Усилители класс B: классификация УМ звуковой частоты


Усилители класс-01

Усилители класс B по сути определяются правилом построения и работы оконечного и предварительного трактов усилителя. Здесь, в статье, речь пойдет в частности о классе B, используемого два или более транзисторов, смещенных таким образом, чтобы каждый из них пропускал импульс только во время прохождения одной полуволны входного импульса.

Усилители класс-1

Усилители класс B — отличия и особенность работы выходного тракта Y2

Чтобы повысить полную энергоэффективность усилителя класса A за счет уменьшения потерь мощности в виде тепла, можно разработать схему устройства с двумя транзисторами в оконечном тракте. То есть собирать аппараты, которые называют усилители класс B, имеющие конфигурацию двухтактного УМ.



Двухтактные усилители класс В используют два «комплементарных» или согласующих транзистора, один из которых является NPN-типом, а другой — PNP-типа, причем оба силовых транзистора принимают один и тот же входной сигнал, который равен по величине, но находится в фазе, противоположной друг другу.

Это приводит к тому, что один транзистор усиливает только половину или 180° цикла входного сигнала, в то время как другой транзистор усиливает другую половину или оставшиеся 180° цикла входного сигнала. В итоге результирующие «две половины» снова соединяются вместе на выходной клемме.

При этом угол проводимости для этого типа схемы усилителя составляет всего 180° или 50% от входного сигнала. Этот эффект выталкивания и вытягивания чередующихся полу-периодов транзисторами дает этому типу схемы свое забавное название «двухтактный», более известный как усилитель класса B, как показано ниже.



Схема трансформаторного усилителя класса В

Усилители класс-2

Приведенная выше схема показывает стандартную схему усилителя класса B, в которой используется симметричный входной трансформатор с центральным ответвлением, который разбивает входящий сигнал формы волны на две равные половины, которые находятся на 180 в противофазе друг с другом. Другой трансформатор с центральным ответвлением на выходе используется для объединения двух сигналов, обеспечивающих повышенную мощность нагрузки.

Транзисторы, используемые для этого типа двухтактной схемы трансформаторного усилителя, являются NPN-транзисторами с общим эмиттером. Здесь ток нагрузки распределяется между двумя устройствами силового транзистора, поскольку он уменьшается в одном устройстве и увеличивается в другом в течение сигнального цикла, уменьшая выходное напряжение и ток до нуля. В результате обе половины выходного сигнала теперь колеблются от нуля до двукратного тока покоя, тем самым уменьшая рассеивание.



[adsens]

Это приводит к почти удвоению эффективности усилителя примерно до 70%. Если предположить, что входной сигнал отсутствует, то на каждом коллекторе транзисторе присутствует ток покоя, значение которого определяется смещением напряжения базы, которое находится в точке отсечки.

Если есть отвод средней точки от трансформатора, то токи двух коллекторов будут проходить в противоположных направлениях (идеальное состояние), и намагничивание сердечника трансформатора не будет. Таким образом сводя к минимуму возможность появления искажений.

Когда входной сигнал присутствует на вторичной обмотке управляющего трансформатора T1, входы базы транзистора находятся в «противофазе» друг к другу, как показано на рисунке. Из этого следует, если база TR1 становится положительной, приводя транзистор в открытое состояние, при этом ток коллектора будет увеличиваться, но в то же время базовый ток TR2 будет отрицательным, и ток коллектора этого транзистора уменьшится на равную величину, и наоборот.

Читайте также:  ЦАП усилителя для наушников Schiit Asgard 3: тест

Следовательно, отрицательные половины усиливаются одним транзистором, а положительные половины — другим транзистором, создавая этот двухтактный эффект. В отличие от состояния постоянного тока, эти переменные токи являются АДДИТИВНЫМИ, в результате чего два выходных полупериода объединяются для преобразования синусоидальной волны в первичной обмотке выходного трансформатора, которая затем появляется в нагрузке.

Усилитель класса B работает с нулевым смещением постоянного тока, поскольку транзисторы смещены при отключении, поэтому каждый транзистор открывается только тогда, когда входной сигнал больше, чем напряжение базового эмиттера. Следовательно, при нулевом напряжении на входе есть нулевой выход, и мощность не потребляется. Это означает, что фактическая точка Q усилителя класса B находится на линии нагрузки Vce, как показано ниже.

Кривые выходных характеристик класса B

Кривая сигнала-3

Усилитель класса B имеет большое преимущество по сравнению со своими собратьями-усилителями класса A в том, что через транзисторы ток не течет, когда они находятся в состоянии покоя (то есть без входного сигнала). Поэтому мощность на выходных транзисторах или трансформаторе не рассеивается, в отличие от оконечных каскадов усилителя класса A сигнал отсутствует. А это в свою очередь требует значительного смещения базы, что приводит к рассеиванию большого количества энергии — даже при отсутствии входного сигнала.

