تقویت کننده‌های امیتر مشترک از نوع تقویت کننده پرکاربرد است زیرا که آنها می‌توانند بهره ولتاژ بسیار بزرگی داشته باشند.

تقویت کننده امیتر مشترک (CE) برای تولید یک ولتاژ خروجی بزرگ گرفته شده از یک ولتاژ سیگنال ورودی نسبتا کوچک در حدود چند میلی ولت طراحی شده است و اساسا به عنوان “تقویت کننده‌های سیگنال کوچک” که در آموزش‌های قبلی دیدیم بکار می‌رود.

تقویت کننده امیتر مشترک

تابع اصلی تقویت کننده توان، که همچنین به عنوان “تقویت کننده سیگنال بزرگ” شناخته می‌شوند ارسال توان است که محصول ولتاژ و جریان به بار است.

اگرچه، گاهی اوقات یک تقویت کننده برای راه اندازی بارهای مقاومتی بزرگ مانند بلندگوها یا برای راه اندازی یک موتور در یک ربات مورد نیاز است و برای این نوع کاربردها که جریان های سوئیچینگ بالا مورد نیاز است، تقویت کننده‌های توان مورد نیاز است. اساسا یک تقویت کننده توان نیز یک تقویت کننده ولتاژ است و اختلاف بار مقاومتی متصل به خروجی نسبتا پایین است، برای مثال یک بلندگو 4 یا 8 اهمی منجر به جریان های بالای جاری در کلکتور ترانزیستور می‌شود.

به دلیل این جریان های بار بالا ترانزیستور خورجی (s) مورد استفاده برای حالات خروجی تقویت کننده توان مانند 2N3055  نیاز به داشتن ولتاژ بالاتر و محدوده توان نسبت به یک ترانزیستر عمومی استفاده شده برای تقویت کننده های سیگنال کوچک مانند BC107 است.

از آنجا که ما علاقه مند ارسال حداکثر توان AC به بار هستیم، در حالی که حداقل توان DC ممکن را از منبع مصرف می‌کنیم، بیشتر در مورد “کارایی تبدیل” تقویت کننده‌ها نگران هستیم.

اگرچه، یکی از اصلی ترین معایب تقویت کننده‌های توان و به ویژه تقویت کننده کلاس A این است که بازده کلی تبدیل آنها بسیار کم است زیرا جریان های بزرگ به معنای از دست رفتن مقدار قابل توجهی از انرژی به صورت گرما است. درصد کارایی درتقویت کننده ها بصورت توان خروجی r.m.s پراکنده شده در بار تقسیم شده توسط توان DC کلی گرفته شده از منبع تغذیه که در زیر نشان داده شده است تعریف شده است.

بازده تقویت کننده توان

بطوریکه:

η% – بازده تقویت کننده است.

Pout – توان خروجی ارسال شده به بار تقویت کننده است.

Pout – توان DC گرفته شده از منبع است.

برای یک تقویت کننده  توان بسیار مهم است که منبع تغذیه تقویت کننده ها به خوبی طراحی شده باشد تا حداکثر توان پیوسته موجود را به سیگنال خروجی ارائه دهد.

تقویت کننده کلاس A

متداول ترین نوع پیکربندی تقویت کننده توان، نوع کلاس A است. تقویت کننده کلاس A ساده ترین شکل از تقویت کننده توان است که از ترانزیستور سوئیچینگ واحد در مدار استاندارد مدار ساطع کننده استاندارد همانطور که قبلاً برای تولید یک خروجی معکوس استفاده شده است، استفاده می کند. ترانزیستور همیشه بصورت “روشن” بایاس می شود به طوری که در طول یک چرخه کامل از شکل موج سیگنال ورودی هدایت می کند و حداقل تحریف و حداکثر دامنه سیگنال خروجی را تولید می کند.

این بدان معناست که پیکربندی تقویت کننده کلاس A حالت عملیاتی ایده آل است، زیرا حتی در نیمه منفی چرخه نیز هیچگونه اعوجاج متقاطع یا خاموش برای شکل موج خروجی وجود ندارد. در مراحل خروجی تقویت کننده توان کلاس A ممکن است از یک ترانزیستور توان یا جفت ترانزیستور متصل به هم استفاده شود تا جریان بار بالا را تقسیم کنند. مدار تقویت کننده کلاس A زیر را در نظر بگیرید.

مدار تقویت کننده تک حالت

این ساده ترین نوع مدار تقویت کننده توان کلاس A است. برای مرحله خروجی خود از ترانزیستور تک انتها استفاده می کند که بار مقاومتی مستقیماً به ترمینال کالکتور متصل است. هنگامی که ترانزیستور  را روشن می کند، جریان خروجی را از طریق کلکتور می کشد و در نتیجه باعث کاهش ولتاژ مقاومت در برابر امیتر می‌شود و در نتیجه توانایی خروجی منفی را محدود می کند.

کارایی این نوع مدار بسیار پایین است (کمتر از 30٪) و خروجی های کم توان را برای تخلیه زیاد منبع تغذیه DC فراهم می‌کند. یک مرحله تقویت کننده کلاس A جریان بار یکسانی را عبور می‌دهد حتی وقتی سیگنال ورودی اعمال نمی‌شود، بنابراین برای ترانزیستورهای خروجی نیازی به گرما گیرهای بزرگ نیست.

