تقویت کننده های کلاس B از دو یا چند ترانزیستور استفاده می‌کنند و به گونه‌ای بایاس شده‌اند که هر ترانزیستور تنها در طول یک نیم سیکل از شکل موج ورودی هدایت می‌کند.
برای بهبود بازده کامل تقویت کننده کلاس A با کاهش توان تلف شده به صورت گرما، می‌توان مدار تقویت کننده توان را با دو ترانزیستور در مرحله خروجی آن طراحی کرده و مداری که به عنوان تقویت کننده کلاس B یا پیکربندی تقویت کننده پوش-پول (هل دادن و کشیدن) شناخته میشود، تولید کرد.
تقویت کننده‌های پوش-پول از دو ترانزیستور «مکمل» یا همسان استفاده می‌کنند، یکی از نوع npn و دیگری از نوع pnp. هر دو ترانزیستور قدرت سیگنال ورودی یکسانی را با هم دریافت می‌کنند که از نظر اندازه برابر اما در فاز مخالف یکدیگر هستند. این منجر میشود که یک ترانزیستور تنها نیمی یا 180° از سیکل شکل موج ورودی را تقویت کند، در حالی که ترانزیستور دیگر نیمه دیگر یا 180° باقی مانده از سیکل شکل موج ورودی را تقویت می‌کند و «دو نیمه» حاصل دوباره در ترمینال خروجی در کنار هم قرار می‌گیرند.
پس زاویه هدایت برای این نوع مدار تقویت کننده تنها ۱۸۰° یا ۵۰% سیگنال ورودی است. این اثر هل دادن و کشیدن نیم سیکل‌های متناوب توسط ترانزیستورها نام جالب «پوش-پول» را به این نوع مدارها میدهد، اما آنها به طور کلی به عنوان تقویت کننده کلاس B شناخته می‌شوند.
مدار تقویت کننده پوش-پول کلاس B با تزویج ترانسفورماتور
1. مدار تقویت کننده پوش-پول کلاس B با تزویج ترانسفورماتور
مدار بالا یک مدار تقویت کننده کلاس B استاندارد را نشان میدهد که از یک ترانسفورماتور ورودی متعادل با اتصال مرکز استفاده می‌کند و سیگنال شکل موج ورودی را به دو نیمه مساوی تقسیم می‌کند که 180° با هم اختلاف فاز دارند. یک ترانسفورماتور اتصال مرکز دیگر در خروجی برای ترکیب مجدد دو سیگنال استفاده میشود که باعث افزایش توان بار میشود. هر دو ترانزیستور مورد استفاده در این نوع مدار تقویت کننده پوش-پول با تزویج ترانسفورماتور، از نوع npn هستند که ترمینال‌های امیتر آنها به هم متصل شده است.
در اینجا، جریان بار بین دو دستگاه ترانزیستور قدرت تقسیم میشود، به طوری که در طول سیکل سیگنال در یک دستگاه کاهش یافته و در دستگاه دیگر افزایش می‌یابد و ولتاژ و جریان خروجی را به صفر می‌رساند. نتیجه این است که اکنون هر دو نیمه شکل موج خروجی بین صفر تا دو برابر جریان کار تغییر می‌کند و اتلاف را کاهش میدهد. این امر بازده تقویت کننده تقریبا دو برابر کرده و به حدود ۷۰% می‌رساند.
با فرض اینکه هیچ سیگنال ورودی وجود ندارد، هر ترانزیستور جریان کلکتور نرمال در نقطه کار را عبور میدهد که مقدار آن توسط بایاس بیس که در نقطه قطع است، تعیین میشود. اگر اتصال مرکزی ترانسفورماتور دقیق باشد، دو جریان کلکتور در جهات مخالف جاری می‌شوند (شرایط ایده‌آل) و هسته ترانسفورماتور مغناطیسی نخواهد شد و بنابراین امکان اعوجاج به حداقل می‌رسد.
هنگامی که یک سیگنال ورودی در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور محرک (T۱) وجود دارد، ورودی‌های بیس ترانزیستورها در «فاز مخالف» هستند. بنابراین اگر بیس TR۱ ترانزیستور را به سمت هدایت سنگین سوق دهد، جریان کلکتور آن افزایش می‌یابد، اما در همان زمان جریان بیس TR۲ بیشتر به منفی می‌رود و آن را در ناحیه قطع نگه می‌دارد، در نتیجه جریان کلکتور این ترانزیستور با مقدار مساوی کاهش می‌یابد؛ برعکس این امر نیز صادق است. از این رو نیمه‌های منفی توسط یک ترانزیستور و نیمه‌های مثبت توسط ترانزیستور دیگر تقویت می‌شوند و این اثر پوش-پول را به وجود می‌آورند.
بر خلاف شرایط DC، این جریان‌های متناوب جمع پذیر هستند و در نتیجه دو نیم سیکل خروجی با هم ترکیب می‌شوند تا موج سینوسی را در سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور خروجی بازسازی کنند که پس از آن در بار ظاهر میشود.
عملکرد تقویت کننده کلاس B دارای بایاس DC صفر است، چراکه ترانزیستورها در ناحیه قطع بایاس شده‌اند، بنابراین هر ترانزیستور تنها زمانی هدایت می‌کند که سیگنال ورودی از ولتاژ بیس-امیتر بیشتر باشد. بنابراین، در ورودی صفر، خروجی صفر است و هیچ توانی مصرف نمی‌شود. این یعنی نقطه Q واقعی یک تقویت کننده کلاس B در قسمت VCE از خط بار قرار دارد.
منحنی مشخصه خروجی کلاس B
2. منحنی مشخصه خروجی کلاس B
تقویت کننده کلاس B نسبت به تقویت کننده کلاس A این مزیت بزرگ را دارد که در حالت خاموش (یعنی بدون سیگنال ورودی) هیچ جریانی از ترانزیستورها عبور نمی‌کند. بنابراین در صورت عدم وجود سیگنال، در ترانزیستورهای خروجی یا ترانسفورماتور هیچ توانی اتلاف نمی‌شود، برخلاف مراحل تقویت کننده کلاس A که به بایاس بیس قابل توجهی نیاز دارند و در نتیجه گرمای زیادی را پراکنده می‌کنند – حتی بدون وجود سیگنال ورودی.
بنابراین بازده تبدیل کلی (η) این تقویت کننده بیشتر از تقویت کننده معادل کلاس A است و افزایش بازده آن تا 70% امکان پذیر می‌باشد. در نتیجه تقریبا همه انواع مدرن تقویت کننده‌های پوش-پول در این حالت کلاس B کار می‌کنند.
تقویت کننده پوش-پول کلاس B بدون ترانسفورماتور
یکی از معایب اصلی مدار تقویت کننده کلاس B این است که در طراحی خود از ترانسفورماتورهای متعادل اتصال مرکزی استفاده می‌کند که ساخت آن پرهزینه است. با این حال، نوع دیگری از تقویت کننده‌های کلاس B به نام تقویت کننده کلاس B تقارن-مکمل وجود دارد که در طراحی خود از ترانسفورماتور استفاده نمی‌کند، بلکه به جای آن از ترانزیستورهای قدرت مکمل استفاده می‌کند.
از آنجا که به ترانسفورماتورها نیازی نیست، مدار تقویت کننده به ازای همان مقدار خروجی، بسیار کوچک‌تر میشود، همچنین هیچ اثر مغناطیسی یا اعوجاج ترانسفورماتور وجود ندارد که کیفیت سیگنال خروجی را تحت تاثیر قرار دهد. شکل زیر، مثالی از مدار تقویت کننده کلاس B «بدون ترانسفورماتور» است.
مرحله خروجی کلاس B بدون ترانسفورماتور
3. مرحله خروجی کلاس B بدون ترانسفورماتور
مدار تقویت کننده کلاس B بالا از ترانزیستورهای مکمل برای هر نیمه از شکل موج استفاده می‌کند و در حالی که تقویت کننده‌های کلاس B بهره بسیار بیشتری نسبت به انواع کلاس A دارند، یکی از معایب اصلی آنها این است که از اثری به نام اعوجاج گذر از صفر رنج می‌برند.
از آموزش‌های قبلی در مورد ترانزیستورها به یاد داریم که تقریبا 0.7V (بین بیس و امیتر) نیاز است تا ترانزیستور دو قطبی شروع به هدایت کند. در یک تقویت کننده کلاس B خالص، ترانزیستورهای خروجی از پیش در حالت عملکرد «روشن» بایاس نشده‌اند.
این یعنی بخشی از شکل موج خروجی که به زیر این پنجره 0.7V می‌رسد دقیقا بازتولید نمی‌شود، زیرا هنگام انتقال بین دو ترانزیستور (وقتی که مدار از یک ترانزیستور به دیگری سوئیچ می‌کند)، ترانزیستورها دقیقا در نقطه گذر از صفر قطع یا شروع به هدایت نمی‌کنند، حتی اگر به صورت ویژه با هم جفت شده باشند.
ترانزیستورهای خروجی به ازای هر نیمه از شکل موج (مثبت و منفی) هر کدام دارای یک ناحیه 0.7V هستند که در آن هدایت نمی‌کنند. در نتیجه هر دو ترانزیستور دقیقا همزمان «خاموش» هستند.
یک روش ساده برای از بین بردن اعوجاج گذر از صفر در تقویت کننده کلاس B این است که دو منبع ولتاژ کوچک به مدار اضافه کنیم تا هر دو ترانزیستور را در نقطه‌ای کمی بالاتر از نقطه قطع آنها بایاس کنیم. این کار مدار تقویت کننده کلاس AB را تولید می‌کند. با این حال، افزودن منابع ولتاژ اضافی به مدار تقویت کننده غیرعملی است، بنابراین از پیوندهای pn به شکل دیودهای سیلیکونی برای تامین بایاس اضافی استفاده میشود.
تقویت کننده کلاس AB
می‌دانیم که برای شروع هدایت ترانزیستور دو قطبی سیلیکونی نیاز به ولتاژ بیس-امیتر بیش از 0.7V داریم، بنابراین اگر دو مقاومت تقسیم کننده ولتاژ را که به ترمینال‌های بیس ترانزیستورها متصل هستند با دو دیود سیلیکونی جایگزین کنیم، ولتاژ بایاس اعمال شده به ترانزیستورها اکنون برابر با افت ولتاژ این دیودها خواهد بود. عموما به آنها دیود بایاس یا دیود جبران کننده گفته میشود و متناسب با مشخصات ترانزیستورهای منطبق انتخاب می‌شوند. مدار زیر بایاس دیودی را نشان میدهد.
4. تقویت کننده کلاس AB
مدار تقویت کننده کلاس AB مصالحه بین پیکربندی کلاس A و کلاس B است. این ولتاژ بایاس بسیار کم دیود باعث میشود که هر دو ترانزیستور، حتی در صورت عدم وجود سیگنال ورودی، کمی هدایت کنند. شکل موج سیگنال ورودی باعث خواهد شد که ترانزیستورها در ناحیه فعال خود به صورت عادی عمل کنند و در نتیجه هرگونه اعوجاج گذر از صفر موجود در طرح‌های تقویت کننده کلاس B خالص از بین می‌رود.
وقتی سیگنال ورودی وجود نداشته باشد، یک جریان کلکتور کوچک جاری میشود، اما نسبت به پیکربندی تقویت کننده کلاس A بسیار کمتر است. این یعنی ترانزیستور در طول بیش از نیمی از سیکل شکل موج، اما بسیار کمتر از یک سیکل کامل، «روشن» است که بسته به مقدار بایاس اضافی مورد استفاده زاویه هدایت آن بین 180° تا 360°، یا 50% تا 100% سیگنال ورودی، خواهد بود. مقدار ولتاژ بایاس دیودی موجود در ترمینال بیس ترانزیستور را می‌توان با افزودن دیودهای سری اضافی، به صورت مضربی افزایش داد.
برای کاربردهای با توان بالا مانند تقویت کننده‌های قدرت صوتی و سیستم‌های PA (سیستم‌های صوتی عمومی)، تقویت کننده‌های کلاس B نسبت به طرح‌های کلاس A ارجح هستند. مانند مدار تقویت کننده کلاس A، یکی از راه های افزایش قابل توجه بهره جریان (Ai) تقویت کننده پوش-پول کلاس B استفاده از جفت ترانزیستور دارلینگتون به جای ترانزیستور تک در مدار خروجی آن است.
در مقاله بعدی در مورد تقویت کننده‌ها، با دقت بیشتری به اثرات اعوجاج گذر از صفر در مدارهای تقویت کننده کلاس B و روش‌های کاهش آن خواهیم پرداخت.
دیدگاه خود را بنویسید