UR5FFR

Радиолюбительская литература впадает в две крайности описывая работу двухтактного выходного каскада. Либо все крайне упрощенно, либо просто набор формул без объяснения откуда они берутся. В результате радиолюбители пытаются объяснить и понять принцип работы рассматривая "на пальцах" работу его половины, что не верно.

Для начала рассмотрим простейший однотактный каскад, работающий в классе В с углом отсечки 90град.



Полевой транзистор выбран с нулевым пороговым напряжением. Таким образом при отрицательной полуволне напряжения он закрыт. Ниже приведены эпюры напряжений полученные с помощью моделировщика при входном напряжении Uвх.p=1V



Очевидно что выполняются следующие соотношения
пиковое напряжение на стоке Uk.p=Uвх.p*g*Rн=1*2*5=10V
пиковый ток через нагрузку Ik.p=Uk.p/Rн=Uвх.p*g*Rн/Rн=Uвх.p*g=2A
т.е. ПТ работает как генератор тока с крутизной g

Максимальная амплитуда напряжения на выходе ограничена напряжением питания. Например на следующем графике приведен случай перегрузки - на вход подано Uвх.p=1,2в. Видно что на выходе наступило ограничение.



Теперь посмотрим сколько такой каскад будет потреблять от источника питания. Модифицируем схему, поставив между источником питания и усилителем ФНЧ R1C1



Измерим ток, текущий через резистор R1



Если посчитать соотношение то мы получим

I(R1)/I(T1)=0.631/1.987=0.318

А это есть ни что иное как нулевой коэффициент разложения косинусоидального импульса для угла отсечки 90град. Так что справедлива следующая формула

Ik.avg=a0*Ik.p=0.318*Ik.p

А рассеиваемую мощность легко посчитать по формуле

Pd=Ik.avg*Uпит=0.318*Ik.p*Uпит

Возьмем два каскада работающих с отсечкой 90град, запитаем их в противофазе и сложим сигнал на выходе. Сделаем это достаточно прямолинейным образом как изображено на следующей схеме



Очевидно что нагрузкой каждого из транзисторов является 5ом. Сопротивление нагрузки между точками Out1 и Out2 составляет 10ом. В этом достаточно просто убедиться подключив между этими точками дополнительный резистор в 10ом и зафиксировав двухкратное падение напряжения на выходе усилителя. Максимальная амплитуда пик-пик на выходе составляет удвоенное напряжение питания.
Эпюры напряжений для этой схемы и максимальном выходном сигнале:



Все в принципе так как мы и ожидали - на стоках присутствуют полуволны, которые складываются на нагрузке.

Избавимся от средней точки в нагрузке. Заменим два трансформатора на выходе на один со средней точкой:



Не меняя входное напряжение, посмотрим что у нас творится в различных точках схемы:



Выходное напряжение осталось такое же - удвоенное напряжение питания пик-пик. А вот форма и амплитуда сигналов на стоках изменилась. Вместо полуволн мы имеем чистую синусоиду с двойным размахом!

Попробуем увеличить напряжение на входе нашего усилителя. Оказывается, что ограничение наступает при входном уровне не 1в, а 2в. При этом на выходе присутствует синусоида с амплитудой пик-пик равной учетверенному напряжению питания!

Рассуждая о том, как работает двухтактный каскад часто делают следующую распространенную ошибку - полагают что полволны часть первичной обмотки выходного трансформатора не работает. Таким образом ее исключают из схемы. На основании этого легко сделать вывод о том, что сток каждого из транзисторов работает на сопротивление нагрузки равное 10/4=2,5ом вместо 5ом. Вот отсюда собственно и берется якобы большая амплитуда на выходе.

На самом деле сопротивление нагрузки каждого из транзисторов считается следующим образом. Выходной трансформатор преобразует 10ом нагрузки в 10ом на двух последовательно соединенных первичных обмотках. Так как средняя точка у нас подключена к источнику питания, то по ВЧ она заземлена. Соответственно каждое из плеч нагружено на половину этого сопротивления, т.е. на 5ом!