اگرچه، یک روش ساده دیگر برای افزایش ظرفیت جابجایی جریان مدار و در عین حال افزایش بیشتر توان، جایگزینی ترانزیستور تک خروجی با ترانزیستور دارلینگتون است. این نوع دستگاهها اساساً دو ترانزیستور در یک بسته واحد هستند، یک ترانزیستور کوچک “پایلوت” و دیگری ترانزیستور بزرگتر “سوئیچینگ” است. مزیت بزرگ این دستگاه ها این است که امپدانس ورودی به میزان مناسبی بزرگ است در حالی که امپدانس خروجی نسبتاً کم است، در نتیجه باعث کاهش افت توان و در نتیجه گرمای درون قطعه سوئیچینگ می‌شود.

پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون

مقدار کلی بهره جریان بتا (β) یا مقدار hfe یک قطعه دارلینگتون حاصل ضرب دو بهره منفرد ترانزیستورها با هم است و مقادیر β بسیار بالا همراه با جریان های کلکتور زیاد در مقایسه با یک مدار ترانزیستور واحد امکان پذیر است.

برای بهبود کارایی کامل تقویت کننده کلاس A ، می‌توان مدار را با یک ترانسفورماتور که مستقیماً در مدار کلکتور متصل شده است، طراحی کرد تا مداری به نام تقویت کننده پیوندی ترانسفورماتور ایجاد شود. ترانسفورماتور با تطبیق امپدانس بار با تقویت کننده خروجی با استفاده از نسبت دور (n) ترانسفورماتور، کارایی تقویت کننده را بهبود می‌بخشد و نمونه ای از آن در زیر آورده شده است.

مدار تقویت کننده ترانسفورماتور پیوندیافته

به عنوان جریان کلکتور، Ic به زیر نقطه Q ساکن که توسط ولتاژ بایاس بیس تنظیم شده، کاهش می یابد  به دلیل تغییرات در جریان بیس، شار مغناطیسی در هسته ترانسفورماتور فرو می ریزد و باعث ایجاد EMF القایی در سیم پیچ های اولیه ترانسفورماتور می شود. این امر باعث می شود تا ولتاژ کلکتور فوری به مقداری دو برابر ولتاژ تغذیه Vcc2 برسد و حداکثر جریان کلکتور دو برابر Ic را هنگامی که ولتاژ کلکتور در کمترین حد است، افزایش دهد. سپس می توان کارایی این نوع پیکربندی تقویت کننده کلاس A را به صورت زیر محاسبه کرد.

r.m.s. ولتاژ کلکتور به صورت زیر است:

[latexpage]

[

V_{CE}=frac{V_{Cmax}-V_{Cleft(minright)}}{2sqrt2}=frac{2Vcc-0}{2sqrt2}

]

r.m.s جریان کلکتور به صورت زیر است:

[

I_{CE}=frac{I_{Cmax}-I_{Cleft(minright)}}{2sqrt2}=frac{2Ic-0}{2sqrt2}

]

r.m.s. توان تحویلی به بار (Pac) به این صورت است:

[

Pac=V_{CE}times I_{CE}=frac{2V_{CC}}{2sqrt2}timesfrac{2I_{CC}}{2sqrt2}=frac{2Vcc 2Ic}{8}

]

توان متوسط کشیده شده از منبع (Pdc) توسط:

[

Pdc=V_{CC}times I_C

]

و بنابراین کارایی تقویت کننده کلاس A ترانسفورماتور به صورت زیر ارائه می‌شود:

[

etaleft(maxright)=frac{Pac}{Pdc}=frac{2Vcc 2Ic}{8VccIc}times100%

]

ترانزیستور تقویت کننده

یک ترانسفورماتور خروجی با تطبیق امپدانس بار با امپدانس خروجی تقویت کننده، کارایی تقویت کننده را بهبود می‌بخشد. با استفاده از یک ترانسفورماتور خروجی یا سیگنال با نسبت چرخش مناسب، کارآیی تقویت کننده کلاس A به 40٪ می رسد که با بیشتر تقویت کننده های توان نوع کلاس A از این نوع ترکیبات امکان پذیر است.

اگرچه، ترانسفورماتور به دلیل سیم پیچ و هسته‌ی خود یک قطعه القایی است، بنابراین بهتر است از استفاده از اجزای القایی در مدارهای سوئیچینگ تقویت کننده جلوگیری شود زیرا هر EMF عقبی تولید شده ممکن است بدون محافظت کافی به ترانزیستور آسیب برساند.

همچنین از دیگر معایب بزرگ این نوع مدار تقویت کننده کلاس A ترانسفورماتور، هزینه و اندازه اضافی ترانسفورماتور صوتی مورد نیاز است.

مدار تقویت کننده ترانزیستوری

نوع “کلاس” یا طبقه بندی که به یک تقویت کننده داده می‌شود در حقیقت به زاویه هدایت، بخشی از 360 چرخه شکل موج ورودی، که ترانزیستور در آن هدایت می کند، بستگی دارد. در تقویت کننده کلاس A زاویه هدایت یک 360 یا 100٪ کامل از سیگنال ورودی است در حالی که در دیگرکلاس‌های تقویت کننده، ترانزیستور در طول زاویه هدایت کمتر هدایت می‌کند.

با استفاده از دو ترانزیستور مکمل در مرحله خروجی با یک ترانزیستور از نوع NPN یا نوع کانال N در حالی که ترانزیستور دیگر PNP یا نوع کانال P (نوع مکمل) است می‌توان خروجی و کارایی توان بیشتری نسبت به تقویت کننده کلاس A به دست آورد که پیکربندی “push-pull” نامیده می‌شود.

به این نوع از پیکربندی تقویت کننده توان عموما تقویت کننده کلاس B گفته می شود و نوع دیگری از مدار تقویت کننده صوتی است که در آموزش بعدی به بررسی آن خواهیم پرداخت.