Однотактний трансформаторний підсилювач потужності

Основним завданням при побудові підсилювача потужності є узгодження вихідного опору RВИХ підсилювального каскаду з навантаженням RН по потужності, тобто RВИХ=RН. При цьому безпосереднє включення низькоомного навантаження в колекторне коло транзистора неможливе, так як транзистор буде працювати в режимі генератора струму з низьким ККД. Трансформаторне включення навантаження незалежно від його значення дозволяє виконати узгодження. Опір навантаження Rн, що перенесено в колекторне коло транзистора, можна визначити за формулою:

де – коефіцієнт трансформації трансформатора, рівний відношенню кількості витків первинної обмотки ω1 до кількості витків вторинної обмотки ω2.

Для узгодження підсилювача з навантаженням по потужності, при якому RH та Ri близькі по значенню, трансформатор повинен бути понижуючим (kтр>1).

Режим однотактного підсилювача потужності по постійному струму визначають по сімейству вихідних характеристик (рис. 1, б). Область надійної роботи транзистора обмежується максимально допустимим струмом IK MAX, напругою UКЕ MAX та потужністю РК МАХ. Напруга джерела колекторного живлення ЕК≤UКЕ MAX.

Рисунок 1. Схема однотактного трансформаторного підсилювача потужності (а),

графічне представлення його роботи (б)

Лінія 1 навантаження пересікає осі IK та UКЕ в точках EK/rт, де rт – опір постійному струму первинної обмотки ω1 трансформатора. Так як опір rт зазвичай малий, лінія навантаження 1 піднімається від точки EК майже перпендикулярно осі UКЕ. Для отримання максимальної вихідної потужності робочу точку А (р. т) каскаду вибирають поблизу точки перетину лінії навантаження 1 та кривої 3 максимально допустимої потужності РК МАХ, що розсіюється на колекторі транзистора. Так визначають три параметри транзистора в робочій точці: IК Р.Т, UКЕ РТ та ІБ Р.Т, а четвертий UБЕ РТ може бути знайдений по вхідній характеристиці.

Перенесений в колекторне коло опір навантаження RH, що є навантаженням транзистора по змінному струму, також може бути визначене графічно. Для цього через робочу точку А (р. т) слід провести навантажувальну пряму 2 для змінного струму, яка повинна знаходитись в дозволеній області вихідних характеристик. Нехай лінія 2 перетинає осі IК та UКЕ в точках  та  Тоді навантаження по змінному струму . Знаючи , можна, використовуючи формулу, розрахувати, коефіцієнт трансформації .

Вхідний сигнал UВХ (рис. 1, а) створює вхідний струм ІВХ~, частина якого ІБ~ керує базовим струмом транзистора. Отже, в колекторному струмі з’являється змінна складова ІК~, яка створює в магнітопроводі трансформатора Т змінний магнітний потік Ф, який пронизує витки обмотки ω2 та наводить в них ЕРС самоіндукції. Ця ЕРС викликає змінний струм ІН в навантаженні RН та падіння напруги  на ньому.

Як видно з рис. 1, б, напруга UКЕ~ на колекторі транзистора протягом від’ємного півперіоду колекторного струму перевищує ЕК, а максимальне його значення майже в 2 рази більше за ЕК. Це пояснюється дією ЕРС самоіндукції первинної обмотки трансформатора, що з’являється під час негативного півперіоду ІК~. Тому напругу ЕК обмежують.

Перевага однотаткної схеми – її простота, а недоліки – низька економічність, високий рівень нелінійних спотворень, наявність в первинній обмотці трансформатора постійної складової колекторного струму, що викликає постійне підмагнічування магнітопроводу, що потребує створення в магнітопроводі немагнітної щілини та значно збільшує його переріз. Габарити та вагу.

В однотактному підсилювачі потужності вхідний сигнал збільшується протягом всього періоду одним транзистором – за один такт. Такий підсилювач може працювати тільки в лінійному режимі А, при якому колекторний струм транзистора в будь-яку мить підсилювального процесу пропорційний вхідному сигналу – його струму або напрузі. Робоча точка активного елементу, який працює в режимі А, не виходить за межі робочої ділянки БВ лінії навантаження.

Для режиму А характерний невисокий рівень нелінійних спотворень (всього декілька відсотків). Однак він неекономічний за рахунок значного струму ІКР.Т, який повинен підтримуватись в транзисторі при очікуванні вхідного сигналу. Теоретичний ККД складає 50 %, а практично його вдається довести до 35-40 %.