Εισαγωγή
O τελικός σκοπός της ενίσχυσης και των υπολοίπων λειτουργιών μιας ηλεκτρονικής συσκευής είναι το να διεγείρει σε σωστή δράση μια τελική διάταξη που αποτελεί το φόρτο εξόδου. Αυτός ο φόρτος εξόδου ποικίλλει, ανάλογα με το είδος της συσκευής, και μπορεί να είναι ένα ακουστικό, ένα μεγάφωνο, κάποιος καθοδικός σωλήνας, ένα όργανο μέτρησης ή ένα ηλεκτρομηχανικό στοιχείο ελέγχου.
O φόρτος εξόδου, για να λειτουργεί σωστά, θα πρέπει να διεγείρεται από ηλεκτρικό σήμα κατάλληλης μορφής και πλάτους και με επαρκή ηλεκτρική ισχύ. Η ισχύς αυτή μπορεί να είναι μικρή, όπως π.χ. στην περίπτωση των ακουστικών, ή συνηθέστερα μεγάλη όπως στην περίπτωση των μεγαφώνων ή των ηλεκτρομηχανικών διατάξεων ελέγχου.
Στην περίπτωση που έχουμε μεγάλη απαιτούμενη ισχύ για τη διέγερση του φόρτου εξόδου, οι ενισχυτές χαμηλού σήματος (με μικρή απόδοση ισχύος και χαμηλή παραμόρφωση) που γνωρίσαμε έως τώρα είναι ανεπαρκείς. Έτσι, στην τελική βαθμίδα διέγερσης του φόρτου εξόδου, χρειάζονται ειδικοί ενισχυτές οι οποίοι να ενισχύσουν το επίπεδο ισχύος του σήματος εισόδου διατηρώντας συνάμα τη μορφή του. Οι ενισχυτές αυτοί ονομάζονται ενισχυτές ισχύος.
Το επίπεδο ισχύος της εξόδου ενός ενισχυτή ισχύος πρέπει να είναι υψηλό σχετικά με το επίπεδο ισχύος εξόδου της προηγούμενης βαθμίδας, ενώ η απόλυτη τιμή της εξαγόμενης ισχύος μπορεί να είναι χαμηλή. Η ισχύς αυτή εξαρτάται από το ενεργό στοιχείο (π.χ. το τρανζίστορ) που χρησιμοποιούμε, από τη σχεδίαση του κυκλώματος και από την τάση τροφοδοσίας. Έτσι, μπορούμε εξίσου καλά να έχουμε έναν ενισχυτή ισχύος χρησιμοποιώντας ένα τρανζίστορ των 0.5 W με τροφοδοσία 9 V, όπως και ένα τρανζίστορ των 20 W με τροφοδοσία 15 V. Κατά κυριο λόγο, η ισχύς εξόδου ενός ενισχυτή ισχύος περιορίζεται από τρεις βασικούς παράγοντες ισχύος που χαρακτηρίζουν το τρανζίστορ, δηλ. από τη μέγιστη (επιτρεπόμενη) ισχύ απωλειών, Pmaj, από τη μέγιστη τάση συλλέκτη, VCma, και από το μέγιστο ρεύμα συλλέκτη, ICmax. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο πρώτος παράγων μπορεί να βελτιωθεί, δηλ. η επιτρεπόμενη ισχύς απωλειών να αυξηθεί, αν χρησιμοποιήσουμε στο τρανζίστορ κατάλληλη ψύκτρα ή απαγωγέα θερμότητας και ρυθμιστούν σωστά οι διαστάσεις των πτερυγίων απωλειών θερμότητας του απαγωγέα αυτού.
