Усилитель мощности принцип работы

Усилитель мощности принцип работы

Знание, работа, программирование, учеба, наука, бизнес, заработок, математика, язык, Microsoft Office, информатика, компьютер, интернет

Усилитель мощности и принцип его действия

Усилителем мощности (УМ) называют усилитель, который обеспечи-вает заданную мощность в нагрузке, сопротивление которой, как правило, мало. Обычно в таких усилителях амплитуды выходного тока и напряжения близки к предельно допустимым значениям для используемого транзистора, а выходная мощность соизмерима с предельно допустимой мощностью, рас-сеиваемой прибором, и сравнима с мощностью, потребляемой от источника питания.
Важнейшими показателями, характеризующими УМ, являются: КПД, мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент нелинейных искажений вы-ходного сигнала.
В УМ для согласования большого выходного сопротивления с низко-омным сопротивлением нагрузки необходимо применение трансформатора с малыми потерями. Однако с появлением мощных транзисторов с низкоом-ным выходным сопротивлением стало возможным построение схем, рабо-тающих на нагрузку величиной нескольких Ом без использования трансфор-маторов. В настоящее время бестрансформаторные усилители мощности по-лучили широкое распространение.
Усилитель мощности обычно состоит из нескольких каскадов: входно-го, предоконечного и оконечного. Технические параметры усилителя во мно-гом определяются оконечным каскадом, так как он является основным по-требителем энергии источника питания. Оконечный каскад обычно реализу-ют по двухтактной схеме, при этом для сильных управляющих сигналов име-ет место режим В, а для слабых– режим А, что позволяет уменьшить нели-нейные искажения слабых сигналов. Выходной каскад служит для усиления мощности и его коэффициент усиления по напряжению близок к 1. входной и предоконечный каскады работают в режиме большого усиления по току или напряжению.
Существует множество различных схем бестрансформаторных усили-телей мощности, но все они имеют вышеперечисленные составные части. Конструкция схемы входного каскада зависит от требуемого усиления и ко-эффициента нелинейных искажений. При большой требуемой выходной мощности транзисторы оконечного каскада заменяются на составные. Пре-доконечный каскад обычно остаётся неизменным.

Принцип действия усилителя мощности.

