Wzmacniacze mocy są układami elektronicznymi, w których do obciążenia dostarczana jest duża moc, przy zachowaniu dużej sprawności (czyli stosunku mocy wyjściowej łącznej do poboru mocy z sieci) i małych zniekształceniach (czyli różnorodnym zmianom sygnału w stosunku do oryginału).

Istotnym problemem we wzmacniaczach mocy jest zapewnienie odpowiedniego chłodzenia elementów. Jest to spowodowane faktem wydzielania się znacznych ilości ciepła. Wzmacniacze mocy znalazły zastosowanie m.in. w sprzęcie akustycznym.

Zastosowanie tranzystorów bipolarnych we wzmacniaczach mocy jest ograniczone maksymalnymi wartościami mocy strat, napięć i prądów (Rys. 3.6). Zakres pracy przedstawiany jest na podstawie charakterystyk wyjściowych tranzystora.

RNsRcC7xLwOjd

Ilustracja przedstawia wykres przedstawiający dopuszczalny obszar pracy tranzystora bipolarnego. Oś pozioma opisana jest jako U z indeksem dolnym ce. Linia pionowa jako I z indeksem dolnym ce. Na wykresie ujętych jest dziesięć linii. Unoszą się ku górze, po czym biegną w prawo, delikatnie po skosie w górę, jedna nad drugą. Linia wzbijająca się na najniższą wysokość opisana jest jako i z indeksem dolnym be równa się zero i kończy się na wysokości U z indeksem dolnym ce max, przerywanej linii biegnącej prostopadle do osi poziomej. Każda z linii powyżej kończy się na mniejszej wysokości względem linii U z indeksem dolnym ce. Czwarta linia od dołu opisana jest I z indeksem dolnym be trzy, siódma I z indeksem dolnym be sześć, ostatnia I z indeksem dolnym be dziewięć. Na osi pionowej zaznaczony jest punkt i z indeksem dolnym ce max biegnący w prawo na wysokość końca linii I z indeksem dolnym be dziewięć. Opada on przez końcem każdej z linii do punktu U z indeksem dolnym ce max. Powyżej linii I z indeksem dolnym be dziewięć zaznaczony jest obszar u z indeksem dolnym ce sat. Obszar przy linii I z indeksem dolnym ce, niezajęty przez linie, opisany jest jako zakres nasycenia. Od linii Iz indeksem dolnym be do wysokości I z indeksem dolnym ce max biegnie dwustronna strzałka opisana jako zakres aktywny. Strzałka ta oddziela obszar opisany jako zakres odcięcia.

Podstawowymi układami pracy wzmacniaczy mocy są:

• wzmacniacz z obciążeniem rezystancyjnym (Rys. 3.7);

• wzmacniacz z sprzężeniem transformatorowym (Rys. 3.8).

Wzmacniacz mocy z obciążeniem rezystancyjnym, włączonym w obwód kolektora, charakteryzuje się niewielką sprawnością, teoretycznie mogącą osiągnąć maksymalnie 25% (w praktyce nie przekracza 20%). Jest to spowodowane przepływem składowej stałej w obciążeniu i – w związku z tym – wydzielaniem się niepotrzebnych strat. W układzie tym największa moc wyjściowa jest ograniczona do wartości PIndeks dolny Cmax_Cmax.

