Главная / Миуфиоткс / Общие сведения. Простейшая схема усилителя в режиме d с шим

Общие сведения. Простейшая схема усилителя в режиме d с шим

Оконечные каскады усиления мощности в режимах А и В (АВ) имеют максимальный КПД 50 и 78,54% соответственно. Но у реальных усиливаемых колебаний амплитуда редко бывает равна максимальной. Например, радиовещательный звуковой сигнал можно считать квазигармоническим, средняя амплитуда которого около 30% максимальной. В этом случае и КПД усилителя даже в режиме В составляет лишь 24%. Обычно усилитель используется не на полную мощность. Так, регулятор громкости усилителей звуковой частоты (самый массовый тип усилителей) чаще всего устанавливают на малый уровень. При этом КПД пропорционально снижается. Низок КПД мощных усилителей постоянного тока, применяемых, например, в устройствах автоматики и различных регуляторах.

Повышение КПД усилителей обеспечивает экономию энергии источника питания и уменьшает мощность потерь в транзисторах. Оба эти преимущества взаимно обусловливают друг друга, но ценным является каждое из них. Отсюда, в частности, вытекает повышение надежности, уменьшение общих размеров и материалоемкости усилителя и источника питания.

Для всего усилителя КПД в основном определяется его оконечным каскадом как главным потребителем энергии питания. Основными принципами построения оконечных каскадов с повышенным КПД в настоящее время являются применение ключевого и аналого-дискретного режимов работы транзисторов.

В ключевых усилителях транзисторы работают в режиме D, т. е. в качестве ключей. Режим D или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью отпирающие и запирающие транзистор. Последний используется в качестве выключателя или ключа. Он всегда находится в одном из двух крайних состояний: «полностью открытом» или «полностью закрытом». В первом из них падение напряжения между выходными электродами транзистора близко к нулю, а во втором — его ток близок к нулю. Поэтому потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы. Переброс из одного состояния в другое осуществляется мгновенно. Режим D позволяет получать в усилителях очень высокий КПД. Он используется также в каскадах цифровых устройств.

Применение ключевого режима для усиления непрерывных сигналов основано на усреднении (сглаживании) в нагрузке импульсов тока транзистора, следующих друг за другом. Чтобы среднее за период повторения импульсов значение тока нагрузки было пропорционально мгновенному значению усиливаемого колебания, последовательность однополярных входных импульсов, отпирающих транзистор, должна быть заранее подвергнута так называемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). У такой модулированной последовательности ширина (длительность) импульсов изменялся от импульса к импульсу так, что их коэффициент заполнения пропорционален мгновенному значению усиливаемого колебания. Таким образом, на вход транзистора здесь подается не усиливаемое колебание, а последовательность широтно-модулированных импульсов.

На рис. 1а приведена простейшая схема оконечного каскада, работающего в режиме D, для однополярных сигналов. Она используется либо для усиления мощности постоянного напряжения, например в устройствах автоматики, либо в качестве одного плеча двухтактного усилителя, в котором положительные и отрицательные полуволны выходного колебания формируются в нагрузке каждая своим плечом. Последний режим называется режимом BD (В символизирует поочередность работы плеч, a D — ключевой режим транзисторов). Здесь в течение половины периода усиливаемого напряжения И На базу транзистора подается последовательность широтно-модулированных импульсов напряжения Uб (рис. 1,6). Период повторения импульсов постоянен, а их ширина меняется. Она пропорциональна мгновенному значению напряжения И. Устройство формирования импульсов на схеме не показано.

рисбезимени-1 copy.bmp

Рис. 1.

Каждый импульс входного напряжения Uб Полностью открывает транзистор, в результате чего практически все напряжение питания Ее Оказывается приложенным к последовательно соединенным дросселю L И нагрузке транзистора Rн. т и вызывает экспоненциальное нарастание тока дросселя Il. В паузах между импульсами транзистор заперт. Но ток дросселя не может прекращаться мгновенно: он продолжает протекать через дроссель L и нагрузку Rн. т в прежнем направлении, замыкаясь через диод VD. Последний поэтому называется замыкающим диодом.

В течение каждого импульса ток дросселя нарастает, и в нем накапливается энергия. Во время паузы дроссель частично возвращает ее благодаря наличию диода. Поэтому диод VD Иногда называют рекуперативным (от лат. Recuperatio — возвращение), а дроссель L — накопительным. В течение каждой паузы ток Il, Протекающий под действием энергии магнитного поля дросселя, уменьшается. В итоге Il Изменяется по пилообразному закону (рис.1,6), но его значение, среднее за период следования импульсов, повторяет по форме полуволну усиливаемого колебания. Конденсатор Сф является фильтрующим. Он ослабляет пульсации напряжения на нагрузке, имеющие частоту следования импульсов. Чем больше частота их следования, тем точнее будет воспроизведена форма колебания.

Накопительный дроссель и замыкающий диод не только сглаживают ток iL. Именно благодаря им удается реализовать ключевой режим работы транзистора. Каждый раз при его открывании напряжение на дросселе скачком увеличивается. Во время импульса дроссель берет на себя все излишки напряжения питания, в результате чего напряжение на транзисторе оказывается очень малым, равным остаточному. Если бы не было замыкающего диода, то после каждого запирания транзистора ток дросселя под действием ЭДС самоиндукции протекал бы через сопротивление утечки запертого транзистора, расходуя на нем энергию дросселя. При этом транзистор мог быть перегружен по напряжению и пробит. Таким образом, без накопительной индуктивности L И замыкающего диода VD Ключевой режим транзистора реализовать невозможно (если Сф0).