Gli amplificatori Common Emitter (CE) sono progettati per produrre una grande oscillazione della tensione di uscita da una tensione del segnale di ingresso relativamente piccola di pochi millivolt e sono utilizzati principalmente come “piccoli amplificatori di segnale” come abbiamo visto nei tutorial precedenti.
Tuttavia, a volte è necessario un amplificatore per pilotare grandi carichi resistivi come un altoparlante o per pilotare un motore in un robot e per questi tipi di applicazioni in cui sono necessarie elevate correnti di commutazione Sono necessari amplificatori di potenza.,
La funzione principale dell’amplificatore di potenza, noto anche come “grande amplificatore di segnale”, è quella di fornire energia, che è il prodotto della tensione e della corrente al carico. Fondamentalmente un amplificatore di potenza è anche un amplificatore di tensione con la differenza che la resistenza di carico collegata all’uscita è relativamente bassa, ad esempio un altoparlante di 4Ω o 8Ω con conseguente alte correnti che fluiscono attraverso il collettore del transistor.,
A causa di queste elevate correnti di carico, i transistor di uscita utilizzati per gli stadi di uscita degli amplificatori di potenza come il 2N3055 devono avere valori di tensione e potenza superiori a quelli generali utilizzati per amplificatori di segnale di piccole dimensioni come il BC107.
Poiché siamo interessati a fornire la massima potenza CA al carico, consumando la minima potenza CC possibile dall’alimentazione, ci occupiamo principalmente dell ‘ “efficienza di conversione” dell’amplificatore.,
Tuttavia, uno dei principali svantaggi degli amplificatori di potenza e in particolare dell’amplificatore in Classe A è che la loro efficienza di conversione complessiva è molto bassa poiché grandi correnti significano che una notevole quantità di potenza viene persa sotto forma di calore. L’efficienza percentuale negli amplificatori è definita come la potenza di uscita r.m.s. dissipata nel carico divisa per la potenza totale in CC prelevata dalla sorgente di alimentazione come mostrato di seguito.
Efficienza dell’amplificatore di potenza
- Dove:
- η% – è l’efficienza dell’amplificatore.,
- Pout-è la potenza di uscita degli amplificatori erogata al carico.
- Pdc-è la corrente continua prelevata dall’alimentazione.
Per un amplificatore di potenza è molto importante che l’alimentatore degli amplificatori sia ben progettato per fornire la massima potenza continua disponibile al segnale di uscita.
Amplificatore di classe A
Il tipo più comunemente usato di configurazione amplificatore di potenza è la classe A amplificatore., L’amplificatore di classe A è la forma più semplice di amplificatore di potenza che utilizza un singolo transistor di commutazione nella configurazione del circuito emettitore comune standard come visto in precedenza per produrre un’uscita invertita. Il transistor è sempre polarizzato ” ON ” in modo che conduca durante un ciclo completo della forma d’onda del segnale di ingresso producendo una distorsione minima e un’ampiezza massima del segnale di uscita.,
Ciò significa che la configurazione dell’amplificatore in Classe A è la modalità di funzionamento ideale, perché non ci può essere alcuna distorsione di crossover o switch-off alla forma d’onda di uscita anche durante la metà negativa del ciclo. Gli stadi di uscita dell’amplificatore di potenza di classe A possono utilizzare un singolo transistor di potenza o coppie di transistor collegati tra loro per condividere la corrente di carico elevata. Si consideri il circuito amplificatore di classe A di seguito.
Circuito amplificatore monostadio
Questo è il tipo più semplice di Classe A circuito amplificatore di potenza., Utilizza un transistor single-ended per il suo stadio di uscita con il carico resistivo collegato direttamente al terminale del collettore. Quando il transistor passa “ON” affonda la corrente di uscita attraverso il collettore con conseguente inevitabile caduta di tensione attraverso la resistenza dell’emettitore limitando così la capacità di uscita negativa.
L’efficienza di questo tipo di circuito è molto bassa (meno del 30%) e fornisce piccole uscite di potenza per un grande scarico sull’alimentazione DC., Uno stadio amplificatore di classe A passa la stessa corrente di carico anche quando non viene applicato alcun segnale di ingresso così grandi dissipatori sono necessari per i transistor di uscita.