В качестве предоконечных каскадов широко используются операцон-ные усилители в интегральном исполнении. Возбуждающий сигнал на вы-ходной каскад поступает с выхода операционного усилителя D. Весь усили-тель с помощью делителя R2R3 охвачен отрицательной обратной связью, бла-годаря которой схема настолько линейна, что не требует дополнительных цепей смещения для транзисторов оконечного каскада. Так как коэффициент усиления по напряжению оконечного каскада по схеме ОК составляет при-мерно единицу, то усиление всего устройства KU=1+R3/R2.
Когда на входе выходного каскада появляется переменный сигнал, при положительной полуволне открывается транзистор типа n-p-n, пропуская в нагрузку ток, а состояние транзистора типа p-n-p не изменяется. При поступ-лении на вход отрицательной полуволны сигнала, наоборот, работает транзи-стор типа p-n-p. Таким образом, в нагрузке проходит переменный ток в тече-ние одного периода. Постоянный ток в случае, если транзисторы имеют идентичные параметры и сигналы одинаковы по амплитуде, через нагрузку Rн не проходит. Поскольку оба транзистора в схеме включены по отношению к нагрузке как эмиттерные повторители, согласование выходного сопротив-ления усилителя с сопротивлением нагрузки (обычно низкоомной) обычно упрощается и КПД схемы может оказаться достаточно высоким.
Транзисторы включены по схеме ОК. Это обеспечивает небольшое вы-ходное сопротивление Rвых , что облегчает согласование усилителя с низко-омным нагрузочным резистором, характерным для УМ. Входное сопротив-ление усилителя повышенно, что упрощает согласование с маломощным вы-сокоомным источником входного сигнала. Поскольку выходное напряжение каскада ОК почти равно входному, усиление мощности в таком усилителе достигается за счёт усиления тока.
Для симметрии плеч усилительного каскада разнотипные транзисторы должны иметь строго одинаковые параметры. Поэтому следует пользоваться одной парой транзисторов, имеющих одинаковые параметры и называемых комплементарными.
Блок питания (БП) предназначен для преобразования переменного на-пряжения сети Uс=36 %, В в двухполярное стабилизированное напряже-ние Eк=20 В.
БП состоит из мостового выпрямителя со средней точкой, двух LC–фильтров и двух компенсационных стабилизаторов напряжения (КСН) непрерывного действия.
Средняя точка вторичной обмотки трансформатора (Т) выведена и со-единена с общей точкой схемы.
Однофазные двухполупериодные выпрямители дают напряжение Ud с коэффициентом пульсации q=0.67.
Питать таким напряжением многие потребители, особенно содержащие электронные блоки, нельзя.
Поэтому источники вторичного электропитания (ИВЭ) снабжаются сглаживающими фильтрами (СФ).
Требования, предъявляемые к фильтру:
1) Максимальное ослабление переменной составляющей напряжения.
2) Минимальное ослабление постоянной составляющей напряжения.
3) Броски токов и напряжений, обусловленные СФ в переходных ре-жимах при включении и выключении сети или нагрузки не должны превышать допустимых значений.
Работа LC–фильтра
LC–фильтры применяются в ИВЭ средней мощности, когда сопротивление нагрузки Rн существенно, а требуемый коэффициент сглаживания S>20. При 1LФ>>RН II 1/1CФ переменная составляющая тока Id будет вызывать падение напряжения в основном на индуктивности LФ, а не на нагрузке Rн.

Усилительные устройства предназначены для усиления переменных сигналов и, в частности, синусоидальных сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Читайте также:  Цемент 500 как сделать раствор

Наличие одного только усилительного элемента (биполярного или полевого транзистора) без других элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.) не может обеспечить усиление переменного сигнала. Связано это с тем обстоятельством, что усилительный элемент требует определенной полярности на всех электродах, т.е. он может преобразовывать сигналы только пульсирующие (одной полярности). Следовательно, усилительное устройство должно содержать элементы, позволяющие преобразовывать переменные сигналы на входе усилительного устройства в пульсирующие сигналы на электродах усилительного элемента. Такими элементами являются источник питания (с постоянной ЭДС EК и резисторы RК и Rб), задающие определенные постоянные потенциалы на электродах усилительного элемента, т.е. режим работы по постоянному току, так называемую рабочую точку на ВАХ транзистора. Переменный электрический сигнал, подаваемый на вход, складывается с постоянной составляющей от источника питания и вызывает изменение потенциалов необходимой полярности на всех электродах усилительного элемента. В результате на выходе также будет получен усиленный переменный сигнал.

Рис. 2.4. Схема включения биполярного транзистора

Для обеспечения динамического режима работы усилительного элемента последовательно с ним в цепь постоянного источника включается

нагрузочный резистор RК. При этом в соответствии со 2-м законом Кирхгофа изменение напряжения на этом резисторе будет иметь такой же характер как и на усилительном элементе, но только противоположной полярности. Включение источника питания Ек и нагрузочного резистора Rк к биполярному транзистору показано на рис. 2.4.

Значения постоянных напряжений Uкэо и Uбэо и тока Iбо транзистора в режиме покоя определяются с помощью, приведенных на рис.2.5, статических переходных характеристик.

Рис. 2.5 Характеристика Uкэ = f(Uбэ)

Следует отметить, что поскольку параметры транзисторов сильно зависят от температуры, положение рабочей точки (Р.Т.) может сильно колебаться при изменениях температуры. Поэтому в реальных схемах усилителей должна быть предусмотрена температурная стабилизация положения рабочей точки.