Λόγω του σχετικά υψηλού επιπέδου ισχύος εξόδου του, ένας ενισχυτής ισχύος πρέπει να έχει υψηλή απόδοση ισχύος, n = P0 / Pdc, όπου P0 η ισχύς εξόδου και Pdc η ισχύς τροφοδοσίας (dc). Αυτή η επιδίωξη αποτελεί σημαντικό στοιχείο του σχεδιασμού ενός τέτοιου ενισχυτή. Εξ' άλλου, ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα που εμφανίζονται σε έναν ενισχυτή ισχύος είναι το πρόβλημα της παραμόρφωσης πλάτους, δηλ., όταν ένα καθαρά ημιτονικό σήμα εφαρμοστεί στην είσοδο, η έξοδος δεν είναι καθαρά ημιτονικό σήμα, αλλά αποτελείται από το εισαγόμενο σήμα ενισχυμένο, συν μια σειρά πρόσθετων συνιστωσών με συχνότητες πολλαπλάσιες της εισαγόμενης (αρμονικές συνιστώσες). Η παραμόρφωση αυτή οφείλεται στο ό,τι, λόγω της εκτεταμένης περιοχής λειτουργίας τους, οι παράμετροι των ενισχυτών ισχύος μεταβάλλονται ευρύτατα καθόλο τον κύκλο εναλλαγής του σήματος. Ως εκ τούτου, η μέθοδος επίλυσης ή σχεδιασμού με βάση τα ισοδύναμα κυκλώματα χαμηλού σήματος δεν εφαρμόζεται πλέον και χρησιμοποιείται ανάλυση κατά Fourier είτε γραφικές μέθοδοι.
Για την απάλειψη των παραπάνω παραμορφώσεων καταφεύγουμε σε ειδικές τεχνικές, όπως η διαρρύθμιση push-pull, που θα δούμε παρακάτω, είτε σε εφοδιασμό του ενισχυτή με κατάλληλα συντονιζόμενα κυκλώματα (βλ. συντονιζόμενοι ενισχυτές ισχύος στα Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών του Γ' έτους).
3.2 Ταξινόμηση των ενισχυτών ισχύος
Με στόχο τη διαφοροποίηση (αύξηση) της απόδοσης n οι ενισχυτές ισχύος λειτουργούν και ταξινομούνται σε τρεις βασικές κατηγορίες ή τάξεις, ανάλογα με τον τρόπο πόλωσης του τρανζίστορ. Οι τάξεις αυτές είναι η τάξη Α, η τάξη Β και η τάξη C. Μερικές φορές, όμως, ένας ενισχυτής σχεδιάζεται να λειτουργεί σε κάποια ενδιάμεση τάξη μεταξύ της Α και Β, η οποία ονομάζεται τάξη ΑΒ.
Στον ενισχυτή τάξης Α, ρεύμα κυκλοφορεί σ' όλη τη διάρκεια του κύκλου εναλλαγής (δηλ. κατά τις 360°) του σήματος εισόδου, όπως δείχνει το Σχ.3.1. Στην τάξη Α το σημείο ηρεμίας λειτουργίας Q βρίσκεται στο μέσο του γραμμικού τμήματος της χαρακτηριστικής εισόδου. Μ' αυτόν τον τρόπο το ac σήμα βάσης-εκπομπού δημιουργεί έναν πλήρη κύκλο του ρεύματος βάσης και επομένως και του ρεύματος συλλέκτη.
Στον ενισχυτή τάξης Β, το σημείο ηρεμίας λειτουργίας Q είναι στο 0, σε τέτοια θέση ώστε το ρεύμα βάσης άρα και συλλέκτη να κυκλοφορεί το μισό (δηλ. στις 1800) του κύκλου εναλλαγής της τάσης εισόδου, όπως δείχνει το Σχ.3.1. Αν, όμως, πολώσουμε τον ενισχυτή στο σημείο Q', ώστε να αποφύγουμε το ισχυρά μη-γραμμικό τμήμα της χαρακτηριστικής εισόδου, έχουμε λειτουργία σε τάξη ΑΒ. Στην τάξη αυτή, το ρεύμα βάσης-συλλέκτη, κυκλοφορεί σε περισσότερο από 180° και λιγότερο από 360° του κύκλου του σήματος εισόδου.
Τέλος, στον ενισχυτή τάξης C το σημείο λειτουργίας είναι σε τέτοια θέση, όπως δείχνει το Σχ.3.1, ώστε το ρεύμα βάσης άρα και του συλλέκτη να κυκλοφορεί λιγότερο από 180° του κύκλου του σήματος εισόδου.
