Занимательная электроника

В классе А на коллекторе транзистора устанавливается ровно половина питания. Если считать переходную характеристику каскада строго линейной (сплошная линия на рис. П3.1), то амплитуда выходного сигнала может достигать напряжения питания. Для оценки КПД в этом идеализированном случае обратим внимание, что незатемненная область на графике выходного напряжения соответствует мгновенным (в каждый момент времени) значениям напряжения на нагрузке, а затемненная — напряжениям на выходном транзисторе. Как мы видим из графика, эти области строго равны друг другу по площади, поэтому соответствующие интегралы (1) и действующие значения напряжения на нагрузке и на транзисторе будут равны, так что КПД будет равен ровно 50 % — половина затрачиваемой мощности выделяется на нагрузке, половина — на транзисторе. В реальности же переходная характеристика имеет S-образный вид (пунктир на рис. П3.1), поэтому во избежание искажений приходится ограничивать амплитуду сигнала, так что в действительности КПД может быть значительно меньше, да и реальный сигнал никогда не достигает максимальных амплитудных значений.

Другим крупнейшим недостатком класса А является то, что в отсутствие входного сигнала через транзистор течет большой ток (причем легко показать, что именно в отсутствие сигнала мощность, выделяющаяся на транзисторе, будет максимальной, и в этом случае КПД фактически равен нулю). Вместе с тем, режим класса А позволяет без лишних проблем получить неискаженный сигнал, усиленный как по току, так и по напряжению, и потому широко используется в маломощных каскадах, где КПД не имеет существенного значения. Например, в этом режиме работает «раскачивающий» каскад на транзисторе VT3 в УМЗЧ из главы 8.

Режим усилителя класса В фактически используется только в двухтактных схемах эмиттерных повторителей, подобных показанной на рис. 8.2. На рис. П3.2 изображены соответствующие графики для одной (положительной) половины такого каскада (для второй половины все — в случае идеального согласования характеристик выходных транзисторов — строго симметрично).

Рис. П3.2.Режим работы усилителя класса В

Как мы видим, выходное напряжение представляет собой половину синусоиды, и в отсутствие входного сигнала ток через транзистор(ы) равен нулю. Примем, как и ранее для класса А, что переходная характеристика строго линейна, и попробуем оценить теоретический КПД.

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

U_н= U_a/√2 (в общем случае U_а=/ 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 2π, 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.