متداول‌ترین نوع پیکربندی تقویت کننده توان، تقویت کننده کلاس A است. تقویت کننده‌های امیتر مشترک متداول‌ترین نوع تقویت کننده هستند، زیرا می‌توانند بهره ولتاژ بسیار زیادی داشته باشند.
تقویت کننده‌های امیتر مشترک (CE) برای تولید یک ولتاژ خروجی بزرگ از یک ولتاژ سیگنال ورودی نسبتا کوچک، تنها چند میلی ولت، طراحی شده‌اند و همانطور که در مقاله های قبلی دیدیم، عمدتا به عنوان «تقویت کننده‌های سیگنال کوچک» استفاده می‌شوند.
با این حال، گاهی اوقات به یک تقویت کننده برای تحریک بارهای مقاومتی بزرگ مانند یک بلندگو یا برای هدایت موتور در یک ربات نیاز است و برای این نوع کاربردها که به جریان‌های سوئیچینگ بالا نیاز داریم، تقویت کننده‌های توان مورد نیاز است.
عملکرد اصلی تقویت کننده توان، که به عنوان «تقویت کننده سیگنال بزرگ» نیز شناخته میشود، تامین توان است که حاصل ضرب ولتاژ و جریان بار می‌باشد. اساسا یک تقویت کننده توان، تقویت کننده ولتاژ نیز هست، با این تفاوت که مقاومت بار متصل به خروجی نسبتا کم است، به عنوان مثال یک بلندگو با مقاومت ۴Ω یا ۸Ω و در نتیجه جریان زیادی از کلکتور ترانزیستور عبور می‌کند.
به دلیل این جریان‌های زیاد، ترانزیستورهای خروجی که برای مراحل خروجی تقویت کننده توان استفاده می‌شوند، مانند 2N3055، باید ولتاژ و توان نامی بالاتری نسبت به ترانزیستورهای عمومی که برای تقویت کننده‌های سیگنال کوچک استفاده می‌شوند، مانند BC107، داشته باشند.
از آنجا که ما علاقه‌مند به تامین حداکثر توان AC به بار هستیم، در حالی که حداقل توان DC ممکن را از منبع مصرف کنیم، بیشتر نگران «بازده تبدیل» تقویت کننده هستیم.
با این حال، یکی از مهم‌ترین معایب تقویت کننده‌های توان و به خصوص تقویت کننده کلاس A این است که بازده کلی تبدیل آنها بسیار کم است، زیرا جریان‌های بزرگ به معنای از دست رفتن مقدار قابل توجهی انرژی به شکل گرما است. درصد بازده تقویت کننده به عنوان توان خروجی rms تلف شده در بار تقسیم بر کل توان DC گرفته شده از منبع تغذیه تعریف میشود.
بازده تقویت کننده توان
۱. تقویت کننده توان
که در آن:
η% – بازده تقویت کننده
Pout – توان خروجی تقویت کننده که به بار منتقل شده است و
PDC – توان DC تامین شده از منبع است.
برای یک تقویت کننده توان بسیار مهم است که منبع تغذیه تقویت کننده به خوبی طراحی شده باشد تا حداکثر توان مداوم موجود را به سیگنال خروجی تامین کند.
تقویت کننده کلاس A
تقویت کننده کلاس A ساده‌ترین شکل تقویت کننده توان است که از یک ترانزیستور سوئیچینگ در پیکربندی استاندارد مدار امیتر مشترک، برای تولید یک خروجی معکوس استفاده می‌کند. ترانزیستور همواره در حالت «روشن» بایاس شده است، به طوری که در طول یک سیکل کامل از شکل موج سیگنال ورودی، جریان را عبور میدهد و حداکثر دامنه سیگنال خروجی را با حداقل اعوجاج تولید می‌کند.
این یعنی پیکربندی تقویت کننده کلاس A حالت ایده‌آل عملیاتی است، زیرا حتی در نیم سیکل منفی نیز هیچگونه اعوجاج در شکل موج خروجی وجود ندارد. در مراحل خروجی تقویت کننده توان کلاس A ممکن است از یک ترانزیستور قدرت یا جفت ترانزیستور متصل به هم استفاده شود تا جریان بار را بین خود تقسیم کنند. مدار تقویت کننده کلاس A زیر را در نظر بگیرید.
مدار تقویت کننده تک مرحله‌ای
۲. مدار تقویت کننده تک مرحله‌ای
این ساده‌ترین نوع مدار تقویت کننده توان کلاس A است که در مرحله خروجی خود از یک ترانزیستور استفاده می‌کند و بار مقاومتی مستقیما به ترمینال کلکتور متصل است. هنگامی که ترانزیستور «روشن» میشود، جریان خروجی را از طریق کلکتور می‌کشد و در نتیجه باعث یک افت ولتاژ اجتناب ناپذیر در مقاومت امیتر میشود و در نتیجه توانایی منفی خروجی را محدود می‌کند.
بازده این نوع مدار بسیار کم است (کمتر از 30%) و به ازای تخلیه توان DC منبع، خروجی‌های توان کمی فراهم می‌کند. یک مرحله تقویت کننده کلاس A حتی وقتی سیگنال ورودی اعمال نشده باشد، همان جریان بار را از خود عبور میدهد، بنابراین برای ترانزیستورهای خروجی به هیت سینک‌های بزرگ نیاز داریم.
