Энциклопедия практической электроники - Рутледж Д.
ISBN 5-94074-096-0
Скачать (прямая ссылка):
U0 2U2
P = —= -г^ (10.22)
2R 7T2R
Из этого следует, что выходная мощность обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки. Входная мощность P0 вычисляется по формуле:
Po = UccI0 (10.23)
где I0 - средний ток источника. Ток источника представляет собой выпрямленный синусоидальный ток с амплитудным значением 1р вида:
Ip = U0/R , (10.24)
что позволяет вывести соотношение:
I0=- ' (10.25)
71
Последнее выражение можно переписать, подставив в него эффективное напряжение U111 из формулы 10.21:
I0=^- (Ю-26)
[238] Ю- УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
тогда входная мощность P будет вычисляться как:
P = UJ0 (10.27)
Разделив выражение 10.27 на 10.23, можно получить формулу для расчета КПД:
Л = Р/Р0 = ит/исс (10.28)
КПД определяется как отношение эффективного напряжения источника к действительному значению напряжения источника. На практике КПД усилителей класса D сравним с КПД усилителей класса С. Основным преимуществом усилителей класса D в некоторых областях применения является прямоугольная форма напряжения, поскольку его максимальное значение невелико и в точности равно напряжению источника. Для сравнения следует отметить, что максимальное напряжение усилителя класса С в л раз превышает напряжение постоянного тока. Основная проблема при эксплуатации усилителей этого класса заключается в синхронизации работы ключей, что ограничивает их применение на низких частотах. Обычно они используются в AM передатчиках и усилителях мощности.
10.4. Усилители класса E
В усилителе мощности передатчика NorCal 4OA 40% потерь приходится на емкостной разряд, когда открывается транзистор. На рис. 10.5а видно, что напряжение падает почти до нуля, когда транзистор переходит в активный режим. Если заменить цепь с последовательным резонансом на последовательно включенную катушку индуктивности в фильтре высших гармоник (рис. 10.8а), можно добиться того, что напряжение будет постепенно снижаться почти до нуля перед переключением транзистора (рис. 10.86).
Vcc
Вакл. Вкл.
а) б)
Рис 10.8. Усилитель класса E (а) и эпюры коллекторного тока и напряжения (6). Элементы резонансной цепи подобраны таким образом, чтобы коллекторное напряжение всегда падало почти до нуля перед переключением транзистора
Такое переключение называется переключение при нулевом напряжении. Оно позволяет избежать потерь емкостного разряда. Идею такого переключения, послужившего основой для создания усилителей класса Е, выдвинул Джеральд Эвинг (Gerald Ewing) в 1964 году, а сам усилитель был продемонстрирован Натаном
10.4. УСИЛИТЕЛИ КЛАССА E І239І
и Аланом Сокалами (Natan and Alan Sokal) в 1975 году. В усилителях класса E как напряжение, так и тангенс угла наклона графика напряжения (то есть его первая производная) равны нулю в момент перехода транзистора в активное состояние. Это означает, что даже если точка переключения неправильно рассчитана по времени или переключение происходит слишком медленно, потери все равно остаются низкими. Усилители класса E имеют самый высокий КПД среди всех известных типов усилителей, его величина составляет 90%. Недостатком данного усилителя является то, что величина амплитудного значения напряжения усилителя класса E даже больше, чем у усилителей класса С.
Конечно, очень важно было поднять КПД с 75 до 90%. Такое увеличение эффективности приведет к незначительной экономии электричества, расходуемого передатчиком, н© главное достижение состоит в том, что выделяющаяся тепловая мощность усилителя, имеющего КПД 90%, в два с половиной раза ниже, чем у усилителя с КПД 70%. Если на усилитель накладывается ограничение по тепловой энергии, которую он должен рассеивать, можно рассчитать зависимость максимальной выходной мощностігот КПД. Представив выходную мощность через мощность источника, получим:
P = T]P0 (10.29)
а рассеиваемую мощность Pd можно записать в виде:
Pa = (I-Tl)Po (10-3°)
Используя эти две формулы, можно исключить входную мощность и записать следующее выражение:
P X]
Pa 1-Л
(10.31)
Из данного выражения и графика, приведенного на рис. 10.9, следует, что максимальная выходная мощность резко возрастает при увеличении КПД.
Рассмотрим следующий пример: транзистор рассчитан на мощность рассеивания 50 Вт. Максимальная мощность, которую можно получить от усилителя класса А с этим транзистором, составляет 27 Вт. При использовании усилителя класса С можно получить мощность 150 Вт, и для усилителя класса E - 480 Вт.
Интересная модель усилителя класса E была разработана студентами колледжа Колтек. Именно такой усилитель использован в качестве предусилителя передатчика NorCal 40А. Разработанный ими усилитель позволяет увеличить выходную мощность от нескольких ватт, получаемых от приемопередатчика NorCal 40А, до 500 Вт. Данная схема приведена на рис. 10.10а.
В схеме использован полевой МОП транзистор. Аббревиатура МОП обозначает структуру металл-окисел-полупроводник. На принципиальной схеме Cd задает ток. Для более высоких значений тока необходимо увеличить номинал Cd. Элементы L5 и C5 образуют последовательный резонансный контур. Его резонансная частота чуть меньше рабочей. Цепи L2 и C2 преобразуют полное сопротивление антенны от значения 50 Ом до 10 Ом, которое является более приемлемым для данного