Tuttavia, un altro modo semplice per aumentare la capacità di gestione della corrente del circuito e allo stesso tempo ottenere un guadagno di potenza maggiore è quello di sostituire il transistor a uscita singola con un transistor Darlington. Questi tipi di dispositivi sono fondamentalmente due transistor all’interno di un singolo pacchetto, un piccolo transistor “pilota” e un altro transistor “switching” più grande., Il grande vantaggio di questi dispositivi è che l’impedenza di ingresso è adeguatamente grande mentre l’impedenza di uscita è relativamente bassa, riducendo così la perdita di potenza e quindi il calore all’interno del dispositivo di commutazione.
Configurazioni transistor Darlington
Il guadagno di corrente complessivo Beta (β) o valore hfe di un dispositivo Darlington è il prodotto dei due guadagni individuali dei transistor moltiplicati insieme e valori β molto elevati insieme a correnti di collettore elevate sono possibili rispetto a un singolo circuito transistor.,
Per migliorare la piena efficienza energetica dell’amplificatore in Classe A è possibile progettare il circuito con un trasformatore collegato direttamente nel circuito del collettore per formare un circuito chiamato amplificatore accoppiato trasformatore. Il trasformatore migliora l’efficienza dell’amplificatore facendo corrispondere l’impedenza del carico con quella dell’uscita degli amplificatori usando il rapporto di giri ( n ) del trasformatore e un esempio di questo è dato sotto.,
Circuito amplificatore accoppiato al trasformatore
Come corrente del collettore, l’Ic viene ridotto al di sotto del punto Q quiescente impostato dalla tensione di polarizzazione di base, a causa delle variazioni della corrente di base, il flusso magnetico nel nucleo del trasformatore collassa causando un emf indotto negli avvolgimenti primari del trasformatore. Ciò fa sì che una tensione istantanea del collettore salga a un valore di due volte la tensione di alimentazione 2Vcc dando una corrente massima del collettore di due volte Ic quando la tensione del collettore è al minimo., Quindi l’efficienza di questo tipo di configurazione dell’amplificatore in classe A può essere calcolata come segue.
La tensione del collettore r.m.s. è data come:
La corrente del collettore r.m.s. è data come:
Il r.m.s., Potenza erogata al carico (Pac) è, quindi, come:
media potenza assorbita dall’alimentazione (Pdc) è dato da:
e quindi l’efficienza di un Trasformatore di Classe di Un amplificatore è data come:
Un trasformatore di uscita migliora l’efficienza dell’amplificatore abbinando l’impedenza di carico che di amplificatori impedenza di uscita., Utilizzando un trasformatore di uscita o di segnale con un adeguato rapporto di giri, l’efficienza dell’amplificatore in classe A che raggiunge il 40% è possibile con la maggior parte degli amplificatori di potenza di tipo Classe A disponibili in commercio che sono di questo tipo di configurazione.
Tuttavia, il trasformatore è un dispositivo induttivo a causa dei suoi avvolgimenti e core, quindi l’uso di componenti induttivi nei circuiti di commutazione dell’amplificatore è meglio evitare in quanto qualsiasi emf posteriore generato può danneggiare il transistor senza un’adeguata protezione.,
Anche un altro grande svantaggio di questo tipo di trasformatore accoppiato classe A circuito amplificatore è il costo aggiuntivo e le dimensioni del trasformatore audio richiesto.
Il tipo di “Classe” o classificazione che viene dato a un amplificatore dipende in realtà dall’angolo di conduzione, la porzione di 360o del ciclo della forma d’onda in ingresso, in cui il transistor sta conducendo. Nell’amplificatore di classe A l’angolo di conduzione è un 360o pieno o 100% del segnale di ingresso mentre in altre classi di amplificatori il transistor conduce durante un angolo di conduzione minore.,
È possibile ottenere una maggiore potenza ed efficienza rispetto a quella dell’amplificatore in Classe A utilizzando due transistor complementari nello stadio di uscita con un transistor di tipo NPN o N-channel mentre l’altro transistor è un PNP o P-channel (il complemento) collegato in quella che viene chiamata una configurazione “push-pull”.
Questo tipo di configurazione amplificatore di potenza è generalmente chiamato un amplificatore di classe B ed è un altro tipo di circuito amplificatore audio che vedremo nel prossimo tutorial.,
