Рассказывая о типовых схемах включения транзисторов я ничего не упоминал о режимах работы усилителя.
Сегодня я попытаюсь рассказать вам о режимах работы усилителей мощности, которые разбиты на несколько классов — A, B, C, AB, D, E, G, H и T.
Класс A
Для усилителя мощности необходимо усиление не только по напряжению, но и усиление по току. Этому критерию лучше всего соответствует эмиттерный повторитель. Если усилить сигнал по напряжению без нелинейных искажений в общем то тривиальная задача, то усиление по току на низкоомную нагрузку в схеме включения транзистора с общей базой и с общим эмиттером сложная задача из-за высокого выходного сопротивления таких схем включения транзистора.
В схеме с общим коллектором, напротив, легко получить усиление по мощности на низкоомной нагрузке из-за низкого выходного сопротивления этого каскада.
Задавая смещение на базе эмиттерного повторителя мы устанавливаем режим работы каскада на середину линейного участка вольт-амперной характеристики транзистора. Это и есть класс А для усилительного каскада.
Главное достоинство усилителя класса А - это малые нелинейные искажения.
Недостатком работы в режиме класса А есть низкий КПД такого каскада, потому что ток покоя такого каскада равен половине максимального тока коллектор-эмиттер. И при необходимости получить большую мощность мы должны смириться с тем фактом, что половина мощности поступающей от источника питания , будет уходить на нагрев транзисторов и окружающей среды. К примеру при получении 50 ватт полезной мощности будет выделено минимум 50 ватт тепловой мощности. А КПД такого усилителя будет еще меньше 50 процентов. И для питания такого усилителя нужен блок питания более 100 ватт для одного канала усилителя.
При уменьшении входного сигнала КПД линейно падает до нуля а потребляемая мощность растет за счет сквозного тока через открытые транзисторы.
Давайте посмотрим зависимость нелинейных искажений от выходного напряжения:
Для начала посмотрим величину нелинейных искажений на входе усилителя — ноль целых ноль тысячных процентов.
А теперь на выходе при том же входном напряжении 500 милливольт — та же величина 0 процентов.
1 вольт — 0.001%
2 вольта — 0.001%
4 вольта — 0.002%
6 вольт — 0.004%
8 вольт — 0.006%
10 вольт — 0.010%
12 вольт — 0.223%
И мы получили выходную мощность усилителя при максимальных нелинейных искажениях всего в 0.223% равную 8.8 ватта . КПД при этом равняется всего 28ми процентам.
Класс В
Класс B отличается от класса A отсутствием смещения на базах. То есть транзисторы полностью закрыты и открываются только по достижении определенного порога напряжения для каждого полупериода открывая поочередно то верхний то нижний транзистор.
Достоинство такого усилителя высокий КПД, но при этом он имеет высокие нелинейные искажения, вызываемые образующейся ступенькой на синусоиде из-за зоны нечувствительности к слабым сигналам.
Двух-полярный источник питания и транзисторы усилителя образуют мост, благодаря которому, напряжение в нагрузке при отсутствии сигнала равно нулю. То есть в режиме молчания через нагрузку ток не протекает.
А теперь смотрим зависимость нелинейных искажений от амплитуды входного сигнала:
1 вольт — 30.7% нелинейных искажений и хорошо видна огромная ступенька на синусоиде.
2 вольта — 14.9%
4 вольта — 7.5%
6 вольт — 5%
8 вольт — 3.8%
10 вольт — 3%
12 вольт — 2.48%
КПД при максимальной мощности равен 75%.
Как вы видели нелинейные искажения уменьшаются с увеличением входного сигнала. Но все равно использовать такой усилитель мы можем допустить разве только в мегафоне, но не в хай-фай усилителе. Ваши уши просто завянут от воспроизведения музыки таким усилителем.
Еще можно применить такой усилитель в инверторе постоянного тока в переменный, где ступенька на синусоиде будет достоинством предотвращающим сквозные токи через транзисторы.
Класс С.
Класс C — это ключевой режим усилителя с отсечкой, когда транзистор открывается только при максимуме входного сигнала. Такой режим не приемлем для усиления низкочастотных сигналов, поэтому применяется только в высокочастотной технике в умножителях частоты либо усилителей мощности. Синусоидальную форму там восстанавливают с помощью избирательных контуров.
Класс AB.
Класс AB — компромисс между классом А и классом В.
