Выходные каскады мощности на транзисторах. Каскады усиления мощности (УМ). Классификация выходных каскадов

Выходной каскад предназначен для отдачи заданной мощности в нагрузку, сопротивление которой тоже задано. Так как мощность поступает от источника питания усилителя через выходной каскад, его КПД должен быть высоким, иначе устройство будет неэкономичным, а габаритные размеры (поверхность охлаждения) раздутыми для отвода выделяющейся в каскаде теплоты. Если у входных каскадов нелинейность транзистора не оказывает влияния ввиду малости усиливаемых сигналов, то у выходных каскадов диапазон изменения сигнала большой, и нелинейность транзистора необходимо учитывать. С этой целью строят так называемую передаточную характеристику. Передаточная характеристика – это зависимость выходного тока каскада (тока коллектора или эмиттера) от входного напряжения. В ней учитываются нелинейность входной и выходной характеристик транзистора и изменения напряжения, падающего на самом транзисторе в зависимости от выходного тока.

На семействе статических выходных характеристик транзистора (рис. 2.9, а) по точкам Е к и E к/R н, отложенным на осях координат, проводят нагрузочную прямую. Точки пересечения этой прямой с характеристиками, соответствующими разным токам базы I Б1, ..., I шБi, ..., I Бn, определят ряд значений коллекторного тока I К1, ..., I K1, ..., I Kn. На входной характеристике транзистора (рис. 2.9, о) находят ряд значений напряжения UБЭ1,..., UБЭi, ..., UБЭn, которые необходимо подать для получения соответствующих базовых токов. Наконец, по парам значений I Ki и UБЭi строят передаточную характеристику каскада, которая связывает выходной параметр – ток на выходе каскада – с входным – напряжением сигнала на входе.

Рис. 2.9. Построение передаточной характеристики (в) по выходной (а) и входной (б) характеристикам

Возможны различные варианты выбора рабочего участка этой характеристики. Рассмотрим их подробнее.

Режим А – это режим, при котором исходная рабочая точка р (когда входной сигнал равен нулю) располагается примерно на середине линейного участка характеристики (рис. 2.10). В этом режиме в состоянии покоя через транзистор течет сравнительно большой постоянный ток I Кp, а амплитуда переменной составляющей тока I Кmах меньше или равна этому току. При этом форма выходного сигнала повторяет форму входного и нелинейные искажения минимальны. По КПД каскада составляет лишь 20–30%, потому что полезная мощность определяется только переменной составляющей выходного тока, а потребляемая каскадом мощность – суммой переменной I Кmах и постоянной I Кр составляющих выходного тока.

Рис. 2.10. Режим А работы усилительного каскада

Рис. 2.11.

а – режим В; б – режим AВ

Режим В – это режим, при котором исходная рабочая точка совпадает с началом координат, т.е. в состоянии покоя выходной ток равен нулю (рис. 2.11, а).

При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода и имеет форму импульсов. КПД каскада в этом режиме достигает 60–70%, так как постоянная составляющая I к коллекторного тока (определяемая по заштрихованной площади как среднее за период значение тока) значительно меньше, чем в режиме А. Однако форма усиливаемого сигнала слишком искажена.

Режим АВ (рис. 2.11, б) занимает промежуточное положение. Такой режим позволяет уменьшить нелинейные искажения при применении двухтактных выходных каскадов.

Однотактные и двухтактные выходные каскады

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. В однотактных каскадах только один мощный усилительный транзистор, который работает как в положительный полупериод синусоиды, так и в отрицательный. В двухтактных каскадах – два мощных транзистора, которые работают по очереди.

Однотактный каскад

Схема однотактного выходного каскада аналогична схеме, изображенной на рис. 2.4. Нагрузка включается вместо резистора R K, а разделительный конденсатор С р2 отсутствует. Однотактный каскад, работающий в режиме А, обеспечивает наименьшие нелинейные искажения, но обладает рядом недостатков: низким КПД; невозможностью применения в режимах В и АВ из-за больших нелинейных искажений в этих режимах. Из-за этих недостатков однотактные каскады применяют только при относительно небольших мощностях нагрузки.

Двухтактный каскад

Он позволяет избавиться от недостатков, присущих однотактному каскаду. Такие каскады выполняют на транзисторах, включенных по схемам с общим эмиттером или общим коллектором.

Рис. 2.12.

