КПД усилителей, работающих в классе А

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360°

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М. А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы. При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим

Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20 %, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.

Недостаток класса А сразу очевиден — в состоянии покоя потребляемый ток 10 велик и при полной раскачке каскада равен амплитуде переменной составляющей вы­ходного тока Im. Амплитуда переменной составляющей по напряжению Um в пределе равна Е. Таким образом, потребляемая мощность будет Р0=Е010, а отдаваемая PH=UmIm/2 (напоминаем, что деление на 2 связано с тем, что при вычислении мощности берутся эффективные значения напряжения и тока). Таким образом, в идеаль­ных условиях полной раскачки коэффициент полезного действия каскада равен КПД = Рн/Р0 = 0,5 = 50% Такой КПД в идеале реализуется в трансформаторных каскадах, где Um=En вследствие малости сопротивления первичной обмотки трансформатора на постоянном токе. Реальный КПД всегда меньше, поскольку полная раскачка транзистора VT1 невозможна и при большом токе на нем падает напряжение (называемое остаточным). Кроме того, предварительный усилитель потребляет некоторую мощ­ность, а КПД трансформатора чуть ниже 1. Так что реальный КПД составляет не более 40—45%. В бестранс­форматорных каскадах, работающих в классе А (есть и такие), КПД не превышает 25%.

Считается большим достоинством усилителей класса А и то, что потребляемый ими ток не зависит от уровня входного сигнала при изменении его от нуля до напряже­ния полной раскачки усилителя. Это устраняет изменения напряжений источников питания, которые способны вы­звать сильные динамические искажения, присущие уси­лителям, работающим в других классах.