Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

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
Rys.3.6 Dopuszczalny obszar pracy tranzystora bipolarnego
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

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.

RxmM3PZnfPibh
Rys.3.7 Wzmacniacz z obciążeniem rezystancyjnym w obwodzie kolektora: schemat i charakterystyka robocza. A - punkt pracy oraz określające go: ICA - prąd kolektora, UCA - napięcie kolektor emiter, RL - prosta obciążenia, Ucm - zakres napięcia od minimalnego do pkt pracy, Icm - zakres prądu od pkt pracy do maksymalnego
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
UCA=UCC2
ICA=2PCmaxUCC

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. 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, należy spełnić warunek UIndeks dolny CC<UIndeks dolny CEmax/2.

RMwqy8El35sQO
Rys.3.8 Wzmacniacz ze sprzężeniem transformatorowym: schemat i charakterystyka robocza
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

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
Rys. 3. 9 Wzmacniacz tranzystorowy klasy B
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
  • klasa AB – kąt przewodzenia zawiera się w przedziale 180° – 360°; jest to układ pośredni pomiędzy klasami A i B;

RMdCQdI7i81FV
Rys. 3. 10 Wzmacniacz tranzystorowy klasy AB
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
  • 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
Rys. 3. 11 Wzmacniacz rezonansowy klasy E
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
  • 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
Rys. 3. 12 Wzmacniacz tranzystorowy klasy D
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
RUlHhuT47gKPZ
Rys.3.13 Położenie spoczynkowego punktu pracy wzmacniacza klasy A, B, C
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Wróć do spisu treściDYwCnCGuzWróć do spisu treści

Powrót do materiału głównegoDerb8l5kQPowrót do materiału głównego