Aby poprawić pełną sprawność energetyczną poprzedniego wzmacniacza klasy A poprzez zmniejszenie mocy traconej w postaci ciepła, możliwe jest zaprojektowanie układu wzmacniacza mocy z dwoma tranzystorami w stopniu wyjściowym, co jest powszechnie określane jako wzmacniacz klasy B, znany również jako konfiguracja wzmacniacza push-pull.
Wzmacniacze push-pull wykorzystują dwa „komplementarne” lub dopasowane tranzystory, z których jeden jest typu NPN, a drugi typu PNP, przy czym oba tranzystory mocy otrzymują ten sam sygnał wejściowy o równej wielkości, ale w przeciwnej fazie. Powoduje to, że jeden tranzystor wzmacnia tylko jedną połowę lub 180o cyklu fali wejściowej, podczas gdy drugi tranzystor wzmacnia drugą połowę lub pozostałe 180o cyklu fali wejściowej, a powstałe w ten sposób „dwie połowy” są ponownie składane razem na zacisku wyjściowym.
Wtedy kąt przewodzenia dla tego typu obwodu wzmacniacza wynosi tylko 180o lub 50% sygnału wejściowego. Ten efekt „pchania” i „ciągnięcia” naprzemiennych pół cykli przez tranzystory daje temu typowi obwodu jego zabawną nazwę „push-pull”, ale są one bardziej ogólnie znane jako wzmacniacz klasy B, jak pokazano poniżej.
Obwód wzmacniacza transformatorowego klasy B typu push-pull
Obwód powyżej przedstawia standardowy obwód wzmacniacza klasy B, który wykorzystuje zrównoważony transformator wejściowy o środkowym zaczepie, który rozdziela przychodzący sygnał falowy na dwie równe połówki, które są 180o poza fazą względem siebie. Inny transformator z centralnie zwężonym końcem na wyjściu jest używany do ponownego połączenia tych dwóch sygnałów, zapewniając zwiększoną moc do obciążenia. Tranzystory używane w tym typie układu wzmacniacza transformatorowego push-pull są tranzystorami NPN z końcówkami emiterów połączonymi razem.
Tutaj prąd obciążenia jest dzielony pomiędzy dwa tranzystory mocy, ponieważ zmniejsza się w jednym urządzeniu i zwiększa w drugim w całym cyklu sygnału redukując napięcie wyjściowe i prąd do zera. W rezultacie obie połówki fali wyjściowej zmieniają się od zera do dwukrotności prądu spoczynkowego, co zmniejsza rozpraszanie. Efektem tego jest prawie dwukrotne zwiększenie sprawności wzmacniacza do około 70%.
Zakładając, że nie ma sygnału wejściowego, każdy tranzystor przewodzi normalny prąd spoczynkowy kolektora, którego wartość jest określona przez bias bazy, który jest w punkcie odcięcia. Jeśli transformator jest dokładnie wyśrodkowany, to oba prądy kolektora będą płynąć w przeciwnych kierunkach (warunek idealny) i nie będzie namagnesowania rdzenia transformatora, co zminimalizuje możliwość wystąpienia zniekształceń.
Gdy sygnał wejściowy jest obecny na wtórniku transformatora sterującego T1, wejścia baz tranzystorów są w „antyfazie” względem siebie, jak pokazano na rysunku, więc jeśli baza TR1 jest dodatnia, powodując silne przewodzenie tranzystora, jego prąd kolektora wzrośnie, ale w tym samym czasie prąd bazy TR2 będzie ujemny, dalej w kierunku odcięcia i prąd kolektora tego tranzystora zmniejszy się o taką samą wartość i odwrotnie. W ten sposób ujemne połówki są wzmacniane przez jeden tranzystor, a dodatnie przez drugi tranzystor, co daje efekt push-pull.
W przeciwieństwie do stanu stałego, te prądy zmienne są DODATNIE, co powoduje, że dwa półcykle wyjściowe są łączone w celu zreformowania sinusoidy w uzwojeniu pierwotnym transformatora wyjściowego, która następnie pojawia się na obciążeniu.
Wzmacniacz klasy B ma zerowe napięcie stałe, ponieważ tranzystory są spolaryzowane w punkcie odcięcia, więc każdy tranzystor przewodzi tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy jest większy niż napięcie baza-emiter. W związku z tym, przy zerowym wejściu występuje zerowa moc wyjściowa i żadna moc nie jest zużywana. Oznacza to, że rzeczywisty punkt Q wzmacniacza klasy B znajduje się w części Vce linii obciążenia, jak pokazano poniżej.
Krzywe charakterystyki wyjściowej wzmacniacza klasy B
Wzmacniacz klasy B ma dużą przewagę nad swoimi kuzynami wzmacniaczami klasy A w tym, że żaden prąd nie płynie przez tranzystory, gdy są one w stanie spoczynku (tj, (tj. bez sygnału wejściowego), dlatego też żadna moc nie jest rozpraszana w tranzystorach wyjściowych lub transformatorze, gdy nie ma sygnału, w przeciwieństwie do wzmacniaczy klasy A, które wymagają znacznego wychylenia bazy, co powoduje rozpraszanie dużej ilości ciepła – nawet przy braku sygnału wejściowego.
Więc całkowita sprawność konwersji ( η ) wzmacniacza jest większa niż równoważnej klasy A ze sprawnością sięgającą nawet 70%, co sprawia, że prawie wszystkie nowoczesne typy wzmacniaczy push-pull pracują w tym trybie klasy B.
