A類放大器效率低,B類放大器效率高,這早已被大家所熟知,但顯然我們不能憑著這麼一個簡單的概念來從事功率放大器的設計工作。要設計一個功率放大器,必得知道放大器在何種情況下工作最吃力,此時的消耗功率是多少,總消耗功率的最大值又是多少,以下讓我們一同來探討放大器的效率問題。
一、B類放大器
圖1所示為典型SEPP輸出級的電路圖,其中設定Ic1及Ic2的方向都向著輸出端流去,若忽略IB,由克希荷夫電流定律可知可知Ic1+Ic2=IL。而本文之Vo皆指輸出峯值電壓。
圖2為B類放大器Ic1 Ic2之電流波形,Ic1為輸出電流IL的正半週,Ic2為負半週,兩者之和正好等於IL;故知B類放大器非得「推挽」不可(不論是單端推挽或雙端推挽),Tr1負責「推出」電流 T2負責「挽入」電流,不然B類只能處理訊號的一半而已。
在計算放大器功率消耗之前,我們先假設電源完全穩定,且忽略電晶體的VBE及RE上之壓降,以使問題不致太複雜。
要算出放大器的消耗功率PD,可先算出電源輸入電路之功率Pin(即電源之輸出功率),再減去輸出功率Po即得PD。
而Pin=Vcc×Ic1+(-Vcc)×Ic2=Vcc×(Ic1-Ic2),因此可將圖2簡化成Ic1-Ic2之波形,如圖3。
因為Ic1-Ic2=Im│Sin ωt│
Im=Vo/RL
故Pin(t)=Vcc×Im│Sin ωt│
=Vcc×Vo/RL×│Sin ωt│
以上所求得的是Pin隨時間而變的函數,而我們所需要的則為平均功率。一個時間函數其平均值的公式為:
得到的PD為變數的一元二次函數,故其極大值發生在Vo=2Vcc/π時:
PD(max)=2Vcc²/π²RL
此時之Po=2Vcc²/π²RL=PD(max)
故之此時放大器的效率為50%。
而任一輸出時,效率為:
%η=(Po/Pin)×100%(πVo/4Vcc)×100%
圖4所示為B類放大器PD與Po之關係曲線,其中PD呈拋物線狀,頂點與Po相交。而當Vo=Vcc時效率最高,為:
%η(max)=(π/4)×100%≈78.54%
亦即,在滿功率輸出時效率達78.54%,而非任何情況下B類皆有78.54%的效率。
現在是以雙快槍之Vcc=85V為例計算看看。
PD(max)=(2×85/π)²/(2×8)≈183W
Po(max)=85²/(2×8)≈451.56W
Pin(max)=85×85×2/(π×8)≈574.95W
%η≈(451.56/574.95)×100%≈78.54%
由於PD(max)=183W,Pin(max)=574.95W,故雙快槍之8個功率晶體,每個只分攤22.875W而已,而電源輸出功率須達574.95W。
二、A類放大器
圖5所示為A類放大器之Ic1與Ic2之波形。Io為靜態電流,Ic1=Io+Im Sin ωt, Ic2=-Io+Im Sin ωt, IL=Ic1+Ic2=2Im Sin ωt而Vo=2ImRL,由此可知A類動作時,TR1及TR2各輸出一完整的訊號,因此A類放大器不一定非推挽不可,亦可做單晶體放大的型式。
因Im(max)=Vo(max)/2RL=Vcc/2RL,所以只要Io≥Vcc/2RL,便能保證再滿功率輸出時,Tr1 Tr2皆不截止。
而A類放大器之Ic1-Ic2=2Io,是為直流,如圖6。
故Pin=Vcc×2Io,令Io=Vcc/2RL,得Pin=Vcc²/RL,而PD=Pin-Po=Vcc²/RL -Vo²/2RL。
由上式得知,當V=0時,得:
PD(max)=Vcc²/RL
而當Vo=Vcc時,Po最大,PD最小,此時:
PD(max)=Vcc²/RL-Vcc²/2RL=Vcc²/2RL=Po(max)
圖7所示為A類放大器PD與Po關係曲線,當輸出越小時PD與Po之差別非常之大,與圖4B類的關係曲線比較看看,B類的差別就小太多了。各位別以為A類放大器最大效率達50%,不低嘛!那是對正弦波訊號而言,一般音樂的峯值均值比約20:1,因此在實際使用時,A類就非常不經濟了。
三、AB類放大器
前面A類的討論中,曾提到必須Io≥Vcc/2RL時,仍能保持A類動作;現在我們來討論一下Io＜Vcc/2RL的情形。此時,若Vo≤2RLIo時仍為A類動作,情況與A類相同,不再贅述,而只討論2RLIo＜Vo≤Vcc這個範圍內的情形。
圖8所示為AB類放大器工作時,Ic1和Ic2之波形,當Tr2截止後,Tr1才負擔全部的輸出;反之亦然。若將它簡化成c1-Ic2時如圖9。
其證明甚為繁複,不過各位可試著以各種符合條件的數據印證看看。
對於AB類的PD(max),可先算出產生極大值時之Vo,代入PD的式子算出,再與靜態消耗比較一下,因為Io設定的越大,可能靜態消耗會大於AB類工作時之極大值。圖10為AB類放大器PD與Po關係之示意圖。
我們再以雙快槍之Vcc=85V, Io=0.25A算算看:
四、安全上的考慮
以上所探討的是正常情況下之功率消耗,但設計一個放大器,不能不考慮一些意外的情形,會導致放大器的損壞;而最主要的便是輸出短路的情形。
由於放大器的輸出阻抗幾近為零,如無保護措施,短路時即使是很小的信號,也會導致電流無限制地增加,任何放大器也會迅即燒毀。而一般的保護措施有輸出端串聯保險絲,和電晶體限流保護兩種。
保險絲是利用電流經其上所生的熱將它燒斷的,故其電流值應設定為滿功率輸出電流的有效值,即Vcc/√2RL。
而限流保護的裝置,觸發時即限定功率晶體的電流不。繼續增加,輸出電流波形呈截波狀態,故應設定在滿功率輸出電流的峯值觸發,即Vcc/RL。
A類放大器在短路時,無論是輸出Vcc/√2RL的直流電流(若中點偏移稍嚴重的話),或Vcc/RL的方波電流(因截波而形成),其PD皆為A類的靜態消耗Vcc²/RL,顧之A類放大器如加有保護措施的話,可長時間短路而沒有危險。
B類放大器在短路時,若輸出Vcc/√2RL的直流電流,PD=Vcc²/√2RL;若輸出Vcc/RL的方波電流時,PD=Vcc²/RL。這比平常工作的PD大太多了,我們不能為偶而不正常的操作,設計放大器承受這麼大的功率消耗,那麼保護措施豈不形同虛設?這倒不是,保護措施會讓放大器在最惡劣的情況下,不致立即燒毀,俟散熱片溫度上升到某一程度才「報銷」。因此保護措施為您爭到一段緩衝的時間,讓您能從容地及時制止「慘劇」發生;現在您要是燒了放大器,可不能再怪保護措施沒作用,而要怪您自己警覺性不夠囉!
說來這兩種保護方式,還是以保險絲比較安全,倒不是因為Vcc/RL大於Vcc²/√2RL的關係,而是通常在有訊號輸入的情況下,輸出短路,保險絲會立刻燒斷,電流維持在Vcc/√2RL而不燒斷保險絲的情況非常少,不像限流方式,只限流而不斷路。保險絲不受歡迎的原因,則是因其不算小的阻抗,會影響放大器的阻尼係數。我現在介紹一個改善的方法供大家參考。
放大器之所以能有很低的輸出阻抗,乃是由於採用電壓反饋方式,以大量負回授來降低輸出阻抗。圖11為保險絲的一般接法,串接在負回授環路的外面,負回授將放大器的輸出阻抗降低後,却因保險絲的串聯而劣化了。
改善的方法如圖12,將保險絲介入回授環路之中,如此負回授便能將保險絲的阻抗和放大器的輸出阻抗一起降低。這跟所謂的「Σ電路」的原理是一樣的,Σ電路也不過是將導線的阻抗介入回授環路如此而已。
五、結論
由先前假設電源完全穩定,又不計VBE及RE之壓降,故以上的計算跟實際的情形有些出入;最主要的是Vcc會隨Vo的增加而減少,因此Vo(max)達不到Vcc的空載電壓,而Vcc的變化量又視各種電源的電壓調整率而有不同,各位如欲求得更精確的結果,可依電源的情況,找出Vcc以Vo為變數的函數,帶入前面所得的公式做計算即可。
另外有一點必須要注意到,因為我們只對輸出級做探討,所以一直以輸出級達到飽和時的輸出為最大輸出;然而有一些放大器輸出級永不會飽和,這是由於電壓放大級的電源取自輸出級,且經過反交連電路其電壓會較輸出級之前飽和;像雙快槍便是一例。但是像幾年前轟動一時的萬能老虎電路,由於輸出級為共射極組態,是以電流驅動,故能達到飽和。而海風的SW-150M,因其電壓放大級的電源較輸出級高很多,故輸出級也能達到飽和。
經過了以上的探討,相信各為對放大器功率消耗的問題一定有了更深切的了解吧!
轉載音響技術第83期NOV. 1982 放大器的功率消耗/柯文山(通訊處:台南市五妃街177巷2號)
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