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[经验] 关于B类放大器的一些想法

2019-7-30 15:20:27  674 放大器
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使用FET控制器件的B类放大器的通用电路图如图1所示。

图1
甲使用FET控制装置B类放大器
多年前,在工程学院,我们了解到这款B类放大器的最高效率为78.5%。详细的推导表明,B类放大器效率的通用公式为:




其中π= 3.14159 ......
             Vp =输出正弦波的峰值电压(Vp sin(wt))。
             Vdc =直流电源电压(见图1)
Vp不能在物理上超过Vdc,因为放大器不能产生大于其自身电源电压的输出电压。因此,当Vp = Vdc时,会出现最大效率:
                        最大效率=π/ 4 = 0.785 = 78.5%
当Vp = Vdc时,等式1适当地退化以获得最大效率,并且验证了我们多年前在学校学到的东西。在这种情况下,通过装置两端出现最小电压,效率最大。当Vp <Vdc时,在传输晶体管两端出现增加的电压,产生更多的热量,并且电路效率降低。
该等式假设恒定幅度的正弦输出电压被传递到负载。工业测试设备的变频器产品系列中以恒定幅度正弦输出电压运行的放大器示例。这些单元将本地电力线电压和频率转换为不同的电压和/或频率。500C型可以将60Hz转换为50Hz,反之亦然,50Hz至60Hz,并且在每种情况下为负载提供恒定的115VAC。
然而,Vp = Vdc使放大器太靠近边缘。Vdc或Vp的微小变化可能会导致波形顶部被削波。换句话说,放大器不能被驱动到Vp可能超过Vdc的点。剪切将是结果,通常是不可接受的。Vp = Vdc不是实际操作点。
允许10%的余量,最大Vp可以选择为0.9Vdc,以便效率变为:
                        效率=π/ 4 x 0.9Vdc / Vdc = 70.7%
这是在恒定输出电压下运行的B类放大器的更实用的效率水平。
使用开关(D类)放大器而不是B类放大器可以提高效率。然而,这引入了开关噪声和更复杂的电路。B类电路噪声小,电路简单,纯正弦波形。
选择散热
接下来考虑效率的一般等式:
            效率= n = Pload /(Pdevice + Pload)
            其中Pload =功率(瓦特)输送到负载
                          Pdevice =需要从FET消耗的功率
可以重新排列此等式,以便:
                        Pdevice = Pload(1-n)/ n(等式2)
这允许计算系统所需的散热。例如,假设n = 70.7%,Pload = 100W,Model 500C所需的散热是:
                        Pdevice = 500(1-0.707)/0.707 = 207瓦
当系统提供全输出功率(即500W)时,会发生这种耗散。在较低的输出功率下,耗散成比例地降低。例如,在50瓦的输出功率下,耗散20.7瓦特。
我们所有的B类功率放大器都配有一个安装在散热器上的热敏开关。当散热器温度超过70摄氏度时,开关打开并关闭放大器。当散热器冷却到50摄氏度时,开关关闭,正常操作自动恢复。
公式1的推导
推导分为两个主要部分:基本方程和积分后的结果。省略了这些部分之间的逐步路径,因为我相信大多数读者可能更愿意避免繁琐的细节。提供足够的信息,以便有兴趣的人可以验证结果。
积分是必要的,因为积分的方程表示瞬时功率。必须将所有瞬时功率相加(积分),然后除以周期(π),以获得半周期内的平均功率。实际上,我们实际上只对正弦波的1/2周期进行积分,因为正弦波输出的正半部和负半部是对称的,并且每一半都为负载提供相同的功率。

  
降额曲线
从上面的例子中,我们了解到,当Vp / Vdc = 0.9时,500S型可以为负载提供500瓦功率,207瓦特作为热量耗散(Pload = 500W,Pdevice = 207瓦)。在较低电压下工作时可以提供多少功率(即Vp / Vdc <0.9)?
这可以通过重新排列等式2并用等式1代入n来回答。结果是:

继续该示例,我们让Vp / Vdc以0.1为增量从1变化到0,并且让Pdevice = 207瓦。这种散热器耗散量是实现全额定功率输出所必需的。由于它可用,我们将它用于所有级别的输出功率。
结果显示在表1中,使用上述等式和Excel电子表格构建。
最大负载功率(Pload)与Vp / Vdc的函数关系。
Vp / Vdc = 0.9被视为最佳操作点(参见前面的讨论)。在0.9 <(Vp / Vdc)<1的区域中操作更有效,但是操作太接近剪切点。
表格1


该表显示,对于Vp / Vdc = 0.9,并且消耗207瓦特,Pload = 500W,如先前计算的那样。随着Vp / Vdc降低,500S型的最大功率也会降低。例如,从表中读取,在Vp / Vdc = 0.7时,只有大约250瓦可用,效率降至55%。

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