Beztransformatorowy wzmacniacz klasy B Push-Pull
Jedną z głównych wad powyższego układu wzmacniacza klasy B jest to, że wykorzystuje on w swojej konstrukcji zbalansowane transformatory środkowo-wypustowe, co czyni go drogim w budowie. Istnieje jednak inny typ wzmacniacza klasy B, nazywany wzmacniaczem komplementarno-symetrycznym klasy B, który nie wykorzystuje transformatorów w swojej konstrukcji, jest więc beztransformatorowy, wykorzystując zamiast tego komplementarne lub dopasowane pary tranzystorów mocy.
Jako że transformatory nie są potrzebne, czyni to obwód wzmacniacza znacznie mniejszym dla tej samej ilości sygnału wyjściowego, nie ma również efektów magnetycznych błądzenia ani zniekształceń transformatorowych, które wpływają na jakość sygnału wyjściowego. Przykład „beztransformatorowego” układu wzmacniacza klasy B jest podany poniżej.
Beztransformatorowy stopień wyjściowy klasy B
Powyższy układ wzmacniacza klasy B wykorzystuje komplementarne tranzystory dla każdej połowy przebiegu i podczas gdy wzmacniacze klasy B mają znacznie większe wzmocnienie niż wzmacniacze klasy A, jedną z głównych wad wzmacniaczy klasy B typu push-pull jest to, że cierpią one na efekt znany powszechnie jako zniekształcenia zwrotnicy.
Mam nadzieję, że pamiętamy z naszych poradników o tranzystorach, że potrzeba około 0,7 V (mierzone od bazy do emitera), aby tranzystor bipolarny zaczął przewodzić. We wzmacniaczu pracującym w czystej klasie B, tranzystory wyjściowe nie są „wstępnie spolaryzowane” do stanu „ON”.
To oznacza, że część przebiegu wyjściowego, która wypada poniżej tego 0.7 V nie będzie dokładnie odtworzona jako przejście między dwoma tranzystorami (kiedy przełączają się one z jednego tranzystora na drugi), tranzystory nie zatrzymują się i nie zaczynają przewodzić dokładnie w punkcie zerowego przejścia, nawet jeśli są to specjalnie dobrane pary.
Tranzystory wyjściowe dla każdej połowy przebiegu (dodatniej i ujemnej) będą miały obszar 0,7 V, w którym nie przewodzą. W rezultacie oba tranzystory są wyłączone dokładnie w tym samym czasie.
Prostym sposobem na wyeliminowanie zniekształceń zwrotnicy we wzmacniaczu klasy B jest dodanie do obwodu dwóch małych źródeł napięcia, które spowodują, że oba tranzystory znajdą się w punkcie znajdującym się nieco powyżej ich punktu odcięcia. W ten sposób otrzymalibyśmy to, co powszechnie nazywa się układem wzmacniacza klasy AB. Jednak dodawanie dodatkowych źródeł napięcia do obwodu wzmacniacza jest niepraktyczne, więc do zapewnienia dodatkowego biasu w postaci diod krzemowych używa się połączeń PN.
Wzmacniacz klasy AB
Wiemy, że napięcie baza-emiter musi być większe niż 0,7 V, aby krzemowy tranzystor bipolarny zaczął przewodzić, więc gdybyśmy zastąpili dwa rezystory dzielące napięcie podłączone do zacisków bazowych tranzystorów dwoma diodami krzemowymi. Napięcie biasujące przyłożone do tranzystorów byłoby teraz równe spadkowi napięcia przewodzenia tych diod. Te dwie diody są ogólnie nazywane diodami biasującymi lub diodami kompensującymi i są dobierane tak, aby pasowały do charakterystyki pasujących tranzystorów. Poniższy obwód pokazuje biasowanie diodami.
Wzmacniacz klasy AB
Obwód wzmacniacza klasy AB jest kompromisem pomiędzy konfiguracjami klasy A i klasy B. To bardzo małe napięcie biasowania diody powoduje, że oba tranzystory lekko przewodzą, nawet gdy nie ma sygnału wejściowego. Przebieg sygnału wejściowego spowoduje, że tranzystory będą pracowały normalnie w ich aktywnym obszarze, eliminując w ten sposób wszelkie zniekształcenia zwrotnicy obecne w konstrukcjach wzmacniaczy czystej klasy B.
Niewielki prąd kolektora będzie płynął, gdy nie ma sygnału wejściowego, ale jest on znacznie mniejszy niż w przypadku konfiguracji wzmacniacza klasy A. Oznacza to, że tranzystor będzie „ON” przez ponad połowę cyklu fali, ale znacznie mniej niż przez pełny cykl, co daje kąt przewodzenia od 180o do 360o lub od 50% do 100% sygnału wejściowego, w zależności od ilości zastosowanego dodatkowego biasowania. Ilość napięcia biasu diody obecnej na zacisku bazy tranzystora może być zwiększona wielokrotnie poprzez dodanie dodatkowych diod w szeregu.
Wzmacniacze klasy B są znacznie bardziej preferowane niż wzmacniacze klasy A w zastosowaniach wymagających dużej mocy, takich jak wzmacniacze mocy audio i systemy PA. Podobnie jak w przypadku wzmacniacza klasy A, jednym ze sposobów na znaczne zwiększenie wzmocnienia prądowego ( Ai ) wzmacniacza push-pull klasy B jest zastosowanie w jego obwodzie wyjściowym par tranzystorów Darlingtona zamiast pojedynczych tranzystorów.
W następnym poradniku na temat wzmacniaczy przyjrzymy się bliżej efektom zniekształceń skrośnych we wzmacniaczach klasy B i sposobom na zmniejszenie ich wpływu.