با این حال، یک روش ساده دیگر برای افزایش ظرفیت تحمل جریان مدار و در عین حال به دست آوردن بهره توان بیشتر، جایگزینی تک ترانزیستور خروجی با ترانزیستور دارلینگتون است. این نوع دستگاه‌ها اساسا دو ترانزیستور در یک بسته واحد هستند، یک ترانزیستور کوچک «پیشرو (pilot)» و دیگری ترانزیستور بزرگ‌تر «سوئیچینگ». مزیت بزرگ این دستگاه‌ها این است که امپدانس ورودی مناسب و بزرگ است در حالی که امپدانس خروجی نسبتا کم است، در نتیجه باعث کاهش اتلاف توان و در نتیجه گرمای داخل دستگاه سوئیچینگ میشود.
پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون
۳. پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون
مقدار کلی بهره جریان (بتا) یا مقدار hfe دستگاه دارلینگتون، حاصل ضرب بهره‌های دو ترانزیستور است و مقادیر β بسیار زیاد همراه با جریان‌های کلکتور بالا، در مقایسه با یک مدار ترانزیستور واحد امکان پذیر است.
برای بهبود بازده کامل تقویت کننده کلاس A، می‌توان مدار را با یک ترانسفورماتور که مستقیما به مدار کلکتور متصل است، طراحی کرد تا مداری به نام تقویت کننده تزویج ترانسفورماتوری ایجاد شود. ترانسفورماتور با تطبیق امپدانس بار با خروجی تقویت کننده با استفاده از نسبت دور (n) ترانس، بازده تقویت کننده را بهبود می‌بخشد و نمونه‌ای از آن در زیر آمده است.
مدار تقویت کننده تزویج ترانسفورماتوری
با کاهش جریان کلکتور (IC) به دلیل تغییرات جریان بیس به زیر نقطه کار Q که توسط ولتاژ بایاس بیس تنظیم شده است، شار مغناطیسی در هسته ترانسفورماتور فرو می‌ریزد و باعث ایجاد emf (نیروی محرکه الکتریکی) القایی در سیم پیچ اولیه ترانس میشود. این امر باعث میشود تا ولتاژ لحظه‌ای کلکتور به مقدار دو برابر ولتاژ تغذیه (2VCC) برسد و هنگامی که ولتاژ کلکتور در کمترین حد خود است، حداکثر جریان کلکتور دو برابر IC باشد. پس می‌توان بازده این نوع پیکربندی تقویت کننده کلاس A را به صورت زیر محاسبه کرد.
ولتاژ rms کلکتور
جریان rms کلکتور
در نتیجه توان rms تامین شده به بار (PAC) برابر است با:
توان متوسط جذب شده از تغذیه (PDC)
بنابراین بازده تقویت کننده تزویج ترانسفورماتوری کلاس A برابر است با:
ترانسفورماتور خروجی با تطبیق امپدانس بار با امپدانس خروجی تقویت کننده، بازده آن را بهبود می‌بخشد. با استفاده از ترانسفورماتور خروجی یا سیگنال با نسبت دور مناسب، افزایش بازده تقویت کننده کلاس A تا 40% امکان پذیر است. بیشتر تقویت کننده‌های توان کلاس A که به صورت تجاری در دسترس هستند، از این نوع پیکربندی می‌باشند.
با این حال، ترانسفورماتور به دلیل سیم پیچ و هسته خود، یک دستگاه القایی است، بنابراین بهتر است از اجزای القایی در مدارهای تقویت کننده سوئیچینگ اجتناب شود، زیرا بدون محافظت کافی، هرگونه emf بازگشتی ممکن است به ترانزیستور آسیب برساند.
همچنین از دیگر معایب بزرگ این نوع مدار تقویت کننده تزویج ترانسفورماتوری کلاس A، هزینه اضافی و اندازه بزرگ ترانسفورماتور صوتی مورد نیاز است.
نوع «کلاس» یا طبقه بندی که به یک تقویت کننده داده میشود در واقع به زاویه هدایت، بخشی از سیکل 360° شکل موج ورودی که ترانزیستور در آن هدایت می‌کند، بستگی دارد. در تقویت کننده کلاس A زاویه هدایت 360° کامل یا 100% سیگنال ورودی است، در حالی که در سایر کلاس‌های تقویت کننده، ترانزیستور در زاویه هدایت کمتری هدایت می‌کند.
می‌توان با استفاده از دو ترانزیستور مکمل در مرحله خروجی، یک ترانزیستور از نوع npn یا کانال n و دیگری از نوع pnp یا کانل p (مکمل آن) و اتصال آنها در نوعی پیکربندی به نام «پوش-پول (push-pull)»، خروجی توان و بازدهی بیشتری نسبت به تقویت کننده کلاس A به دست آورد.
این نوع پیکربندی تقویت کننده توان عموما تقویت کننده کلاس B نامیده میشود و نوع دیگری از مدار تقویت کننده صدا است که در مقاله بعدی به بررسی آن خواهیم پرداخت.
دیدگاه خود را بنویسید