Юрий Ревич: Занимательная электроника

Действующее значение напряжения на нагрузке равно, как следует из формулы (2),

Uн = U a/√2 (в общем случае Uа =/ U пит), отсюда мощность в нагрузке будет равна:

где R — сопротивление нагрузки.

Мгновенное значение напряжения на транзисторе можно определить как «остаток» от того, что выделяется на нагрузке (затемненная область на рис. П3.2), т. е. u т= U пит— u н(t). (Маленькими буквами мы здесь обозначаем мгновенные значения.)

Ток через транзистор тот же самый, что и через нагрузку, и его величина будет равна i н= u н(t)/ R. Тогда мгновенная мощность на транзисторе выразится формулой:

Средняя же мощность в одном плече определится следующей формулой (обратите внимание, что хотя мы считаем для одного плеча, осреднение происходит по полному значению периода 2 π , просто в течение второго полупериода плечо не работает):

Для синусоидального напряжения подставим а также выражение для (см. ранее), и получим:

Суммарная мощность, потребляемая от источника, будет равна сумме мощностей на обоих транзисторах и нагрузке, а КПД выразится формулой (величина сопротивления нагрузки R в числителе и знаменателе сокращается):

Учтем, что в данном случае U пит = U а, и окончательно получим, что теоретический КПД для усилителя класса В составляет π /4 = 0,785 = 78,5 %. Практически же КПД будет существенно меньше по целому ряду причин. Первая причина — мы производили расчет для максимального значения сигнала, а в реальности, как и для класса А, сигналы достигают этой величины только изредка. На рис. ПЗ.З приведены графики распределения мощностей и изменения КПД в зависимости от амплитуды сигнала.

Рис. ПЗ.З.Распределение мощностей и величина КПД в зависимости от относительной амплитуды выходного сигнала в усилителях класса В:

1— мощность на каждом из транзисторов; 2— мощность в нагрузке; 3— суммарная мощность, потребляемая от источника; 4— КПД

Интересно, что в отсутствие сигнала КПД, как и для класса А, равен нулю, но есть одно существенное различие — сама мощность, потребляемая от источника питания, при этом также равна нулю.

Кроме этого, есть и другие причины снижения КПД. Прежде всего, переходная характеристика, как и для класса А, не является прямой линией — практически это выражается, в частности, и в том, что напряжение на выходе будет ограничиваться величинами, меньшими, чем напряжение питания. Напряжение на выходе будет всегда ниже входного по крайней мере на величину падения база-эмиттер. Все это само по себе уменьшит незатемненную область на графике и увеличит затемненную.

Главное же, что в чистом виде класс В для усиления аналоговых сигналов не используют — из-за больших искажений типа «ступенька» (см. главу 8 ). Поэтому практически классы В и А объединяют, создавая некоторый начальный ток смещения комплементарной пары, — такой режим усилителя известен, как класс АВ, и большинство аналоговых схем построено по этому принципу (в главе 8 мы обеспечивали режим АВ с помощью цепочки диодов).

Все это касается случая, когда выходной каскад составлен из биполярных транзисторов. Применение комплементарных полевых транзисторов может существенно снизить искажения, однако там появится новая напасть — в момент равенства сигнала нулю оба транзистора пары будут приоткрыты (эффект «сквозного тока» — явление, аналогичное происходящему при переключении в КМОП-микросхемах), и это равносильно принудительному смещению биполярных транзисторов. В результате КПД «хороших» усилителей класса АВ составляет от силы 60 %, а часто еще меньше (именно поэтому в главе 8 при расчете радиаторов я задавался величиной мощности на выходных транзисторах, равной мощности в нагрузке).