Энергетические характеристики двухтактного каскада

Выясним, как зависят от амплитуды различные мощности и КПД выходной цепи транзисторов при синусоидальной форме усиливаемого колебания.

В режиме А все мощности проще записывать для одного плеча (общие для двух плеч они будут вдвое больше). В частности, выходная мощность, отдаваемая одним транзистором,

(9)

Ток питания (рис.2,в), а значит, и мощность питания не зависят от амплитуды колебания. Мощность питания одного плеча

(10)

 

Тогда КЦД коллекторной цепи транзисторов в режиме А

и - коэффициенты использования напряжения и тока питания транзистора. Заметим, что этот КПД учитывает потери мощности лишь в транзисторах.

Если пренебречь остаточным напряжением на транзисторах (U_ост на рис.5,а), то и совпадает с понятием относительной амплитуды . Тогда КПД

(12)

Он не превышает 50% и с понижением амплитуды быстро падает (по квадратичному закону).

Графики зависимости КПД и мощностей по формулам (9) - (И) по­строены на рис.6, где мощность потерь на коллекторах

Рис.6

 

имеет максимум при U_mк, т.е. в режиме покоя. В этом случае выходная мощность каскада равна нулю и вся мощность, потребляемая от источника питания, тратится на нагрев транзисторов. Поэтому состояние покоя является самым тяжелым тепловым режимом транзисторов. В режиме.А энергетические показатели двухтактного каскада такие же, что и однотактного.

В режиме В КПД определяется по общей формуле: . В каждой полупериод нагрузка транзисторов представлена сопротивлением одного (работающего) плеча и через нее протекает полуволна синусоидального тока о амплитудой . Поэтому выходная мощность каскада

Среднее значение тока питания каскада (рис.3,д) вычисляется путем деления площади под кривой тока за период на длину периода. Но благодаря повторяемости отрезков кривой усреднение достаточно провести только для четверти периода (рис.7,а).

 

Рис.7

Площадь запишем через определенный интеграл, а для упрощения его вычисления вместо текущего времени t используем текущую фазу . Тогда из рис.7,а среднее значение суммарного тока питания двух плеч

Мощность питания каскада, средняя за период,

(12)

 

а КПД выходной цепи транзисторов

(13)

где коэффициент использования напряжения питания. В режиме В КПД пропорционален амплитуде усиливаемого колебания. Его максимальное значение равно π/4 или 78,5%. Выигрыш в КПД по сравнению с режимом А при максимальной амплитуде составляет примерно 1,5 раза. При малых амплитудах выигрыш намного больше. Например, при радиовещательных сигналах их амплитуда в среднем составляет лишь 30% от максимальной и выигрыш по КПД в режиме В из сравнения выражений (11) и (13) получается более 5 раз. Повышенный КПД и отсутствие тока покоя обеспечивают экономичность питания и делают целесообразным применение двухтактных каскадов в режиме в (на практике - близком к В) даже в маломощных усилителях с питани­ем от батарей.

На рис.7,б по формулам для и (в них ) построены графики зависимости мощностей от и от . Мощность потерь на коллекторах , в отличие от режима А здесь имеет максимум при некотором промежуточном значении амплитуды. Можно показать, что соответствующее значение ,а величина максимума

Где - максимальная выходная мощность идеальных транзисторов (не имеющих остаточных напряжений).

 

Контрольные вопросы

1. Выведите формулы ШЩ двухтактного каскада в режимах А и В. Постройте графики зависимости КЦД от

2. Постройте для режимов А и В зависимости мощностей , и от амплитуда колебания. Объясните ход кривых при помощи простейших формул и предельных значений КПД