如何利用升壓三極管獲取功率？

我們都知道一個原理：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動來工作的，以 npn管射極跟隨器為例，當(dāng)基極加不加電壓時，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)的擴散運動，在此pn結(jié)處會感應(yīng)出由發(fā)射區(qū)指向基區(qū)的靜電場(即內(nèi)建電場)，當(dāng)基極外加正電壓的指向為基區(qū)指向發(fā)射區(qū)，當(dāng)基極外加電壓產(chǎn)生的電場大于內(nèi)建電場時，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)。

但此時每個pn結(jié)的兩側(cè)都會有電荷存在，此時如果集電極-發(fā)射極加正電壓，在電場作用下，發(fā)射區(qū)的電子往基區(qū)運動(實際上都是電子的反方向運動)，由于基區(qū)寬度很小，電子很容易越過基區(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，在正電場的作用下集電區(qū)的電子加速外集電極運動，而空穴則為pn結(jié)處運動，此過程類似一個雪崩過程。

集電極的電子通過電源回到發(fā)射極，這就是晶體管的工作原理。三極管工作時，兩個pn結(jié)都會感應(yīng)出電荷，當(dāng)做開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，三極管處于飽和狀態(tài)，如果這時三極管截至，pn結(jié)感應(yīng)的電荷要恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這個過程需要時間。

下面我們將介紹通過實例來說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)人員將它們設(shè)計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，重說一下真空管理論是有益的。6L6是一個束射功率管，有陰極、控制柵極、簾柵極、抑制柵極和陽極。抑制柵極實際上是一個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對待。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(對應(yīng)于JFET源極);

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

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

* 抑制柵極：防止二次電子離開陽極到達(dá)簾柵極;在陰極電位下工作;

* 陽極：收集電子(對應(yīng)于JFET漏極)。

圖2 五極管的負(fù)載曲線表明，陽極可在陽極電壓僅為50V時吸收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時的五極管特性曲線。請注意理想化的負(fù)載線以及該五極管可以在板極電壓僅為50V時吸收150 mA的陽極電流。高電壓增益、高陽極阻抗和高輸出功率是五極管放大的三個特點。只要將簾柵極與陽極直接連接，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。

圖3 純?nèi)龢O管需要200V陽極電壓才能吸收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。請注意負(fù)載線以及在三極管模式下板極無法在板極電壓低于200V時吸收150 mA電流。這一事實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，因為他們聲稱它能產(chǎn)生一種優(yōu)秀的音響放大器。

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

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

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

請注意負(fù)載線以及板極此時可以在陽極電壓僅為100V而不是純?nèi)龢O管模式電路所要求的200V時吸收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評估軟件對三個單端A類音頻放大器進行Spice仿真中，靜態(tài)陽極電流的控制柵極偏置為75 mA,而交流柵極信號只是短少放大器限幅。變壓比可為五極管提供5 kΩ的陽極負(fù)載阻抗，為三極管和升壓三極管提供3 kΩ的陽極負(fù)載阻抗。

總之，在開關(guān)電路中，三極管導(dǎo)通時，Uce達(dá)到最小值，此時電流達(dá)到最大值;三極管截止時，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。而集電極電流過三極管時，會產(chǎn)生熱量，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許值時的最大集電極耗散功率稱為PCM.管子實際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積，即Pc=Uce×Ic.使用時慶使Pc