RxmM3PZnfPibh

Ilustracja przedstawia dwie grafiki. Pierwsza jest schematem, druga wykresem.Schemat: Po prawej stronie schematu narysowane zostały dwa punkty, jeden pod drugim. Między nimi biegnie strzałka do punktu położonego wyżej, opisana jest jako u z indeksem dolnym jeden. Od punktu wyżej biegnie w prawo linia. Przechodzi przez punkt ce z indeksem dolnym jeden, po czym rozdwaja się. Pierwsza część biegnie w górę, przechodzi przez prostokąt er z indeksem dolnym be, następnie biegnie w prawo i rozdwaja się. Pierwsza jej cześć biegnie w prawo do punktu plus U z indeksem dolnym ce ce, druga w dół. Przechodzi ona przez prostokąt er z indeksem dolnym el, biegnie w dół jako strzałka i  z indeksem dolnymce aż do obwodu okręgu, tak skręca po skosie w lewo, łącząc się z pionową linią w okręgu. Z linii wychodzi po skosie linia biegnąca po skosie w dół do obwodu okręgu, tam załamuje się i biegnie dalej w dół do poziomo zorientowanego odcinka na dole schematu. Obszar między dwiema skośnymi liniami połączonymi z pionową kreską w okręgu opisany jest jako Te z indeksem dolnym jeden. Druga część linii biegnącej od górnego z dwóch punktów, od których zaczął się opis, biegnie prostą linią w prawo i łączy się z pionową linią zawartą z okręgu.Wykres: Pozioma oś wykresu opisana jest jako U z indeksem dolnym ce e. Znajduje się na niej punkt U z indeksem dolnym ce ce. Jest połączony linią er z indeksem dolnym el z osią pionową I ce, po drodze przechodzi przez punkt A oraz punkt nieopisany położony na wykresie. Od nieopisanego punktu poprowadzona jest linia w dół, przechodząca przez oś poziomą, oraz linia prostopadła przechodząca przez oś pionową. Od punktu A do osi poziomej poprowadzona jest w dół linia do punktu u z indeksem dolnym ce a. Dwustronna strzałka opisuje odległość między obydwoma pociągniętymi przez oś poziomą punktami – jest to U z indeksem dolnym ce em. Z punktu A biegnie linia przechodząca przez oś pionową, punkt ten jest opisany jako I z indeksem dolnym ce a. Odległość między dwiema liniami przechodzącymi przez oś pionową opisana jest jako I z indeksem dolnym ce em. Punkt A jest granicą linii przerywanej, opadającej względem osi pionowej. Przerywana linia nie wykracza za granicę odciętą linią biegnącą do punktu U z indeksem dolnym cece. Obszar ten opisany jest jako pe ce z indeksem dolnym max.

Ze względu na wady wzmacniacz z obciążeniem rezystancyjnym nie jest stosowany w układach do wzmacniania sygnałów sinusoidalnych. Może być jednak używany do sterowania elektromagnesem, zasilania elementów grzejnych.  Układ z rys.3.7 jest wykorzystaniem tranzystora bipolarnego jako klucza tranzystorowego. W układzie tym niewielki prąd bazy powoduje przepływ prądu w obwodzie kolektora o wielokrotnie większej wartości, zależnej od współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora. Oczywiście możliwość zastosowania tranzystora jest ograniczona maksymalnymi wartościami prądu kolektora, prądu bazy, napięcia kolektor‑emiter. Należy również pamiętać, że zastosowanie elementów indukcyjnych, takich jak elektromagnes, wymusza bocznikowanie cewki diodą, spolaryzowaną w kierunku zaporowym w stosunku do źródła zasilania. Brak tej diody powoduje uszkodzenie tranzystora w wyniku pojawienia się dużego napięcia na kolektorze tranzystora w chwili jego wyłączenia.

Wzmacniacz mocy ze sprzężeniem transformatorowym ma dołączone poprzez transformator obciążenie do tranzystora. Takie rozwiązanie pozwala na dwukrotne zwiększenie sprawności wzmacniacza. W układzie maksymalna moc wyjściowa ograniczona jest krzywą PIndeks dolny Cmax_Cmax. Przy braku zniekształceń prądu kolektora i pełnym wysterowaniu maksymalna sprawność osiąga wartość 50%. Ze względu na nieliniowość tranzystora i dodatkowe straty w transformatorze w rzeczywistym układzie sprawność wzmacniacza wynosi 30‑40%. Ponieważ chwilowe wartości napięć pomiędzy kolektorem a emiterem mogą osiągnąć dwukrotną wartość napięcia zasilania UIndeks dolny CC_CC, należy spełnić warunek UIndeks dolny CC_CC<UIndeks dolny CEmax_CEmax/2.