Οι ενισχυτές τάξης Α βρίσκουν εφαρμογές στους ενισχυτές τάσης χαμηλού σήματος του προηγούμενου κεφαλαίου και στους ενισχυτές χαμηλής ισχύος, οι οποίοι χρησιμοποιούν ένα μόνο ενισχυτή στη βαθμίδα εξόδου.
Στους ενισχυτές τάξης Β σπάνια χρησιμοποιείται ένα μόνο τρανζίστορ ιδίως στους ενισχυτές ακουστικών συχνοτήτων, εξαιτίας της αυξημένης παραμόρφωσης που δημιουργείται. Συνήθως χρησιμοποιουνται δυο τρανζίστορ σε συνδεσμολογία push-pull.
Με τη συνδεσμολογία αυτή, όπως θα δούμε, αφενός εξαλείφουμε την παραμόρφωση και αφετέρου αυξάνουμε τη μέγιστη ισχυ.
Τέλος, σημειώνουμε, ότι οι ενισχυτές σε τάξη C χρησιμοποιουνται κυρίως στη βαθμίδα εξόδου των πομπών και των δεκτών στην περιοχή των ραδιοφωνικών συχνοτήτων RF. Το φορτίο τους είναι συντονισμένο κύκλωμα για να δίνουν στην εξοδό τους ημιτονικό σήμα χωρίς παραμόρφωση (βλ. Ειδικά Θέματα Ηλεκτρονικών Γ' έτους).
3.3 Προσαρμογή μέσω μετασχηματιστή
Συχνά, ο φόρτος εξόδου που διεγείρουν οι ενισχυτές ισχύος έχει αντίσταση Rl χαμηλής τιμής. Αυτό συμβαίνει π.χ. με τα μεγάφωνα ή τις κεραίες εκπομπής, που έχουν σύνθετη αντίσταση τάξης μεγέθους από 3 Ω έως 30 Ω. Αν συνδέαμε ένα τόσο χαμηλό φορτίο απ' ευθείας στην έξοδο (συλλέκτη) του τρανζίστορ ενός ενισχυτή ισχύος, που έχει σχετικά υψηλή αντίσταση εξόδου, RCE, θα είχαμε σημαντική απόκλιση από την απαίτηση προσαρμογής αντιστάσεων κι έτσι η ισχύς εξόδου του ενισχυτή, που θα μεταφερόταν στο φορτίο, δε θα ήταν αρκετά μεγάλη.
Σύμφωνα με το θεώρημα της μέγιστης μεταφοράς ισχύος, για να πετύχουμε άριστη προσαρμογή, δηλ. μέγιστο μεταφοράς ισχύος από την έξοδο του ενισχυτή ισχύος στο φόρτο εξόδου RL, θα πρέπει να ισχύει η ισότητα RL=RO, δηλ. η αντίσταση φόρτου να είναι ίση προς την αντίσταση εξόδου του τρανζίστορ. Επειδή αυτή η ισότητα δεν ισχύει, ούτε κατά προσέγγιση, στην περίπτωση χαμηλών φόρτων, καταφεύγουμε στην παρεμβολή ενός ειδικού μετασχηματιστή (μετασχηματιστής προσαρμογής) μεταξύ της εξόδου του τρανζίστορ και του φόρτου εξόδου. Ο μετασχηματιστής αυτός έχει ρυθμιζόμενο ή προσδιοριζόμενο λόγο μετασχηματιμού
Όπου N, και N2 είναι ο αριθμός σπειρών (στροφών) του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος, αντίστοιχα. O μετασχηματιστής προσαρμογής μεσολαβεί μεταξύ της εξόδου του τρανζίστορ και του φόρτου εξόδου (μεγαφώνου) κατά τον τρόπο που δείχνει το Σχ.3.3Αποδεικνύεται ότι, υπό τις παραπάνω συνθήκες, το δευτερεύον κύκλωμα του μετασχηματιστή μπορεί να απαλειφθεί και να αντικατασταθεί από μια ισοδύναμη αντίσταση στο πρωτεύον(ανακλώμενη αντίσταση) ίση με Ri
Σχήμα 3.3. Συνδεσμολόγηση του μετασχηματιστή προσαρμογής
Σχήμα 3.4. Ενισχυτής ισχύος σε τάξη Α με ωμικό φόρτο
Στην παράγραφο αυτή θα καθορίσουμε σε μέγιστες τιμές, την ισχύ εξόδου, την απόδοση ισχύος και την ισχύ απωλειών που χαρακτηρίζουν έναν ενισχυτή ισχύος με ωμικό φόρτο και άμεση σύζευξη (δηλ. χωρίς μετασχηματιστή) όταν λειτουργεί σε τάξη Α.