Для уменьшения нелинейных искажений в усилителе класса В приоткрывают оба транзистора, но не столь радикально как в усилителях класса A. Это превращает усилитель в усилитель класса А для каждой полу-волны синусоиды. Но в таком режиме за счет тока, протекающего через два последовательно включенных транзистора протекает ток покоя или по другому сквозной ток, естественно падает КПД усилителя. КПД конечно выше чем у класса А но меньше, чем у класса B.
Вот схема усилителя класса AB.
Она принципиально не отличается от усилителя класса A.
Только напряжения источников смещения V3,V4 имеют меньшие значения, выводящие транзисторы в линейный режим только для своей полуволны.
Ток покоя транзисторов чуть больше 91 миллиампера.
Теперь посмотрим зависимость нелинейных искажений от входного сигнала.
1 вольт — 0.009% нелинейных искажений.
2 вольта — 0.026%
4 вольта — 0.043%
6 вольт — 0.041%
8 вольт — 0.03%
10 вольт — 0.027%
12 вольт — 0.096%
КПД на максимальной мощности 8.7 ватта получился 77% и это при очень малых нелинейных искажениях. Хотя при сравнении мы видим, что нелинейные искажения класса AB все же выше чем у класса A.
Класс D.
Усилители класса D — ШИМ усилители работающие в ключевом режиме. Когда сигналы высокой частоты порядка 400 килогерц модулируются сигналами низкой частоты по ширине, то есть длительности импульсов. Ключевой режим выходных транзисторов позволяет добиваться большой мощности усилителя. Так как максимальный ток через транзистор протекает через полностью открытый транзистор и при низком напряжении открытого транзистора большой ток не вызывает выделения большой тепловой мощности на кристалле транзистора. Декодирование ШИМ сигнала происходит простой фильтрацией LC фильтрами.
Класс G.
Усилители класса G известны сравнительно давно (Toshiba еще в 1976 году применила его в своих усилителях), но пока что получили распространение только в комплексах сверхбольшой мощности - от киловатта и больше, где они действительно хорошо конкурируют с импульсными усилителями класса D (КПД чуть хуже, но значительно меньше ВЧ помех), а у HiFi конструкторов особого энтузиазма не вызывают.
Класс G -это дальнейшее развитие усилителей класса AB. В этом случае добавляют еще два последовательных транзистора, которые при превышении определенной амплитуды входного сигналы запитывают нагрузку от источника питания с повышенным напряжением. Таким образом на малой мощности работают два транзистора в режиме класса A, а по достижению определенной амплитуды работают дополнительные транзисторы продлевающие линейную характеристику для данной нагрузки.
Мне кстати попадал в руки советский экземпляр усилителя Радиотехника с выходным каскадом класса G. Но к счастью поломка была не в выходном каскаде усилителя и с ремонтом мне удалось справиться легко.
Давайте посмотрим на усилитель класса G поближе. При входном напряжении до десяти вольт — на усиление в режиме класса A работают транзисторы Q2,Q3,Q6,Q7. Все остальные транзисторы закрыты. Усилитель при этом развивает мощность порядка 6ти ватт. Нелинейные искажения при этом равны 0.013%. И усилитель в это время питается от +-15 вольт. КПД при этом равен всего 12%. Так как мощность потребления в режиме покоя равна 52 ватта.
Но при превышении порога напряжения в 10 вольт постепенно открываются транзисторы Q1,Q4,Q5,Q8, подавая на усилитель напряжение 65 вольт. Таким образом в игру включается режим класса G.
С увеличением входного напряжения растет и напряжение на усилителе класса A.
При входном напряжении 62 вольта мы получим на нагрузке 230 ватт полезной мощности при нелинейных искажениях 0.22% .
При этом потребление мощности от источников питания суммарно достигает 321 ватт.
КПД усилителя при этом равняется
(230:329)*100=69.9%
Что приближает КПД усилителя класса G к параметрам усилителя класса D.
И теперь нелинейные искажения при разных входных напряжениях.
1 вольт — 0.000% нелинейных искажений.
2 вольта — 0.001%
4 вольта — 0.003%
6 вольт — 0.005%
8 вольт — 0.008%
10 вольт — 0.013%
12 вольт — 0.02%
20 вольт — 0.04%
40 вольт — 0.17%
60 вольт — 0.2%
Класс H
Основывается на классе B, только используется повышение напряжения на единственной паре шин питания, вместо переключения между несколькими шинами, как в классе G.