Обычно в предварительных каскадах усилителей обеспечивается необходимое усиление входного сигнала по напряжению, а в выходном каскаде происходит усиление по току, мощности и обеспечивается низкое выходное сопротивление. В этом случае часто в качестве выходного каскада используют двухтактный эмиттерный повторитель (рис. 2.12). Входной сигнал проходит через разделительные конденсаторы и поступает на базы транзисторов VT1 и VT2. Эти транзисторы разных типов проводимости, т.е. VT1 – типа р-п-р, a VT2 – типа п-р-п. Транзистор VT1 управляется положительным напряжением, a VT2 – отрицательным. Положительный полупериод синусоиды входного сигнала усиливается транзистором VT1. В это время транзистор VT2 закрыт и ток в нагрузку течет по цепи "корпус – R н – эмиттер VT1 – коллектор VT1--Е к". В отрицательный полупериод транзисторы меняются ролями и работает транзистор VT2, a VT1 закрыт. Ток в нагрузке течет по цепи "+Е К – коллектор VT2 – эмиттер VT2 – R H – корпус".

Чтобы обеспечить положение рабочей точки транзисторов, необходимо установить в состоянии покоя напряжения смещения на базах транзисторов. Для этого используются цепочки "резистор RБ1 – диод VD1" для транзистора VT1 и "резистор R m – диод VD2" для транзистора VT2. Протекающий в них ток обеспечивает необходимое напряжение смещения на база–эмиттерных переходах транзисторов.

Как видно, схему двухтактного эмиттерного повторителя можно разделить на две симметричные части – верхнюю и нижнюю, которые называются плечами каскада. Транзисторы в данном каскаде работают в режиме АВ. Хотя каждое плечо дает большое искажение синусоидального сигнала (только в одном полупериоде), вместе они формируют результирующий ток, имеющий синусоидальную форму. Режим АВ в двухтактном эмиттерном повторителе обеспечивает низкие нелинейные искажения и высокий КПД – около 70%. Недостатком двухтактных каскадов является то, что параметры мощных транзисторов, используемых в разных плечах, должны иметь близкие характеристики.

Выбираем структурную схему усилителя мощности. Она представлена на рисунке 2. Входной каскад выполнен на транзисторе VT1 , включенный с общим эмиттером. Резистор R4 является нагрузкой первого каскада усиления. С него усиленный сигнал поступает на базу транзистора VT2 , являющимся промежуточным каскадом усиления. Выходной каскад собран на биполярных транзисторах VT7 …VT10 по схеме Дарлингтона. Таким образом, усилитель мощности является трёхкаскадным. Составим примерную схему будущего усилителя мощности:

Рисунок 2 - Ориентировочная схема УМЗЧ

Максимальное напряжение на выходе и максимальный выходной ток рассчитываются по выходной мощности PL = 5 Вт. и сопротивлению нагрузки RL = 4 Ом.

Выходной каскад

Традиционно работу и расчёт усилителя мощности начинают рассматривать с выходного каскада, так как от схемы выходного каскада существенно зависят многие параметры УМЗЧ такие как: энергетические показатели, нелинейные искажения, надёжность и т.д. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, включённых по схеме Дарлингтона. В этом каскаде нагрузка подключается к коллекторам выходных транзисторов. Выходной каскад УМЗЧ представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Выходной каскад УМЗЧ

Необходимое напряжение питание EП усилителя мощности найдём, исходя из формулы мощности:

Из получившейся пропорции находим:

При найдём EП ;

Выберем напряжение питания немного больше, учитывая погрешности при расчете и потери мощности питания на входном и промежуточном каскадах. Примем

Выходной каскад служит усилителем тока и в общем виде может рассматриваться как преобразователь импедансов, согласующий низкоомный выход каскада с нагрузочным сопротивлением.

Мощность выходных каскадов лежит обычно в пределах от 50мВт. до 100Вт. И более, поэтому при расчете усилителей всегда следует учитывать рассеиваемую транзисторами мощность.

Напряжение пробоя выходных транзисторов VT 8 и VT 10 должно быть:

Максимальная мощность рассеяния транзисторов VT 8 и VT 10 при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе равно:

Ток короткого замыкания выходных транзисторов равен:

Таким образом, при известных значениях параметров по справочным данным выбираем комплементарную пару выходных транзисторов: VT 8 - КТ 816В, VT 10 - КТ 817В.

По максимальному выходному току Imax и минимальному усилению по току B0 = 25, выбранного типа транзисторов VT 8 и VT 10, рассчитываем ток коллектора транзисторов VT 7 и VT 9:

Такому коллекторному току соответствует маломощный кремниевый транзистор КТ 3102Б - структуры n-p-n и маломощный кремниевый транзистор КТ 3107Б - структуры p-n-p .