Таким образом, общая эффективность преобразования () усилителя выше, чем у эквивалентного класса A, при этом КПД достигает максимально возможных 70%, это означает, что почти все современные типы двухтактных усилителей работают в этом режиме класса B.

Бестрансформаторные усилители класс B Push-Pull

Одним из основных недостатков схемы усилителя класса B, приведенной выше, является то, что в ее конструкции используются симметричные трансформаторы с центральным отводом, что делает его дорогостоящим. Тем не менее, существует другой тип усилителя класса B с дополнительной симметрией, который не использует трансформаторы в своей конструкции.

Вместо трансформатора здесь используется дополнительные или подобранные пары силовых транзисторов. Поскольку трансформаторы не нужны, это делает схему усилителя намного меньше при той же величине выходного сигнала, также отсутствуют паразитные магнитные эффекты или искажения трансформатора, влияющие на качество выходного сигнала. Пример «бестрансформаторной» схемы усилителя класса B приведен ниже.

Выходной каскад бестрансформаторного усилителя класса B

Выходной каскад-4

В приведенной выше схеме усилителя класса B используются дополнительные транзисторы для каждой половины формы сигнала, и, хотя такие устройства имеют намного большее усиление, чем у класса A, основным недостатком двухтактных аппаратов класса B является то, что они подвержены эффекту, известного как искажение кроссовера.

[adsens1]

В чистом классе B выходные транзисторы «предварительно не смещены» в состояние «ВКЛ». Это означает, что часть формы выходного сигнала, которая падает ниже 0,7 вольтового значения, не будет c точностью воспроизведена. Потому что, при переходе между двумя транзисторами (когда они переключаются с одного транзистора на другой) транзисторы не останавливаются или не начинают проводить сигнал точно в точке пересечения нуля, даже если это специально подобранные пары.

Читайте также:  Усилитель класса А - двухканальный ультралинейный УНЧ JLH

Выходные транзисторы для каждой половины формы сигнала (положительной и отрицательной) будут иметь область 0,7 В, в которой они являются не проводящими. В результате оба транзистора выключаются в одно и то же время. Простой способ устранить перекрестные искажения в классе B — добавить в схему два небольших источника напряжения, чтобы сместить оба транзистора в точке, немного превышающей их границу отсечки.

Это тогда дало бы нам то, что обычно называют схемой усилителя класса AB. Однако нецелесообразно добавлять дополнительные источники напряжения в схему усилителя, поэтому для обеспечения дополнительного смещения используются PN-переходы в виде кремниевых диодов.

Усилитель класса AB

Для того, чтобы напряжение базового эмиттера было больше 0,7 В, а кремниевый биполярный транзистор начал выполнять проводку сигнала, нам пришлось заменить два резистора делителя напряжения, подключенных к базовым клеммам транзисторов, двумя кремниевыми диодами.

Напряжение смещения, приложенное к транзисторам, теперь будет равно прямому падению напряжения этих диодов. Эти два диода обычно называют смещающими или компенсирующими диодами и выбираются так, чтобы соответствовали характеристикам согласующих транзисторов. Схема ниже показывает смещение диода.

Усилители класс-5

Схема усилителя класса AB является компромиссом между конфигурациями класса A и класса B. Очень маленькое напряжение смещения диода заставляет оба транзистора слабо проводить, даже когда нет входного сигнала. Форма входного сигнала приведет к тому, что транзисторы будут работать как обычно в своей активной области, тем самым устраняя любые искажения кроссовера, присутствующие в чисто усилительных конструкциях класса B.

Небольшой ток коллектора будет течь, когда нет входного сигнала, но он намного меньше, чем для конфигурации усилителя класса А. Это означает, что транзистор будет включен в течение половины прохождения цикла сигнала, но намного меньше, чем полный цикл, давая угол проводимости от 180° до 360° или от 50% до 100% входного сигнала в зависимости от величины дополнительного смещения.

Усилители класс-6

Величина напряжения смещения диодов, присутствующего в базовой цепи транзистора, может быть увеличена кратно, путем добавления дополнительных диодов последовательно. Усилители класса B значительно предпочтительнее, чем конструкции класса A для мощных приложений, таких как усилители мощности звука и акустические системы.

Как и в схеме усилителя класса A, одним из способов значительно повысить коэффициент усиления по току (Ai) двухтактного усилителя класса B является использование пар транзисторов Дарлингтона вместо отдельных транзисторов в его выходном каскаде. В следующем уроке об усилителях мы более подробно рассмотрим эффекты кроссоверного искажения в схемах усилителей класса B и способы уменьшить его влияние.

Не нашли что искали? Смотрите еще: