關於B類放大器的一些想法

作者: Dana Geiger,Industrial Test Equipment工程師

許多年前,在工程學校,我們瞭解到這種B類放大器的最大效率為78.5%。詳細的推導表示,B類放大器效率的通用公式為…

圖1顯示了使用FET控制元件的B類放大器的通用電路圖。

圖1 使用FET控制元件的B類放大器。

許多年前,在工程學校,我們瞭解到這種B類放大器的最大效率為78.5%。詳細的推導表示,B類放大器效率的通用公式為:

其中,π=3.14159…

Vp=輸出正弦波的峰值電壓(Vpsin(ωt));

Vdc=直流電源電壓(圖1)。

由於放大器無法產生大於其自身電源電壓的輸出電壓,因此Vp實際上不能超過Vdc。因此,當Vp=Vdc時,效率最大:

最大效率=π/4=0.785=78.5%

公式(1)求得的最大效率相對於Vp=Vdc會適當減少,多年以前我們在學校中學到的知識得到了驗證。在這種情況下,傳輸元件上的電壓最小,則效率最高。當Vp<Vdc時,傳輸電晶體上的電壓將會增加,這會產生更多的熱量,而使電路效率降低。

這個公式是假定將恆定幅度的正弦輸出電壓輸送到負載。例如,Industrial Test Equipment的變頻器產品線中就有以恆定幅度正弦輸出電壓工作的放大器,這類設備將本地電源線的電壓和頻率轉換為不同的電壓和/或頻率。500C型號可以將60Hz轉換為50Hz,反之亦然,將50Hz轉換為60Hz,並在兩種情況下為負載提供恆定的115VAC。

但是,使Vp=Vdc,會使放大器過於靠近邊界條件。Vdc或Vp的微小變化,可能導致波形的頂端被削掉。換句話說,放大器不能驅動到Vp高於Vdc的程度。削波這種結果通常是不可接受,Vp=Vdc不是實際的工作點。

考慮到10%的裕度,可以將最大Vp選擇為0.9Vdc,這樣效率就變成了:

效率=π/4×0.9Vdc/Vdc=70.7%

這就是B類放大器工作在恆定輸出電壓下的更實際的效率水準。

與B類放大器相比,使用開關(D類)放大器可以提高效率。然而,這會導入開關雜訊並使電路變得更加複雜。B類電路幾乎沒有雜訊,電路更簡單,並且具有完全的正弦波形。

選擇散熱器

接下來考慮效率的一般公式:

效率=η=Pload/(Pdevice+Pload)

其中:

Pload=輸送到負載的功率(W);

Pdevice=需要從FET耗散的功率。

將這個公式變形可以得到:

Pdevice=Pload(1-η)/η         (2)

這樣就可以計算系統所需的散熱量。例如,假設η=70.7%,Pload=100W,則500C型號所需的散熱量為:

Pdevice=500×(1-0.707)/0.707=207W

這是在系統提供全輸出功率(即500W)時的耗散。在較低的輸出功率下,功耗成比例地降低。例如,在50W的輸出功率下,耗散為20.7W。

所有的B類功率放大器都會在散熱器上裝有一個熱敏開關。當散熱器溫度超過70℃時,這個開關就會打開,從而關閉放大器。當散熱器冷卻至50℃時,該開關就會關閉,從而自動恢復正常操作。

公式(1)的推導

該推導分為兩個主要部分:基本公式和積分後的結果。考慮到大多數讀者可能不喜歡看乏味的計算細節,本文省略了這些部分之間的分步推導,並提供足夠的資訊,以便有興趣的人可以驗證結果。

圖2 公式(1)的推導公式和積分結果。

由於積分公式代表暫態功率,這些公式還是必要。必須將所有暫態功率相加(積分),然後除以週期(π),從而獲得半個週期內的平均功率。實際上,由於正弦波輸出的正半部分和負半部分是對稱的,並且每半部分都向負載提供相同的功率,因此僅需要對正弦波的1/2個週期進行積分。

降額曲線

從上面的例子可以得知,在Vp/Vdc=0.9的情況下,500S型號可以向負載提供500W功率,而散熱量為207W(Pload=500W, Pdevice=207W)。那麼,在較低的電壓(即Vp/Vdc<0.9)下工作時,可以提供多少功率?

這個問題可以透過對公式(2)變形並用公式(1)代替η來解答。結果是:

繼續看這個例子,使Vp/Vdc以0.1的增量從1變為0,並且使Pdevice=207W。要達到滿額定功率輸出,必須要加散熱器耗散這麼多的熱量。由於有這樣的散熱器,可以將它用於所有等級的輸出功率。

結果如表1所示,它使用上述公式和Excel試算表建構。

表1 不同Vp/Vdc下的功率和效率。

最大負載功率(Pload)是Vp/Vdc的函數。

本文將Vp/Vdc=0.9視為最佳工作點(請參見前面的討論)。工作在0.9<(Vp/Vdc)<1的範圍內效率會更高,但這會太接近削波點。

表1顯示,對於Vp/Vdc=0.9且耗散在207W的情況下,Pload=500W,這與先前計算的相同。隨著Vp/Vdc的降低,500S型號的最大功率也會降低,例如,在Vp/Vdc=0.7時,只能提供大約250W功率,效率下降到55%。

(參考原文:Some thoughts on Class B amplifiers,by Dana Geiger)

 

 

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