В качестве транзистора VT 2 (транзистора промежуточного каскада) можно использовать практически любой маломощный низкочастотный транзистор. Следует только обратить внимание на предельное напряжение коллектор-эмиттер, которое не должно быть меньше, чем. Такому напряжению соответствует транзистор типа КТ 3107Б у которого максимальное напряжение коллектор-эмиттер равняется 45В.

Перейдём к рассмотрению и расчёту защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Из-за малого выходного сопротивления усилитель мощности легко может быть перегружен по току нагрузки и выведен из строя за счёт перегрева выходных транзисторов. Конструктивные меры повышения надёжности, такие как выбор транзисторов с большим запасом по мощности рассеяния, увеличение площади теплоотводящей поверхности, приводят к удорожанию конструкции и ухудшению её массогабаритных показателей. Поэтому целесообразно использовать схемотехнические способы повышения надёжности, вводя в усилитель мощности цепи защиты от токовых перегрузок и коротких замыканий выхода.

Рассмотрим принцип действия защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Схема защиты состоит из транзисторов VT 5 и VT 6 и резисторов R 10…R 13. Схема защиты представлена на рисунке 4. Работает цепь защиты следующим образом.

При достаточно малом токе нагрузки транзистор VT 5 заперт, так как падение напряжения на резисторе R 11 недостаточно для его открывания, и цепь защиты практически не оказывает влияния на работу усилителя мощности. При увеличении тока нагрузки растёт падение напряжения на резисторе R 11 (для положительной полуволны; для отрицательной полуволны выходного напряжения будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R 12). При достижении напряжения падающего на резисторе R 11, порога UБЭ ПОР открывания транзистора VT 5 он отпирается, забирая на себя часть тока источника, тем самым стабилизируя максимальный ток нагрузки. Номиналы резисторов R11 и R12 рассчитаем по формуле:

Резисторы R 11 и R 13 имеют малое сопротивление (100…150 Ом) и служат для ограничения тока базы транзисторов VT 11 VT 13. Резисторы R 11 и R 13 практически не влияют на работу цепи защиты.

Рисунок 4 - Схема защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода.

Далее перейдем к рассмотрению схемы температурной стабильности тока покоя выходного каскада УМЗЧ. Существует достаточно много различных схемотехнических приёмов обеспечения температурной стабильности тока покоя выходных транзисторов. Все они в конечном счете требуют создания теплового контакта элементов стабилизирующей цепи либо с корпусом транзисторов, либо с теплоотводящей поверхностью. Еще один пример построения выходного каскада усилителя мощности с температурной стабилизацией тока покоя выходных транзисторов приведен на рисунке 4. Преимущество данного способа заключается в том, что на теплоотводящую поверхность помещается только один термочувствительный элемент - транзистор VT 4. Условие, из которого выбирают номиналы резисторов R 6 и R 8:

В общем случае отношение должно быть численно на единицу меньше количества p-n переходов в контуре. Резистор R 8 выполняется переменным для обеспечения установки требуемого тока покоя транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Выберем номиналы сопротивлений R 6 и R 8, учитывая, что их отношение должно быть примерно равняться трём, так в выходном каскаде стоят четыре транзистора (т.е. имеется четыре p-n перехода). Возьмём сопротивление R 6 равным 1000 Ом, тогда R 8 будет равным:

Для расчёта резистора R7, воспользуемся выражением:

рассчитаем R 7.

В главе 3 были рассмотрены принципы построения схем усилителей мощности, работающих в режимах А, В или АВ. Показано, что наиболее благоприятным режимом для выходных каскадов усиления мощности является режим класса АВ. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности на однотипных биполярных транзисторах, работающего в режиме класса АВ, приведена на рис. 4.26. Небольшое смещение напряжения , подается на базы транзисторов с помощью резисторов .

Вместо резистора можно использовать прямосмещенный диод, создающий на базе транзистора напряжение смещения Для обеспечения режима класса АВ.

Диод осуществляет также термокомпенсацию рабочей точки покоя, так как при изменении температуры напряжение на эмиттерном переходе транзисторов и падение напряжения на открытом диоде меняются в одну и ту же сторону. Для получения большего эффекта термостабилизации диод и транзисторы следует подбирать.

Расчет выходной мощности, КПД и нелинейных искажений в каскаде усиления мощности класса АВ можно производить с статочной степенью точности по формулам (3.14), (3.16), (3.19), выведенным для режима класса В в § 3.2.

