Как работает расчёт КПД усилителя мощности
Усилитель мощности берёт слабый входной сигнал и энергию источника питания, а на выходе отдаёт в нагрузку сигнал большой мощности. Ни один усилитель не превращает всю потреблённую от питания мощность в полезный ВЧ- или НЧ-сигнал: часть неизбежно уходит в тепло на активном элементе. КПД показывает, какая доля потреблённой мощности реально дошла до нагрузки, а какая была потрачена впустую. От этого числа зависит нагрев транзистора, расход батареи в передатчике и размер радиатора, поэтому КПД считают наравне с усилением и линейностью.
η = Pout / Pdc · 100 %
PAE = (Pout − Pin) / Pdc · 100 %
рассеивается = Pdc + Pin − Pout усиление G = 10 · log₁₀(Pout / Pin) дБ
Здесь Pout — полезная выходная мощность, Pdc — мощность, забираемая от источника питания (произведение напряжения питания на средний ток), Pin — мощность возбуждения на входе. Все три величины подставляются в ваттах; если у вас уровни в дБм, переведите их в ватты через калькулятор dBm ↔ Вт, иначе формула даст бессмыслицу. Результат η и PAE — безразмерная доля, которую удобно выражать в процентах.
Сток-КПД и PAE: почему это два разных числа
Сток-КПД η (drain efficiency для полевых транзисторов, collector efficiency для биполярных) — это простейшая мера: сколько ВЧ-мощности вышло относительно того, сколько взяли от питания. Она удобна, но лукавит, потому что не учитывает, что часть выходной мощности «оплачена» не питанием, а сигналом возбуждения. Для мощного каскада с большим усилением разница пренебрежима, а вот в СВЧ-транзисторе, где усиление на каскад падает до 6–10 дБ, входная мощность становится заметной долей выходной.
Здесь и нужен PAE — power-added efficiency, «КПД по добавленной мощности». Из выходной мощности вычитается входная, то есть учитывается только та мощность, которую усилитель действительно добавил к сигналу. PAE всегда меньше или равен η и честнее отражает энергетику каскада. Усиление в дБ — тот же логарифм отношения Pout/Pin; если хотите разобраться с самими децибелами, посмотрите калькулятор децибелов. Виджет считает усиление автоматически, когда задана входная мощность.
Рассеиваемая мощность: куда уходит тепло
Закон сохранения энергии не обмануть: вся мощность, что вошла в усилитель от питания и от входа, но не ушла в нагрузку, превращается в тепло на кристалле. Отсюда третья формула — рассеиваемая мощность равна Pdc + Pin − Pout. Именно это число, а не КПД, определяет тепловой расчёт. По нему выбирают радиатор и проверяют, не перегреется ли кристалл: подставьте рассеиваемую мощность и тепловое сопротивление в калькулятор температуры кристалла Tj.
Низкий КПД бьёт дважды. Во-первых, растёт счёт за питание и падает время работы от батареи. Во-вторых — и это опаснее — вся разница выходит теплом, а у мощного транзистора тепловой запас невелик. Если рассеивается больше, чем отдаётся в нагрузку (КПД ниже 50 %), теплоотвод становится главной проблемой конструкции. Механизм потерь у транзистора-ключа тот же; оценить его для конкретного полевика помогает калькулятор потерь MOSFET.
Классы усилителей и типичный КПД
КПД сильно зависит от класса работы — то есть от того, какую часть периода сигнала транзистор пропускает ток. Чем меньше угол отсечки, тем выше КПД, но тем сильнее искажения. Ниже — ориентировочные значения сток-КПД при работе вблизи насыщения; в реальных схемах и при недогрузке цифры ниже.
| Класс | Типичный КПД | Теор. предел | Где встречается |
| A | 15–30 % | 50 % | линейные предусилители, Hi-Fi |
| AB | 40–60 % | ~78 % | УМЗЧ, SSB-передатчики |
| B | 60–65 % | 78,5 % | двухтактные выходные каскады |
| C | 70–80 % | ~90 % | ЧМ- и CW-передатчики |
| D / E / F | 85–95 % | ~100 % | ключевые, импульсные, СВЧ |
Где применяют — и где не годится
Расчёт КПД нужен всюду, где усилитель отдаёт заметную мощность: РЧ-передатчики любительской и профессиональной связи, выходные каскады звуковых усилителей, драйверы антенн, промышленные генераторы. При проектировании питания по потребляемой мощности легко получить нужный ток источника — переведите ватты в амперы калькулятором ватты ↔ амперы. КПД усилителя мощности стоит в одном ряду с КПД других узлов тракта: например, у линейного стабилизатора он считается по совсем другой, но родственной логике — см. КПД линейного стабилизатора.
Чего этот расчёт не делает: он не говорит о линейности и искажениях. Класс C с КПД 75 % отлично усилит сигнал с постоянной огибающей (ЧМ, CW), но раздавит амплитудно-модулированный или SSB-сигнал. Поэтому высокий КПД сам по себе не цель — его всегда балансируют с требованиями к чистоте сигнала. Формула также предполагает установившийся режим и корректно измеренные Pout и Pdc; при импульсной или пиковой работе усредняйте мощности за период.
Пример
На значениях по умолчанию: Pout = 10 Вт, Pdc = 16 Вт, Pin = 1 Вт. Сток-КПД η = 10 / 16 · 100 = 62,5 %. PAE = (10 − 1) / 16 · 100 = 56,3 % — на 6 процентных пунктов ниже, потому что 1 Вт возбуждения не бесплатен. Рассеиваемая мощность = 16 + 1 − 10 = 7 Вт — столько тепла нужно снять с транзистора, значит без радиатора не обойтись. Усиление = 10 · log₁₀(10 / 1) = 10 дБ. Это типичная картина для мощного ВЧ-каскада класса AB.
См. также: dBm ↔ Вт · децибелы · температура кристалла · радиатор · потери MOSFET · все калькуляторы
|