2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером

(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)

Рис.2.6. Схема усилительного каскада с коллекторной нагрузкой

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с коллекторной нагрузкой. Транзистор в этом усилительном каскаде соединен по схеме с общим эмиттером, поэтому этот каскад часто называют усилительным каскадом с общим эмиттером (УОЭ), нагрузочный резистор RК включен в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания с ЭДС ЕК по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис.2.6 полярность источника питания соответствует транзистору типа n-p-n.

Усилитель (рис.2.6) включает в себя все элементы структурной схемы (рис.2.1): основными элементами усилителя являются источник питания ЕК, усилительный элемент в виде n-p-n транзистора Т и коллекторное сопротивление RК; входную цепь с источником сигнала ЕГ и выходную – с нагрузочным устройством RH. Резисторы Rб () иRК задают режим работы усилительного элемента Т по постоянному току. Разделительные конденсаторы С1 и С2 исключают протекание постоянного тока от ЕГ и RH к транзистору, тем самым обеспечивают независимый режим работы по постоянному току усилительного элемента и защищают транзистор от перегрузок в случаях аварийной работы ЕГ и RH.

Принцип работы УОЭ (рис.2.6).

Пусть входной сигнал отсутствует uвх=0. Через элементы усилителя протекает постоянный ток: Iбо — ток покоя базовой цепи транзистора, Iко-ток покоя коллекторной цепи транзистора, вызывающий между электродами транзистора падение напряжения покоя Uбэои Uкэо. Важно правильно

Рис.2.7. Временная диаграмма изменений токов и напряжений в усилительном каскаде

обеспечить режим работы усилителя по постоянному току, т.е. Р.Т. (Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо), так чтоб усилитель функционировал на линейном участке амплитудной характеристики. Это обеспечивается выбором Rк и Rб. На практике Rк выбирают равным (1÷10) кОм. Rб согласно закона Кирхгофа можно определить .

Номинальные значения Iбо, Iко, Uкэо, Uбэовыбирают по входным и выходным характеристикам транзисторов, которые приводятся в справочниках, или по переходным характеристикам (рис.2.5).

В соответствии с зависимостью Uкэ=f(Uбэ) на рис.2.5 напряжение Uкэ начинает уменьшаться(точка B / ) при увеличении напряжения Uбэ, с того значения, когда начинает расти ток Iб (Iб=f(Uбэ)). Объясняется это тем, что увеличение Iб вызывает рост тока Iк через транзистор. Следовательно, увеличивается напряжение на резисторе Rк по закону Ома и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа уменьшается напряжение на коллекторе транзистора Uкэ:

(участок BA характеристики рис. 2.5). Этот линейный участок является рабочим и определяет интервал колебаний переменных напряжений на входе и выходе усилителя относительно постоянных значений Uкэо и Uбэо. Таким образом, эти значения Uбэ0 и Uкэ0 лежат в середине линейного участка, они обозначены Р.Т., т.е. это рабочая точка усилителя. По статической характеристике Iб=f(Uбэ) определяется ток покоя базы Iбо, ему соответствует ток покоя коллектора Iк0=Iбо. Совокупность значений Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо транзистора задаёт режим покоя. Накладывая на указанные постоянные составляющие переменные составляющие от входного сигнала в пределах участка AB, получим колебания напряжений на электродах транзистора, соответствующие линейному режиму.

Читайте также:  Как распилить бревно вдоль бензопилой видео

Работа усилительного каскада может быть пояснена с помощью рис.2.7. Пусть напряжение на входе усилителя возрастает на величину Uвх, это приведет к увеличению напряжения Uбэ, входного базового тока Iб и тока коллектора транзистора . Сопротивление коллектор-эмиттерного перехода транзистора падает и, согласно закона Ома, уменьшается напряжениеUкэ=Uвых. Сказанное можно записать с помощью условной диаграммы: (где знак— величина возрастает,— величина уменьшается). Если входное напряжение будет изменяться по синусоидальному закону, то выходное напряжение также имеет синусоидальную форму(это хорошо иллюстрирует временная диаграмма работы усилителя (рис.2.7)). Следует заметить, что усилитель меняет фазу сигнала на 180 0 (см. рис. 2.7), это означает, что УОЭ является инвертирующим.