Покажем что это именно так. Подключим параллельно первичным обмоткам выходного трансформатора некоторое сопротивление. При его равенстве сопротивлению нагрузки транзистора выходное напряжение усилителя должно уменьшится ровно в два раза.
Ниже показаны две схемы подключения дополнительных сопротивлений:





А вот что происходит на выходе усилителя при добавлении этих сопротивлений:



Комментарии как говорится излишни. Очевидно что транзисторы работают на 5ом нагрузки каждый. Но тут оппоненты могут задать очень каверзный вопрос - если транзисторы работают на все те же самые 5ом, и напряжение питания у нас все то же самое 10в, то почему пиковый ток через транзисторы в два раза превышает пиковый ток в отдельно взятой "половинке"? Т.е. Ik.p=Uпит/Rн=10/5=2А, а моделировщик нам выдает 4А! Откуда берутся еще два ампера?

Берутся они граждане из той самой обмотки которую вы хотели на полволны отключить. Противоположное плечо работает как специфическая "вольтодобавка" к напряжению питания. Мне кажется именно этим объясняется полный синус без отсечки на стоке каждого из транзисторов по сравнению с синусоидой с отсечкой в нашей первой попытке "слепить" пушпул из двух половинок.

А теперь можно полностью посчитать энергетические параметры двухтактного каскада.
Исходные параметры:

Uпит - напряжение питания
Uнас - напряжение насыщения транзистора
Rн - сопротивление нагрузки
N:N:M - соотношения витков выходного трансформатора

сопротивление между коллекторами (стоками) транзисторов:

Rкк=Rн*(2*N/M)^2

сопротивление нагрузки плеча:

Rк = Rкк/2 = Rн*(2*N/M)^2/2

мощность получаемая с одного плеча:

P0 = (Uпит-Uнас)^2/(2*Rк)

общая выходная мощность с двух плеч:

P = 2*P0 = (Uпит-Uнас)^2/Rк = 2*(Uпит-Uнас)^2/Rкк = 2*(Uпит-Uнас)^2 / (Rн*(2*N/M)^2)

на коллекторе каждого из транзисторов присутствует синус с амплитудой пик-пик равной удвоенному напряжению питания

Uк.pp = 2*(Uпит-Uнас)

между коллекторами транзисторов присутствует синус с амплитудой пик-пик

Uкк.pp = 2*Uк.pp = 4*(Uпит-Uнас)

макс.импульсный ток коллектора в плече

Iк.max = Uк.pp/Rк = 2*(Uпит-Uнас)/Rк = 2*P / (Uпит-Uнас)

постоянная составляющая тока коллектора одного транзистора

Iк0 = a0*Iк.max = 0.318*Iк.max

где a0 - коэфф.разложения косинусоидального импульса для угла отсечки ф
a0=(sin(ф)-ф*cos(ф))/(pi*(1-cos(ф)))
для режима class B имеем угол отсечки ф=pi=90град
a0=1/ф=1/pi=0.318

общее потребление тока двумя плечами:

I0 = 2*Ik0 = 2*a0*Iк.max = 0.636*Iк.max

потребляемая мощность

Pпит = I0*Uпит = 0.636*Iк.max*Uпит

Более углубленный расчет можно найти в книге "Широкополосные радиопередающие устройства", Алексеев, Головко, Полевой,Соловьев, 1978 на стр.38

Вот небольшая "выжимка" формул оттуда:

Напряжение насыщения Uнас
Максимальное мгновенное напряжение на коллекторе
Ekm=2*Uпит-Uнас
Мощность рассеиваемая на коллекторе каждого транзистора
Pk=(4-Pi)*Ikm*(Ekm+Uнас*(4+Pi)/(4-Pi))/(8*Pi)
откуда
Ikm=8*Pi*Pk/(0.86*Ekm+7.14*Uнас)
сопротивление нагрузки (между коллекторами)
Rн=2*(Ekm-Uнас)/Ikm

Сделал в экселе простую таблицу для рассчета основных энергетических параметров двухтактного каскада