Трансформаторы, используемые в рассмотренных схемах, не позволяют снизить габариты и вес усилителей мощности, ухудшают их амплитудно-частотную характеристику. Изготовление трансформаторов требует больших затрат ручного труда, дефицитных материалов, и как элементы схемы трансформаторы имеют низкую надежность. Поэтому в настоящее время широко распространены бестрансформаторные двухтактные усилители мощности, построенные на паре транзисторов разного типа электропроводности (рис. 4.27, а).

Схема состоит из двух однотактных эмиттерных повторителей (плеч), работающих попеременно, в течение одного полупериода входного сигнала. Питание плеч осуществляется раздельно, от двух разнополярных источников постоянного напряжения , объединенных общей шиной, которая обычно заземляется. Благодаря разному типу электропроводности транзисторов каскад не требует парафазных входных напряжений.

Отрицательная обратная связь позволяет уменьшить нелинейные искажения, а также влияние асимметрии плеч. Однако в схемах с использованием эмиттерных повторителей выходное напряжение не может превышать входное, т. е. происходит по существу лишь усиление тока. Каскад (рис. 4.27, а) работает следующим образом.

В отсутствие входного сигнала точка имеет нулевой потенциал. На базе каждого транзисторов за счет делителя создается постоянное напряжение смещения , равное падению напряжения на соответствующем диоде и обеспечивающее работу каскада в режиме класса АВ.

Если пренебречь током смещения базы транзистора и положить через каждый диод протекает ток

При положительной полуволне входного напряжения с амплитудой диоды остаются открытыми. Напряжение поступает на базы транзисторов. При этом транзистор запирается, а ток базы транзистора увеличивается на величину

Ток через диод становится равным

где - ток через резистор R при положительном напряжении .

Ток станет равным нулю, т. е. диод закроется, при максимальном значении , которое можно определить из формулы (4.84), положив в ней . После преобразований получим

Таким образом, для расширения динамического диапазона входного сигнала необходимо уменьшать сопротивление резистора R в цепи смещения. Однако при уменьшении R шунтируется входное сопротивление эмиттерного повторителя, составляющего плечо каскада.

При отрицательной полуволне входного напряжения запирается транзистор и увеличивается ток транзистора .

Процессы преобразования входного сигнала в каскаде усиления мощности для положительной и отрицательной полуволн протекают в принципе одинаково. Поэтому формулы (4.83) и (4.84) Для обеих полуволн входного сигнала идентичны и отличаются лишь индексами, соответствующими открытому транзистору.

Графический расчет бестрансформаторного каскада производится по выходным характеристикам транзисторов и не отличается от графического расчета каскада с использованием . При этом роль сопротивления в бестрансформаторном каскаде играет сопротивление .

Для определения входного сопротивления, входной мощности и нелинейных искажений бестрансформаторного каскада следует пользоваться динамическими входными характеристиками, при построении которых по оси абсцисс следует откладывать не напряжение , а напряжение .

Наличие двух источников питания в схеме рис. 4.27, а может вызвать определенные неудобства при пользовании схемой. Для замены двух источников питания одним последовательно с нагрузкой включают разделительный конденсатор достаточно большой емкости (рис. ). По постоянному току транзисторы схемы включены последовательно. Поэтому при идентичных параметрах транзисторов постоянное напряжение на раздельном конденсаторе составляет и является «источником питания» для транзистора .

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора равно .

Для исключения искажений выходного сигнала за счет конденсатора необходимо, чтобы напряжение оставалось постоянным в течение отрицательного полупериода (транзистор открыт) входного синусоидального сигнала с частотой, соответствующей низшей частоте полосы пропускания. Тогда изменение напряжения на нагрузке будет определяться изменением напряжения на эмиттере открытого транзистора .

Емкость конденсатора выбирают, пользуясь соотношением

где - выходное сопротивление эмиттерного повторителя одного из плеч усилителя.

Методика расчета каскада не отличается от методики расчета рассмотренных каскадов усиления мощности, т. е. производится с использованием статических характеристик транзистора одного плеча. При этом следует учесть, что рабочая точка покоя соответствует уровню напряжения питания транзистора одного плеча .

Недостатком бестрансформаторных каскадов, приведенных на рис. 4.27, является большое различие параметров у разных типов электропроводностей. Для устранения этого недостатка промышленностью выпускаются «пары» транзисторов с одинаковыми параметрами, но разным типом электропроводности, так называемые комплементарные транзисторы, ассорти мент которых соответствует различным уровням выходной мощ ности усилителя, например .