Το Σχ.3.4 δείχνει έναν τυπικό ενισχυτή τάξης Α με ωμικό φόρτο και την αντίστοιχη ευθεία φόρτου σχεδιασμένη στο σμήνος εξόδου των χαρακτηριστικών του τρανζίστορ. Από το σχήμα αυτό, με δεδομένη την τάση παροχής τροφοδοσίας Vcc, διαπιστώνουμε ότι η μέγιστη ac τάση από κορυφή σε κορυφή (p-p) που μπορεί να δοθεί σε ένα ωμικό φόρτο είναι η Vcc. Εξάλλου για να έχουμε αυτή την τάση εξόδου ή τάση ηρεμίας πρέπει,
VCQ=VCC/2. Η ελαχιστοποίηση της RL μεγιστοποιεί την ισχύ (V2CQ/ RL) που αποδίδεται στο φόρτο. Η ελάχιστη όμως δυνατή τιμή της RL καθορίζεται από το ρεύμα του συλλέκτη, όπως φαίνεται στο Σχ.3.4. Η ελάχιστη επιτρεπτή τιμή της RL, που δε δίνει υπερβολικό ρεύμα συλλέκτη, αλλά μια μεγάλη επιτρεπτή τιμή του Imax, είναι:
Icmax
Αποδεικνύεται, ότι η ισχύς ac που αποδίδεται στο φόρτο, δίνεται από τη σχέση:
ενώ η ισχύς που παρέχεται από την dc τάση τροφοδοσίας Vcc είναι:
Η απόδοση ισχύος n του ενισχυτή ορίζεται από τη σχέση:
Αν λάβουμε υπόψη ότι, για άριστη λειτουργία σε τάξη Α, πρέπει να
έχουμε IcQ = Icmax / 2, από τις Εξ.(3.4.2)-(3.4.4), η απόδοση του ενισχυτή
ισχύος σε τάξη Α, με ωμικό φόρτο είναι:
Αρα, η άμεση συζευξη του ωμικου φόρτου στους ενισχυτές ισχύος
τάξης Α έχει σαν αποτέλεσμα να δίνουν μικρή απόδοση (25%).
Τέλος, η ισχύς απωλειών στο τρανζίστορ PT, χωρίς σήμα στην είσοδο
του, αποδεικνύεται οτι είναι διπλάσια απο τη μέγιστη ισχύ που αποδίδεται στο φόρτο. Δηλ. κατά την Εξ.(3.4.2),
Παράδειγμα 3-1
Να προσδιορισθούν τα στοιχεία ενός τρανζίστορ ισχύος το οποίο, όταν τροφοδοτείται με τάση 12 V και έχει φόρτο 10 Ω, να είναι κατάλληλο για ενισχυτή ισχύος τάξης Α με μέγιστη απόδοση.
επομένως PT = 3.6 W. Εξ' άλλου, βάση της Εξ.(3.4.1), το μέγιστο
ρεύμα συλλέκτη είναι:
Επομένως, το τρανζίστορ πρέπει να επιδέχεται ρεύμα συλλέκτη τουλάχιστον 1.2 Α και να είναι ισχύος 3.6 W.
3.4.2 Ενισχυτής Τάξης Α με Μετασχηματιστή
Όπως είδαμε για λόγους προσαρμογής αντιστάσεων χρειάζεται να
είναι μερικές φορές η σύζευξη της εξόδου ενός ενισχυτή ισχύος προς το φόρτο μέσω ενός μετασχηματιστή. Λόγω αυτού, οι συνθήκες λειτουργίας τροποποιούνται όπως θα δούμε παρακάτω.