RMwqy8El35sQO

Ilustracja przedstawia schemat oraz wykres ukazujące pracę wzmacniacza ze sprzężeniem transformatorowym. Schemat: U góry znajduje się pozioma linia zakończona z obydwu stron okrągłymi punktami. Punkt po prawej stronie opisany jest jako plus u z indeksem dolnym cece. Od połowy długości linii poziomej poprowadzona jest w dół linia, przy której początku znajduje się napis en dwukropek jeden. Linia biegnie w dół, kilkukrotnie się wybrzusza, po czym biegnie dalej w dół aż do okręgu. Na wybrzuszenie skierowana jest strzałka ze wzorem: er z indeksem dolnym el równa się en kwadrat er z indeksem dolnym el. Linia przechodzi przez obwód okręgu i załamuje się do jego środka po skosie w dół do lewej strony, łącząc się z pionową linią umieszczoną w jego środku. Od linii pionowej poprowadzona jest również w dół po skosie w prawo strzałka, która po dotarciu do obwódki okręgu biegnie w dół i kończy się poziomą krótką linią. Obok obszaru między dwiema skośnymi liniami w kręgu znajduje się opis Te z indeksem dolnym jeden. Do linii pionowej, narysowanej w kole, poprowadzona jest z prawej strony pozioma linia. Na wysokości wcześniej wspomnianego wybrzuszenia znajduje się równoległa do linii kreska. Równolegle do niej po prawej stronie biegnie ściana prostokąta, kilkukrotnie wybrzuszona. Ściana równoległa do ściany wybrzuszonej przechodzi przez prostokąt er z indeksem dolnym el.

Układ wzmacniacza ze sprzężeniem transformatorowym znalazł powszechnie zastosowanie w układach akustycznych. Jednak ze względu na konieczność zapewnienia dobrej jakości w całym zakresie częstotliwości akustycznych (16 Hz‑20k Hz) wymaga się zastosowania dobrej jakości transformatora. Stosuje się odpowiednio nawinięte transformatory, wykonane z bardzo dobrych materiałów magnetycznych.

Podane powyżej wartości sprawności dla wzmacniaczy z obciążeniem rezystancyjnym i sprzężeniem transformatorowym odnosiły się do przypadku, w którym prąd kolektora płynie przez cały czas. Właściwości można poprawić, zakładając, że moc pobierana z zasilania będzie uzależniona od wysterowania wzmacniacza. W związku z tym określa się tzw. klasy pracy wzmacniacza:

• klasa A – kąt przewodzenia wynosi 360°; maksymalna sprawność nie przekracza 50%;

• klasa B – kąt przewodzenia wynosi 180°, w związku z czym należy zastosować dwa tranzystory wzmacniające sygnał przez pół okresu (układy przeciwsobne); maksymalna sprawność wynosi ok. 78%;

R1TvRW39ja3wO

Ilustracja przedstawia schemat pracy wzmacniacza tranzystorowego klasy B. Po lewej stronie schematu znajduje się okrągły punkt. Od niego biegnie w prawą stronę linia. Linia rozchodzi się na trzy części. Pierwsza biegnie w prawo, przechodząc przez czarny okrągły punkt, następnie przez biały okrągły punkt. Na wysokości białego punktu, nieco niżej od niego, znajduje się inny biały punkt. Od tego punktu do punktu położonego na poziomej linii biegnie strzałka opisana jako U z indeksem dolnym wu igrek. Linie biegnie dalej w prawo, po czym skręca w dół, przechodzi przez prostokąt nazwany er zero, biegnie w dół i kończy się poziomą linią umiejscowioną u dołu schematu. Druga odnoga linii biegnie w górę, po czym skręca w prawo i łączy się z pionową linią narysowaną w okręgu. Od pionowej linii biegnie po skosie w prawo do góry linia, skręcająca później w górę, docierająca do punktu plus u z indeksem dolnym cece. Od pionowej linii w okręgu biegnie również strzałka po skosie w dół. Strzałka skręca w dół i linią poziomą przechodzi przez czarny punkt zawarty na linii głównej, dochodzi do obwodu okręgu poniżej linii, załamuje się i linią skośną w lewo prowadzi strzałką do pionowej linii znajdującej się w okręgu dolnym. Od tej linii biegnie po skosie w dół linia załamująca się na jego obwodzie i biegnie w dół do punktu opisanego minus u z indeksem dolnym ce ce. Obszary między liniami skośnymi wychodzącymi od linii pionowych w okręgu opisane są odpowiednio jako te z indeksem dolnym jeden oraz te z indeksem dolnym dwa. Trzecia odnoga głównej linii biegnie w dół, po czym skręca w prawo, prowadząc do linii pionowej znajdującej się w okręgu umiejscowionym poniżej linii głównej.