Чтобы увеличить нагрузочную мощность усилителей мощности, выполненных на основе эмиттерных повторителей, используют составные транзисторы. Принципиальная схема такого усилителя мощности приведена на рис. 4.28. В схеме (рис. 4.28) вместо резисторов R, определяющих ток диодов смещения применяют источники постоянного тока I, позволяющие расширить динамический диапазон входного сигнала.

Действительно, заменяя в формуле на и приравнивая , получим

Кроме того, источники постоянного тока, обладая высоким внутренним сопротивлением, не шунтируют высокое входное сопротивление эмиттерных повторителей на составных транзисторах , что также является существенным преимуществом источника тока перед обычными резисторами .

В качестве источника постоянного тока можно использовать транзистор, включенный по схеме с общей базой, входная цепь которого обеспечивает постоянство тока эмиттера, т. е. . Тогда при различных изменениях коллекторного напряжения рабочая точка будет перемещаться только по одной ветви семейства выходных характеристик (рис. 4.29) и ток коллектора останется практически постоянным.

Точнее, изменение коллекторного тока при изменении коллекторного напряжения транзистора и постоянном токе эмиттера определяется значением дифференциального сопротивления коллекторного перехода

которое в схеме ОБ велико и составляет несколько (сравните с в схеме ОЭ).

В схеме рис. 4.30 источники постоянного тока выполнены на транзисторах . Через каждый из транзисторов протекает ток

где - падение напряжения на резисторе или напряжение стабилизации стабилитрона , которое, очевидно, должно превышать напряжение на эмиттерном переходе транзистора .

Кроме стабилитронов в цепях смещения транзистора можно использовать светодиод с красным свечением, падение напряжения на котором в открытом состоянии составляет 1,8 В, или два последовательно включенных выпрямительных диода.

Ток эмиттера транзистора выбирается из условия

где - амплитуда базового тока транзистора .

Ток в делителе выбирается равным коллекторному току транзистора . Тогда сопротивления находятся из формулы

Задачей выходных каскадов является обеспечение заданной мощности в нагрузке. Коэффициент усиления напряжения является для выходных каскадов второстепенным параметром; -для них наиболее важными являются коэффициент полезного действия и коэффициент нелинейных искажений при обеспечении заданной мощности.

Выходные каскады обычно потребляют основную часть мощности усилителя, поэтому высокий КПД имеет существенное значение. Это особенно важно для интегральных схем, в которых мощность, рассеиваемая кристаллом, ограничена. Что касается коэффициента нелинейных искажений, то для выходных каскадов он имеет немаловажное значение, поскольку в таких каскадах усиливаемые сигналы максимальны.

Коэффициент полезного действия определяется как отношение выходной мощности каскада к мощности, отбираемой от источника питания Ucc: КПД=и„1„,/2и„1,р, где U„, !„ - амплитуды выходного тока и напряжения; Icp - среднее значение потребляемого каскадом тока.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует отличие формы выходного сигнала от формы входного, что обусловлено нелинейностью передаточной характеристики каскада. Нелинейные искажения характеризуются появлением в выходном сигнале новых гармоник, отсутствующих во входном сигнале. Характеристикой нелинейных искажений является отношение суммарной мощности высших гармоник, начиная со второй, к мощности первой гармоники (на частоте входного сигнала).

Допустимое значение коэффициента нелинейных искажений определяется конкретными требованиями к той или иной аппаратуре. Например, при воспроизведении звука в аппаратуре среднего качества допускаются искажения 2...3%, в измерительных устройствах и усилителях высокого класса его значения существенно меньше.

Как отмечалось выше, имеется несколько типов режимов работы выходных каскадов.

Класс А характеризуется минимальными нелинейными искажениями и малым КПД. Класс В характеризуется тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе квазилинейного участка, которая соответствует запертому состоянию транзистора. Очевидно, что в этом случае усиливаются только положительные полуволны входного сигнала. Поэтому выходное напряжение оказывается существенно несинусоидальным, т.е. содержит большое число гармоник. Анализ показывает, что коэффициент нелинейных искажений в классе В независимо от амплитуды сигнала составляет около 70%, что в большинстве случаях неприемлемо. Режим класса В реализуется в так называемой двухтактной схеме, состоящей по существу из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой - отрицательную. В нагрузке эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду.

