如何利用升壓三極管獲取功率？

我們都知道一個(gè)原理：三極管輸出的功率，隨輸出電壓不同，輸出功率不同，電壓越高，功率越大。

三極管是靠載流子的運(yùn)動(dòng)來(lái)工作的，以 npn管射極跟隨器為例，當(dāng)基極加不加電壓時(shí)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)組成的pn結(jié)為阻止多子(基區(qū)為空穴，發(fā)射區(qū)為電子)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在此pn結(jié)處會(huì)感應(yīng)出由發(fā)射區(qū)指向基區(qū)的靜電場(chǎng)(即內(nèi)建電場(chǎng))，當(dāng)基極外加正電壓的指向?yàn)榛鶇^(qū)指向發(fā)射區(qū)，當(dāng)基極外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)大于內(nèi)建電場(chǎng)時(shí)，基區(qū)的載流子(電子)才有可能從基區(qū)流向發(fā)射區(qū)，此電壓的最小值即pn結(jié)的正向?qū)妷?工程上一般認(rèn)為0.7v)。

但此時(shí)每個(gè)pn結(jié)的兩側(cè)都會(huì)有電荷存在，此時(shí)如果集電極-發(fā)射極加正電壓，在電場(chǎng)作用下，發(fā)射區(qū)的電子往基區(qū)運(yùn)動(dòng)(實(shí)際上都是電子的反方向運(yùn)動(dòng))，由于基區(qū)寬度很小，電子很容易越過(guò)基區(qū)到達(dá)集電區(qū)，并與此處的PN的空穴復(fù)合(靠近集電極)，為維持平衡，在正電場(chǎng)的作用下集電區(qū)的電子加速外集電極運(yùn)動(dòng)，而空穴則為pn結(jié)處運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程類似一個(gè)雪崩過(guò)程。

集電極的電子通過(guò)電源回到發(fā)射極，這就是晶體管的工作原理。三極管工作時(shí)，兩個(gè)pn結(jié)都會(huì)感應(yīng)出電荷，當(dāng)做開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，如果這時(shí)三極管截至，pn結(jié)感應(yīng)的電荷要恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程需要時(shí)間。

下面我們將介紹通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明利用升壓三極管可以獲取更多功率的方式。雖然采用的6L6束射功率管盡管已經(jīng)存在了66年，但是現(xiàn)在仍然十分流行地應(yīng)用于電吉他放大器中，與其同類的6CA7 (EL34)功率五極管也是高保真音響“發(fā)燒友”之所愛。

這些電子管的開發(fā)人員將它們?cè)O(shè)計(jì)得以五極管模式工作，而在這種模式下它們能夠輸出最大的音頻功率。另一方面，許多高保真音響愛好者更喜歡以三極管模式工作，而且直到現(xiàn)在也不得不將輸出功率降低50%.輸出功率降低意味著他們需要更大的電源和兩倍數(shù)量的昂貴電子管來(lái)從三極管放大器中獲得五極管的功率。圖1a、1b和1c分別示出了將6L6變?yōu)槲鍢O管、實(shí)三極管和“升壓三極管”的三種連接方式。升壓三極管配置使得五極管在以真三極管模式工作時(shí)可以產(chǎn)生類似五極管的功率。為了理解升壓三極管的工作情況，重說(shuō)一下真空管理論是有益的。6L6是一個(gè)束射功率管，有陰極、控制柵極、簾柵極、抑制柵極和陽(yáng)極。抑制柵極實(shí)際上是一個(gè)由兩塊聚束板提供的虛擬抑制柵極，但是可以將6L6束射功率管作為五極管來(lái)對(duì)待。你可以將五極管看作是具有下列電極功能的n溝道JFET:

圖1 五極管(a)能輸出比三極管(b)大得多的功率，但采用升壓三極管配置除外(c)

* 熱電子陰極：電子源(對(duì)應(yīng)于JFET源極);