• klasa AB – kąt przewodzenia zawiera się w przedziale 180° – 360°; jest to układ pośredni pomiędzy klasami A i B;

RMdCQdI7i81FV

Grafika przedstawia schemat pracy wzmacniacze tranzystorowego klasy AB. Na górze schematu znajduje się punkt plus u z indeksem dolnym cece. Od punktu biegnie w dół linia. Linia rozdwaja się. Pierwsza jej część biegnie w prawo, potem skręca ku dołowi. Dochodzi do obwodu okręgu, załamuje się i linią skośną w lewo prowadzi do pionowej linii znajdującej się w okręgu dolnym. Od tej linii biegnie po skosie w prawo w dół linia z zaznaczoną strzałką załamująca się na jego obwodzie i biegnąca dalej linią w dół. Rozdwaja się. Pierwsza jej część biegnie w prawo, przechodzi przez biały okrągły punkt. Do punktu od dołu biegnie strzałka wychodząca z takiego samego punktu umiejscowionego poniżej. Strzałka opisana jest jako u z indeksem dolnym wu igrek. Linia po przejściu przez biały punkt skręca w dół, przechodzi przez prostokąt er zero, biegnie dalej w dół. Zakończona jest poziomą, krótką linią. Druga część biegnie w dół, dochodzi do obwodu kolejnego okręgu, załamuje się i linią skośną w lewo prowadzi strzałką do pionowej linii znajdującej się w okręgu dolnym. Od tej linii biegnie po skosie w dół linia załamująca się na jego obwodzie i biegnie w dół aż do punktu minus u z indeksem dolnym ce ce, znajdującego się na samym dole schematu. Druga odnoga linii wychodzącej z punktu obranego jako startowy prowadzi w dół. Przechodzi przez symbol strzałki wskazującej dół ujętej w dwóch okręgach. Biegnie dalej w dół. Rozdwaja się jej pierwsza część biegnie w prawo i łączy się z pionową linią, znajdującą się w górnym okręgu. Druga odnoga biegnie w dół, przechodzi przez punkt de z indeksem dolnym jeden, po czym rozdwaja się. Pierwsza jej część biegnie w lewo do białego okrągłego punktu, do niego prowadzi od dołu, z punktu znajdującego się na tej samej linii poniżej, strzałka opisana U z indeksem dolnym wu e. Druga część linii biegnie dalej w dół i przechodzi przez punkt de z indeksem dolnym dwa. Rozdwaja się. Jej pierwsza część biegnie w prawo i łączy się z pionową linią, znajdującą się w dolnym okręgu. Druga odnoga biegnie w dół, przechodzi przez prostokąt opisany literą er, biegnie dalej w dół, po czym skręca w prawo. Łączy się z linią prowadzącą do punktu minus u z indeksem dolnym ce ce, znajdującego się na dole schematu. Obszary między dwiema skośnymi liniami w kręgach opisane są odpowiednio: Te z indeksem dolnym jeden w okręgu górnym oraz te z indeksem dolnym dwa w okręgu dolnym.