На рис. 7.13, а показана наиболее простая двухтактная схема класса В, выполненная на коплементарных транзисторах (транзисторах разной проводимости). Нагрузка Rn включена в эмиттерную цепь транзисторов, работающих в режиме повторителей напряжения. В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны нулю. Во время положительной полуволны входного сигнала Ui открывается транзистор VT1, а во время отрицательной полуволны - транзистор VT2. Коэффициент усиления мощности близок к отношению эмиттерного и базового токов, т.е. равен В+1.

При очевидной простоте схемы на рис. 7.13, а ей свойственны сравнительно большие нелинейные искажения, что связано с наличием так называемой "пятки" на входной ВАХ биполярных транзисторов. Очевидно, что такие искажения будут особенно существенны при малых входных сигналах с амплитудой, сравнимой с напряжением база-эмиттер в рабочей точке. Для устранения этого недостатка используют раздельные схемы подачи смещения на базы транзисторов (рис. 7.13, б), что обеспечивает режим класса АВ.

При построении выходного каскада на однотипных транзисторах используется схема на рис. 7.13, в. В ней транзистор VT2 открыт в течение обоих полупериодов. В режиме покоя ток транзистора выбирается так, чтобы потенциал коллектора VT2 был равен нулю. При этом диод VD и транзистор VT1 заперты; ток в нагрузке отсутствует. Во время положительной полуволны входного сигнала потенциал коллектора VT2 уменьшается, при этом открывается диод VD и через нагрузку начинает протекать ток. Транзистор VT1 остается закрытым, так как прямое напряжение Е на диоде создает на эмиттерном переходе обратное смещение. Во время отрицательной полуволны потенциал коллектора VT2 повышается, отпирается транзистор VT1 и через нагрузку протекает ток, обусловленный транзистором VT1. При этом диод заперт, так как прямое напряжение Е на эмиттерном переходе создает на диоде обратное смещение.

Для того чтобы открылся диод VD (при положительной полуволне) или транзистор VT1 (при отрицательной полуволне), потенциал коллектора VT2 должен измениться на величину ±Е (напряжение база-эмиттер в статическом режиме) по сравнению с потенциалом покоя. Следовательно, минимальная амплитуда входного сигнала, на которую реагирует рассматриваемый каскад, составляет Е/К, где К - коэффициент усиления каскада на транзисторе VT2. Для исследования каскада на рис. 7.13, в используется схема на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Схема для исследования выходного каскада

Рис. 7.15. Выходной двухтактный каскад с однополярным питанием

Возможны и другие схемы выполнения выходных каскадов, в том числе и с однополярным питанием. Одна из них приведена на рис. 7.15. Ее особенностью является то, что конденсатор Ск, включенный последовательно с нагрузкой Rn, после его зарядки до напряжения Е, равного напряжению на эмиттерах транзисторов в статическом режиме, работает в течение одного из полупериодов как источник питания.

В мощных выходных каскадах на базе эмиттерных повторителей короткое замыкание на выходе, как правило, приводит к выходу транзисторов из строя из-за превышения коллекторным током допустимого значения. Для защиты от коротких замыканий в эмиттерные цепи мощных выходных транзисторов включают небольшие ограничивающие ток сопротивления (несколько ом) или вводят дополнительные транзисторы, которые открываются только при больших токах нагрузки и, шунтируя входную цепь, ограничивают выходной ток на безопасном уровне. Одна из возможных схем защиты с помощью дополнительных транзисторов показана на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Выходной каскад с защитой от коротких замыканий

Схема защиты работает следующим образом. При коротком замыкании в нагрузке ток через сопротивление Ro увеличивается и создает падение напряжения, открывающее в соответствующие полупериоды транзисторы VT5, VT6. Оказываясь в режиме насыщения, они шунтируют входную цепь мощного усилительного каскада. В итоге входное напряжение ограничивается сопротивлением Ri и токи транзисторов VT3, VT4 не превышают значений, при которых они работают в номинальном режиме. Подобная защита имеет высокое быстродействие и обеспечивает надежную работу мощных усилительных каскадов. При ее введении обязательно наличие дополнительного резистора Ri, сопротивление которого выбирается, исходя из минимально допустимого значения сопротивления нагрузки предварительного усилителя, к которому подключается выходной каскад.

Контрольное задание

1. Путем подбора сопротивления RI в схеме на рис. 7.14 установите зафиксированный приборами статический режим при R2=Rn=100 Ом. Определите коэффициент усиления каскада и максимальный входной сигнал, при котором он передается на выход без искажений (определяется визуально).