Благодаря тому, что ток коллектора во много раз превышает ток базы (=20÷200), а сопротивление Rк больше Rвх, выходное напряжение усилительного каскада с коллекторной нагрузкой получается во много раз больше входного напряжения, а коэффициент усиления по напряжению УОЭ составляет Кu = 10  100.

Для температурной стабилизации усилительного каскада, т.е. фиксации положения рабочей точки на линейном участке характеристики, в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором Сэ (рис.2.6). Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению токов транзистора Iбо и Iко () и изменению положения РТ (рис.2.5). Режим работы по постоянному току входной цепи УОЭ(рис.2.6) определяется по 2-му закону Кирхгофа, поэтому увеличениеIэ0, согласно этому уравнению, приводит к уменьшению Uбэо, т.к. первое слагаемое уравнения постоянно и не зависит от Т о С. Уменьшение Uбэо закрывает транзистор Т и уменьшает Iбо до прежней величины. Сказанное отражается с помощью условной диаграммы:

ΔT o C↑→ Iбо ↑→ Iко ≈ Iэо ↑→ Uбэо ↓→ Uбо

Однако включение резистора Rэ уменьшает Кu усилителя, т. к. часть полезного (усиливаемого сигнала) uвх выделяется на нем и не усиливается транзистором (уравнение для входной цепи усилителя по переменному току запишется uбэ=uвх-Rэiэ). Чтобы этого избежать резистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ, емкость которого выбирается таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого переменного сигнала его сопротивление было много меньше RЭ, тогда переменная составляющего тока эмиттера проходит через конденсатор СЭ, почти не вызывая падения напряжения на резисторе RЭ. В результате падение напряжения на резисторе RЭ от постоянной составляющей тока практически не меняется, а, следовательно, переменное напряжение на входе каскада оказывается равным переменному напряжению между базой и эмиттером uвхuбэ, т.е. усиливаемое напряжение не меняется за счет цепочки RэСэ (стабильно при изменении температуры).

Приведенная схема усилительного каскада хорошо стабилизирована в диапазоне температур от –60C до +60C, при этом значение сопротивления RЭ выбирают наименьшим по величине (обычно Rэ(10100) Ом), чтобы обеспечить минимальные энергетические потери.

Входное сопротивление Rвх=h11=n·100Ом (n=1,2…); выходное сопротивление Rвых ≃Rк = (1-10) кОм: коэффициент усиления по напряжению Кu ≃  Rк/ Rвх  10-200; .

Анализ работы усилительного каскада проводится по статическим входным и выходным характеристикам транзистора графоаналитическим методом. Для коллекторной цепи усилительного каскада (рис.2.6) в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

На выходных статических характеристиках биполярного транзистора строится линия нагрузки, т.е. вольтамперная характеристика коллекторного резистора Rк, получаемая из предыдущего выражения (рис. 2.8а).

Эту прямую строят по двум точкам, в которых она пересекает оси:

ось абсцисс в точке Uк = Ек при Iк = 0,

Наклон линии нагрузки определяется резистором Rк, а именно:

где  — угол наклона линии нагрузки к оси абсцисс, mi и mu – масштабные коэффициенты для тока и напряжения. Значения токов iк, iб, напряжений на коллекторе uк и на резисторе uRк определяются точкой пересечения линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой, причем эта точка при пульсациях входного напряжения перемещается вдоль линии нагрузки.

В режиме покоя (Uвх = 0) положение рабочей точки выбирается в середине рабочей области характеристик, ограниченной гиперболой PQ допустимой мощности, рассеиваемой транзистором, а также максимально допустимыми током Iк МАХ и напряжением транзистора Uкэ max (рис. 2.8а).