• klasa C – kąt przewodzenia jest mniejszy niż 180°; nie może być stosowana we wzmacniaczach akustycznych, ponieważ nawet w układach przeciwsobnych nie wzmacnia części sygnału i powoduje zniekształcenia (stosowane są np. w nadajnikach radiowych); praktyczna sprawność wynosi ok. 80%; odmianą jest klasa E, w której stosuje się obwody rezonansowe;

RMhzd4mxAe1bd

Ilustracja przedstawia schemat pracy wzmacniacza rezonansowego klasy E. U góry schematu znajdują się obok siebie dwa prostokąty. Pierwszy opisany jest jako ef z indeksem dolnym zero. Od jego górnego boku odchodzi linią do góry punkt plus u z indeksem dolnym ce ce. Na lewym boku znajdują się dwie poziome linie, a na ich wysokości strzałka skierowana do góry, opisana jako u z indeksem dolnym jeden. Prawy bok prostokąta ma trzy wybrzuszenia. Prawy prostokąt ma na lewej stronie trzy wybrzuszenia na tej samej wysokości. Na jego prawej ścianie znajduje się prostokąt er z indeksem dolnym jeden. Od dolnej ściany prostokąta ef z indeksem dolnym zero odchodzi linia łącząca się z górą ścianą prostokąta trzy z indeksem dolnym ef zero. Prostokąt ten ma na prawej ścianie dwie poziome linie. Na lewej trzy wybrzuszenia. Obok wybrzuszeń znajduje się strzałka wskazująca górę, opisana jako u z indeksem dolnym trzy. Z jego dolnego boku wychodzi strzałka skierowana ku dołowi, opisana jako i z indeksem dolnym ce, docierająca do okręgu. Tam linia załamuje się i biegnie do pionowej linii znajdującej się w okręgu. Od tej linii biegnie po skosie w dół linia załamująca się na jego obwodzie i biegnie w dół do poziomej krótkiej linii, będącej jej zakończeniem. Od tego zakończenia ku górze do prostokąta trzy z indeksem dolnym ef zero biegnie strzałka opisana jako u z indeksem dolnym ce be. Obszar między dwiema skośnymi liniami w kręgu opisany jest jako Te z indeksem dolnym jeden. Od pionowej linii znajdującej się w okręgu biegnie w lewo linia, która skręca ku dołowi, trzykrotnie się wybrzusza i zakończona jest krótką linią poziomą. Po jej lewej stronie znajduje się symetryczny element, po wybrzuszeniu i biegu w górę skręca w lewo, następnie w dół przechodzi przez duży okrągły symbol z falą w środku i biegnie ku dołowi, kończąc się poziomym krótkim elementem.

• klasa D – układy, w których tranzystory przełącza się pomiędzy zatkaniem a nasyceniem; wartość średnią prądu tranzystora uzyskuje się przez zmianę współczynnika wypełnienia; częstotliwość przełączania jest filtrowana przez filtr dolnoprzepustowy na wyjściu wzmacniacza; sprawność jest bliska 100%.