2. Составьте схему исследования выходного каскада (рис. 7.15) и проведите ее моделирование.

Что такое выходной транзистор ? Выходными, или оконечными, транзисторами называют транзисторы, входящие в конструкцию выходных (последних) каскадов в каскадных усилителях (имеющих минимум два или три каскада) частоты. Кроме выходных имеются ещё и предварительные каскады, это все, некоторые расположены до выходного.

Каскад — это транзистор укомплектованный резистором, конденсатором и иными элементами, обеспечивающими его работу в качестве усилителя. Всё имеющееся в усилителе количество предварительных каскадов должно обеспечивать увеличение напряжения частоты таким образом, чтобы полученное значение было пригодно для функционирования выходного транзистора. В свою очередь сам выходной транзистор повышает мощность частотных колебаний до значения, обеспечивающего работу динамической головки.

При сборке максимально простых транзисторных усилителей выходной транзистор берётся такой же маломощный, как и на предварительных каскадах. Многие находят это весьма уместным с точки зрения эргономичности прибора. Показания выходной мощности у подобного усилителя невелики: от 10-20 мВт до полутора сотен.

В ситуациях, когда проблема экономии не стоит так остро, то в конструкции выходного каскада используется транзистор с более высокими мощностными показаниями.

Качественность работы усилителя определяют несколько параметров, но максимально точное представление можно получить по: данным о выходной мощности (Р вых), чувствительности и частотной характеристике.

Измерить ток покоя выходного транзистора

Током покоя называют коллекторный ток, который проходит по транзисторам выходных каскадов при условии, что сигнал отсутствует. В условно-идеальных (невозможных на самом деле) условиях значение такого тока должно находиться на нулевой отметке. На деле это не совсем так, собственная температура и характерные различия разнотипных транзисторов влияют на данный показатель. В наихудшем случае возможен перегрев, который станет причиной теплового пробоя транзистора.

Кроме того, существует ещё один показатель — напряжение покоя. Он демонстрирует значение напряжения соединительной точки транзисторов. Если питание у каскада двухполярное, то напряжение будет равно нулю, а если однополярное, тогда напряжение составляет 1/2 питающего напряжения.

Оба эти показателя должны быть стабилизированы и для этого в качестве первоочередной меры следует озаботиться о контроле температурного режима.

На роль стабилизатора обычно берётся дополнительный транзистор, которые в качестве балласта подсоединяется к базовым цепям (наиболее часто он при этом оказывается прямо на радиаторе, максимально близко к выходным транзисторам).

Чтобы выявить, каков ток покоя выходных транзисторов или каскадов, необходимо при помощи мультиметра измерить данные по падению напряжения для его эммитерных резисторов (значения обычно выражаются в милливольтах), а потом, опираясь на закон Ома и данные по реальному сопротивлению, можно будет вычислить нужный показатель: значение падения напряжения разделить на значение реального сопротивления — значения тока покоя для данного выходного транзистора.

Все замеры необходимо производить весьма осторожно, иначе придётся производить замену транзистора .

Есть ещё один способ, гораздо менее травмоопасный. Взамен предохранителей потребуется установить сопротивление в 100 Ом и минимальную мощность в 0,5 Ватт для каждого канала. При отсутствии предохранителей сопротивление подсоединяется к разрыву питания. После осуществляется подача питания усилителю, производятся замеры показаний по падению напряжения на приведённом выше уровне сопротивления. Дальнейшая математика до крайности проста: падению напряжения в 1 В соответствует ток покоя величиной в 10мА. Аналогичным образом при 3,5 В получится 35 мА и так далее.

Классификация выходных каскадов

Есть несколько методов сборки выходного каскада:

Из транзисторов, имеющих различную проводимость. Для этих целей чаще всего используют «комплементарные» (близкие по параметрам) транзисторы.
Из транзисторов, имеющих одинаковую проводимость.
Из транзисторов составного типа.
Из полевых транзисторов.

Работа усилителя, сконструированного, при помощи комплементарных транзисторов, отличается простотой: положительная сигнальная полуволна запускает работу одного транзистора, а отрицательная — другого. Необходимо, чтобы плечи (транзисторы) работали в одинаковых режимах и для реализации этого используется базовое смещение.

Если усилитель использует в работе одинаковые транзисторы, то никаких принципиальных отличий от первого варианта это не имеет. За исключением того факта, что для подобных транзисторов сигнал отличаться не должен.

При работе с остальными разновидностями усилителей необходимо помнить, что отрицательное напряжение для p-n-p транзисторов, и положительное — для n-p-n транзисторов.