* 控制柵極：控制陰極電流;在相對(duì)于陰極的負(fù)電位下工作(對(duì)應(yīng)于JFET柵極);

* 簾柵極：靜電屏蔽控制柵極和板極，從而減小陽(yáng)極電壓對(duì)陰極電流的影響;在相對(duì)于陰極的正電位下工作;

* 抑制柵極：防止二次電子離開陽(yáng)極到達(dá)簾柵極;在陰極電位下工作;

* 陽(yáng)極：收集電子(對(duì)應(yīng)于JFET漏極)。

圖2 五極管的負(fù)載曲線表明，陽(yáng)極可在陽(yáng)極電壓僅為50V時(shí)吸收150 mA電流

上圖2示出了控制柵極電壓為0~ -25V和簾柵極電壓為250V時(shí)的五極管特性曲線。請(qǐng)注意理想化的負(fù)載線以及該五極管可以在板極電壓僅為50V時(shí)吸收150 mA的陽(yáng)極電流。高電壓增益、高陽(yáng)極阻抗和高輸出功率是五極管放大的三個(gè)特點(diǎn)。只要將簾柵極與陽(yáng)極直接連接，該五極管可以以三極管模式工作。低電壓增益和低輸出阻抗是這種模式的特點(diǎn)。

圖3 純?nèi)龢O管需要200V陽(yáng)極電壓才能吸收150 mA電流

上圖3示出了三極管曲線與五極管曲線的差別。這些曲線代表0 ~ -90V的控制柵極電壓。請(qǐng)注意負(fù)載線以及在三極管模式下板極無(wú)法在板極電壓低于200V時(shí)吸收150 mA電流。這一事實(shí)大大限制了放大器效率及輸出功率。但是，盡管輸出功率有限，一些人還是更喜歡三極管模式，因?yàn)樗麄兟暦Q它能產(chǎn)生一種優(yōu)秀的音響放大器。

圖4 一個(gè)100V簾柵極電源可將一個(gè)普通三極管轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)升壓三極管

圖5 升壓三極管的陽(yáng)極可在陽(yáng)極電壓100V時(shí)吸收150 mA電流，而純?nèi)龢O管則需要200V陽(yáng)極電壓才可以

對(duì)于圖1c所示的升壓三極管電路來(lái)說(shuō)，你只是在標(biāo)準(zhǔn)三極管放大器電路上增加一個(gè)100V簾柵極-陽(yáng)極電源(圖4)。這樣做就使三極管特征曲線向左平移了 100V(圖5)。

請(qǐng)注意負(fù)載線以及板極此時(shí)可以在陽(yáng)極電壓僅為100V而不是純?nèi)龢O管模式電路所要求的200V時(shí)吸收150 mA電流。你可以利用升壓三極管放大獲得大得多的功率，并仍然保持三極管放大的特性。在使用MicroCap-7評(píng)估軟件對(duì)三個(gè)單端A類音頻放大器進(jìn)行Spice仿真中，靜態(tài)陽(yáng)極電流的控制柵極偏置為75 mA,而交流柵極信號(hào)只是短少放大器限幅。變壓比可為五極管提供5 kΩ的陽(yáng)極負(fù)載阻抗，為三極管和升壓三極管提供3 kΩ的陽(yáng)極負(fù)載阻抗。

總之，在開關(guān)電路中，三極管導(dǎo)通時(shí)，Uce達(dá)到最小值，此時(shí)電流達(dá)到最大值;三極管截止時(shí)，Uce達(dá)到最大值，但電流幾乎為0.所以開關(guān)電路中，“開”與“關(guān)”狀態(tài)下，三極管的耗散功率是很小的，而在“開”與“關(guān)”的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，Uce、Ic值都比較大，三極管承受的功率較大。而集電極電流過(guò)三極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過(guò)允許值時(shí)的最大集電極耗散功率稱為PCM.管子實(shí)際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時(shí)慶使Pc