O ενισχυτής σε τάξη Α έχει ισχύ εξόδου σχετικά χαμηλή και μεγάλο ρεύμα ηρεμίας. Κατά τη σχεδίαση ενός τέτοιου ενισχυτή βασική επιδίωξη είναι να εξασφαλίσουμε τη μέγιστη δυνατή ισχύ εξόδου. Για να έχουμε μέγιστη ισχύ εξόδου, το σημείο ηρεμίας (λειτουργίας)
Q θα πρέπει να βρίσκεται πάνω στην καμπύλη υπερβολής της μέγιστης ισχύος του τρανζίστορ. Υπό αυτές τις συνθήκες μορφοποιούνται δύο ευθείες φόρτου, η dc και η ac ευθεία φόρτου. Η dc ευθεία φόρτου, που αντιστοιχεί στην ωμική αντίσταση του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή, είναι σχεδόν
κατακόρυφη, επειδή το πηνίο εχει ωμική αντίσταση πολύ μικρή (μερικά Ohm). Αρα VcQ =Vcc. H ac ευθεία φόρτου, που αντιστοιχεί στην ανακλώμενη αντίσταση (Rac = RL / n2), πρέπει να έχει τέτοια τιμή ώστε να μην υπερβούμε τη μέγιστη ισχύ απωλειών του τρανζίστορ.
Στα παρακάτω δεχόμαστε ότι οι χαρακτηριστικές του τρανζίστορ είναι γραμμικές και οτι η ac τάση και το ac ρεύμα, άρα και της εξόδου, μπορούν να μεταβάλλονται από το μηδέν μέχρι τις μέγιστες επιτρεπτές τιμές τους. Αν υποθέσουμε ότι ο μετασχηματιστής εξόδου είναι χωρίς απώλειες, η ισχύς εξόδου είναι:
όπου Vco και Ico τα πλάτη, ac διακύμανσης της τάσης και του ρεύματος συλλέκτη, αντίστοιχα.
Όπως φαίνεται από το διάγραμμα του Σχ.3.5, για άριστη πόλωση σε τάξη Α (μέσο Q της ac ευθείας φόρτου), οι μέγιστες δυνατές τιμές των ac πλατών, χωρίς να έχουμε παραμόρφωση, είναι Vco = VcQ S Vcc και Ico = IcQ. Συνεπώς, βάσει της Εξ.(3.4.7), η
μέγιστη ισχύς εξόδου (ac) του ενισχυτή είναι:
Η αντίστοιχη ισχύς τροφοδοσίας που χορηγείταιι από την την πηγή dc είναι:
Η απόδοση είναι:
Όταν το σήμα εισόδου είναι μηδέν, η ισχύς που παρέχεται από την τροφοδοσία θα εξακολουθεί να είναι πάλι VcQIcQ. Η ισχυς αυτή θα πρέπει τώρα να καταναλώνεται εξ' ολοκλήρου, ως ισχύς απωλειών από το τρανζίστορ. Αρα, εκφράζει την ισχύ αντοχής αυτού. Συνεπώς, για να επιτύχουμε ενίσχυση ισχύος σε τάξη Α στο επίπεδο εξόδου, π.χ. 1 W, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τρανζίστορ που να αντέχει ισχύ απωλειών 2 W.
Η ωμική αντίσταση ac φόρτου δίνεται από τη σχέση:
To τρανζίστορ που θα χρησιμοποιήσουμε θα έχει μέγιστη επιτρεπόμενη τάση συλλέκτη
Βάσει των Εξ. (3.4.1) και (3.4.2) ο πραγματικός φόρτος (π.χ. μεγάφωνο) έχει ωμική αντίσταση RL , ο λόγος των σπειρών του μετασχηματιστή είναι:
Αρα, το τρανζίστορ πρέπει να έχει μέγιστο ρευμα 6 Α και κατανάλωση ισχύος απωλειών 2 W.
O λόγος σπειρών του μετασχηματιστή θα είναι, Εξ. (3.4.13)
Παράδειγμα 3-2
Να επιλεγεί το τρανζίστορ ισχύος και ο μετασχηματιστής εξόδου για ενισχυτή ισχύος τάξης Α, αν η ισχύς ac εξόδου είναι 1 W και ο φόρτος εξόδου RL=4 Ω για τάση τροφοδοσίας Vcc=12 V.