Обычно звание усилителя мощности принадлежит именно оконечному каскаду, поскольку он работает с самыми большими величинами, хотя с технической точки зрения так можно называть и предварительные каскады. К числу основных показателей усилителя можно отнести: полезную, отдаваемую в нагрузку мощность, КПД, полосу усиливаемых частот, коэффициент нелинейных искажений. На эти показатели весьма сильно влияет выходная характеристика транзистора. При создании усилителя напряжения может быть использована однотактная и двутактная схемы. В первом случае режим работы усилителя линейный (класс А). Данная ситуация характеризуется тем, что протекание тока по транзистору длится до тех пор пока не окончится период входного сигнала.

Однотактный усилитель отличается высокими показателями по линейности. Однако эти качества могут искажаться при намагничивании сердечника. Для предотвращения подобной ситуации необходимо озаботиться наличием цепи трансформатора с высоким уровнем индуктивности для первичной цепи. Это отразится на размерах трансформатора. К тому же, ввиду принципа его работы, он обладает достаточно низким КПД.

В сравнении с ним данные по двутактному усилителю (класс B) куда выше. Данный режим позволяет искажать форму транзисторного тока на выходе. Это увеличивает результат отношения переменного и постоянного токов, снижая вместе с тем уровень потребляемой мощности, это и считается самым главным плюсом применения двутактных усилителей. Их работа обеспечивается подачей двух равных по значению, но фазно противоположных напряжений. Если отсутствует трансформатор со средней точкой, то можно воспользоваться фазоинверсным каскадом, который снимет противоположные по фазе напряжения с соответственных резисторов цепей коллектора и эмиттера.

Существует двухтактная схема, не включающая в себя выходной трансформатор. Для этого потребуются разнотипные транзисторы, работающие как эмиттерные повторители. Если оказывать воздействие двуполярным входным сигналом, то будет происходить поочерёдное открытие транзисторов, и расхождение токов по противоположным направлениям.

Замена транзисторов

Поскольку УНЧ (усилители низких частот) становятся всё популярнее, то совершенно не лишним будет узнать, что делать, если такой прибор выйдет из строя.

В случае, если греется выходной транзистор, то велика вероятность, что он сломался или перегорел. В такой ситуации необходимо:

Удостовериться в целостности всех прочих диодов и транзисторов, входящих в усилитель;
Когда будет производиться ремонт очень желательно подсоединять усилитель к сети через лампочку в 40-100 В, это поможет сберечь оставшиеся целыми транзисторы при любых обстоятельствах;
В первую очередь перемыкается участок эмиттер-база и транзисторы, потом осуществляется первичная диагностика УНЧ (любые изменения и реакции легко регистрируются при помощи свечения лампы);
Основным показателем рабочего состояния и адекватной настройки транзистора можно считать данные по напряжению для участка база-эмиттер.
Выявлять данные по напряжению межу корпусом и отдельными участками схемы — занятие практически бесполезное, никаких сведений о возможной поломке оно не даёт.

Даже наиболее упрощённый вариант проверки (до и после того как замена выходных транзисторов была произведена) обязательно должен включать в себя несколько пунктов:

К базе и эмиттеру выходного транзистора подать минимальное напряжение, чтобы установился ток покоя;
Проверить результативность своих действий по звуку или при помощи осциллографа («ступенька» и искажения сигнала при мощностном минимуме должны отсутствовать);
При помощи осциллографа выявить симметрию по ограничениям на резисторы при максимальной мощности работы усилителя.
Удостовериться, что «паспортная» и действительная мощности усилителя совпадают.
Обязательно требуется проверить рабочее состояние токоограничительных цепей, при наличии таковых на оконечном каскаде. Здесь не обойтись без регулируемого нагрузочного резистора.

Первое включение после того как ремонтные работы были произведены:

Нежелательно сразу же устанавливать выходные транзисторы, для начала прибор задействуется только с предварительным каскадом (каскадами), и лишь после этого подсоединять оконечный. В ситуациях, когда осуществить включение без выходного транзистора технически невозможно, следует заменить резисторы на имеющие номинальное значение в 5-10 Ом. Это исключит вероятность перегорания транзистора.
Перед тем как осуществлять каждое повторное включение усилителя потребуется разрядка электролитических конденсаторов питания УНЧ.
Проконтролировать данные по току покоя в условиях низкой и высокой температуры радиатора. Разница при соотношении должна быть не более двух раз. В противном случае придётся заняться термостабилизатором УНЧ.