Оба они меньше единицы из-за остаточных напряжения и тока, а поэтому < 0,5. Обычно и дополнительно уменьшают, принимая пониженную максимальную амплитуду, так как вблизи точек В и С работа транзистора сопровождается большими нелинейными искажениями.

На практике амплитуда усиливаемого колебания редко бывает максимальной. Например, для сигналов звукового вещания в среднем и . Если уровень сигнала уменьшен, например регулятором громкости, то и КПД будут еще ниже. Быстрое падение КПД (8.1) при уменьшении амплитуды обусловлено неизменным средним током питания и присуще всем каскадам в режиме А.

Мощность пропорциональна квадрату амплитуды. Поэтому . Зависимости от мощностей и потерь на коллекторе приведены на рис. 2, а. При идеальных транзисторах , и кривые и при сходятся в одной точке. Мощность достигается при , т.е. в режиме покоя, когда вся мощность питания транзистора рассеивается на коллекторе

. (3)

По этому максимально возможному значению рассчитывается радиатор транзистора.

Рис. 2

В маломощных усилителях иногда применяют однотактный оконечный каскад с так называемой динамической нагрузкой в виде токостабилизирующего двухполюсника, выполненного на транзисторе (VT 2 на рис. 2, б). Для него в пределе при идеальных транзисторах (не имеющих остаточных напряжений) 25 %, т.е. вдвое меньше, чем для трансформаторного каскада.