Читайте также:  Размеры акриловых ванн длина

Рис. 2.8 . Определение рабочего режима усилителя с помощью входных (а)

и выходных (б) статических характеристик транзистора

Такое положение рабочей точки В на линии нагрузки, когда отрезки АВ и ВС равны, обусловлено стремлением получить высокую степень линейности режима усиления при минимальном потреблении мощности каскадом в режиме покоя. Снизу участок линейного усиления на линии нагрузки ограничен минимально допустимым током коллектора (точка С), соответствующий ему минимальный ток базы (точка С / на рис. 2.8б) определяется началом линейного участка входной характеристики. Все входные характеристики транзистора располагаются достаточно близко, поэтому в качестве динамической входной характеристики используется положение средней при Uкэ  0 (например, при Uкэ = 5 В). Точка А на линии нагрузки соответствует уменьшению коэффициента передачи по току  транзистора при больших величинах тока Iк (т.е. нарушению линейности).

Точке А на выходных характеристиках соответствует точка А / на входных характеристиках транзистора, определяющая максимальный ток базы. Точка B / (рабочая точка РТ) соответствует значению тока покоя базы Iбо.

По положению рабочей точки определяются параметры режима покоя (Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо), а рабочий участок характеристик (АС и А / С / ) позволяет определить амплитуды переменных составляющих токов базы iб, коллектора iк, напряжений uбэ=uвх и uкэ=uвых, и вычислить коэффициенты усиления каскада.

Описанный режим работы усилителя соответствует классу А. В зависимости от положения рабочей точки покоя на динамической характеристике различают режимы работы транзистора в схеме – классы А, В, АВ и С.

При работе в режиме класса А рабочая точка покоя выбирается посередине. Этот режим обеспечивает минимальные нелинейные искажения, но к.п.д. каскада мал (не превышает 50%).

С целью повышения к.п.д. усилителя используются классы усиления В, АВ и С, однако в этих классах велики нелинейные искажения сигнала.

В классе В напряжение смещения Uбэо равно нулю и точка покоя располагается в нижнем конце линии нагрузки.

Класс АВ – промежуточный между классами А и В.

В классе С точка покоя выбирается в области отсечки и при отсутствии входного сигнала транзистор заперт.

В НИТУ «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило заданный алгоритм, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы.

Работы по созданию квантового компьютера в рамках проекта Фонда перспективных исследований ведутся в НИТУ «МИСиС» с 2016 года под руководством Валерия Рязанова, главного научного сотрудника Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов университета. Конструкция предполагает использование в качестве основы для кубитов сверхпроводящих материалов.

Оглавление
Принцип работы усилителя на биполярных транзисторах
Усилители с общей базой и общим коллектором

Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.

В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор RK, а используя резистор Rб, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение UБЭ, а сопротивление резистора Rб, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
Rб =(GK-UБЭ)/IБ.
Так как UБЭ обычно составляет не более 0,2. 0,3В для германиевых транзисторов и 0,6. 0,8 В — для кремниевых, а напряжение GK измеряется единицами или даже десятками вольт, то UБЭ

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи

Ссылка на основную публикацию
Удаление накипи лимонной кислотой в стиральной машине
Многочисленная реклама пугает: если не защищать стиральную машину-автомат от накипи, она быстро выйдет из строя. Для профилактики поломок производители предлагают...
Три четверти это какой диаметр
Важным параметром цилиндрической трубы является её диаметр. Эта величина для водопроводных и газопроводных труб измеряется не в миллиметрах или сантиметрах,...
Трикотажное вязание крючком корзинка для начинающих
Корзинка из трикотажной пряжи — вещь в доме особо полезная. Она может быть большая для грязного белья или детских игрушек,...
Удалить жир с кафельной плитки
Кафель или керамическую плитку не зря выбирают для кухни – в помещении, где регулярно разлетаются жирные брызги, эти материалы незаменимы....
Adblock detector