RmvhAHp4avkL8

Ilustracja przedstawia schemat pracy wzmacniacza tranzystorowego klasy D. Po lewej stronie schematu znajduje się zielony prostokąt opisany: generator przebiegu trójkątnego. Od jego dolnej ściany odchodzi w dół linia, na tej wysokości po lewej stronie znajduje się symbol zygzaka. Linia skręca w prawo, prowadząc do ściany pomarańczowego trójkąta na wysokości znaku plus znajdującego się w trójkącie. Od tej samej ściany nieco niżej odchodzi linia w lewo, obok niej znajduje się znak fali. Linia biegnie dalej w dół obok znaku plus, potem znaku minus, prowadząc do małego białego trójkąta, po drodze przechodząc przez różowe koło opisane jako wu z indeksem dolnym e audio. Do pomarańczowego trójkąta odchodzi w prawo linia prowadząca do niebieskiego mniejszego trójkąta. Do niebieskiego trójkąta prowadzi w prawą stronę linia. Rozdwaja się. Jedno rozgałęzienie biegnie dalej w prawo, drugie do góry następnie w prawo. Obydwie linie prowadzą do takich samych elementów dwóch linii pionowych, z których wychodzą po dwie linie prowadzące do tej samej długiej linii pionowej. Jedna z linii posiada znacznik strzałki. Przy górnej linii jest to strzałka w prawo, przy dolnej – w lewo. Na linii, do której docierają rozdwojone linie wychodzące z niebieskiego trójkąta, znajdują się cztery trójkąty: na dole trójkąt biały, wyżej na wysokości dotarcia rozdwojeń do linii trójkąty z najmniejszym kątem skierowanym ku górze i poziomą kreseczką powyżej oraz trójkąt na górze z kątem ostrym skierowanym ku górze, powyżej napis fał z indeksem dolnym de de. Między trójkącikami nieznajdującymi się na końcach jest punkt opisany wykresem gie en de. Są to dwa słupki o tej samej wysokości opisanej fał z indeksem dolnym de de, ujęte na wykresie o osi poziomej podpisanej jako te oraz osi pionowej opisanej jako fał z indeksem dolnym de w nawiasie te. Od wspomnianego punktu linia biegnie w prawo, kilkukrotnie wybrzusza się. Nad wybrzuszeniem podpis: el z indeksem dolnym ef, pod nim podpis plus fał z indeksem dolnym el minus. Linia przechodzi przez mały czarny punkt, biegnie dalej w prawo, przechodzi przez dwa wąskie prostokąty: biały oraz czarny. Koło białego znajduje się symbol plus, nad prostokątami napis Ce z indeksem dolnym ałt. Linia skręca w dół, przechodzi przez prostokąt er z indeksem dolnym el. U góry prostokąta znajduje się znaczek plus, poniżej napis fał o, u dołu prostokąta er z indeksem dolnym el znaczek minus. Linia biegnie w dół, po czym skręca w lewo. Biegnie do małego czarnego punktu, znajdującego się na wysokości czarnego punktu umieszczonego przed wąskimi prostokątami. Jedna cześć linii skręca w dół do białego trójkąta, druga biegnie w górę i po przejściu przez dwie poziome kreski, ułożone jedna pod drugą, opisane jako ce z indeksem dolnym ef, biegnie do punktu zlokalizowanego między el z indeksem dolnym ef a ce z indeksem dolnym ałt.

RUlHhuT47gKPZ

Ilustracja przedstawia dwa wykresy narysowane obok siebie. Pierwszy wykres jest opisany jako U be na linii poziomej oraz I ce na linii pionowej. Na wykresie oznaczone są trzy punkty. Klasa ce i klasa be zaznaczone na linii osi poziomej oraz klasa A, punkt umieszczony wyżej względem osi pionowej. Od punktu klasa ze, znajdującego się najbliżej osi pionowej, ciągnie się w dół strzałka opisana wu te. Jest ona środkiem symetrycznej fali opisanej na tej linii. Fala ma zasięg sięgający poza wysokość punktu klasa A. Do punktu be pociągnięta jest w dół krótsza linia, a na niej opisana symetryczna fala, wykraczająca poza wysokość punktu ce oraz punktu a. Od punktu klasa be przez punkt klasa a do góry biegnie linia. Przed punktem klasa A oraz za nim zaznaczone są dwie wysokości, od których, jak i od punktu A, biegną w dół prostopadle do osi poziomej linie. Na nich opisana jest fala. Od tych trzech punktów biegną linie w lewo, równolegle do osi iks. Wchodzą na drugi wykres. Jest to wykres z osią poziomą wu te, oraz pionową i ce. Pierwsza linia znajdująca się na wykresie startuje z linii przedłużonej od punktu klasa a, wznosi się ku punktowi powyżej punktu klasa a, po czym opada na wysokość punktu zlokalizowanego poniżej punktu klasa a, by znów się zrównać z linią prowadzoną od punktu klasa a. Długość fali opisana jest jako dwa pi. Kolejna parabola startuje z punktu zero względem osi iks, osiąga szczyt na wysokości punktu znajdującego się powyżej punktu klasa a, po czym pada do zera. Odległość między początkiem a końcem paraboli określona jest niżej jako nieco więcej niż połowa dwa pi. Następna parabola startuje z punktu zero względem osi iks, osiąga szczyt na wysokości punktu znajdującego się powyżej punktu klasa a, po czym pada do zera. Odległość między początkiem a końcem paraboli określona jest jako mniej niż połowa dwa pi, przy czym dwa pi opisane jest od punktu poprzedzającego punkt startowy paraboli.

Wróć do spisu treściDYwCnCGuzWróć do spisu treści

Powrót do materiału głównegoDerb8l5kQPowrót do materiału głównego