4. Układy dużej mocy i problemy cieplne w układach scalonych

4.6. Pojęcie sprawności energetycznej

Maksymalna moc, jaką może oddać układ scalony do obciążenia, jest oczywiście ograniczona także przez  konieczność odprowadzania ciepła wydzielającego się w tranzystorach wyjściowego stopnia mocy. Przy danej mocy oddawanej do obciążenia ilość ciepła wydzielającego się w tranzystorach stopnia mocy zależy od sprawności energetycznej tego stopnia. Sprawnością energetyczną nazywamy stosunek mocy oddawanej przez wzmacniacz do obciążenia do całkowitej mocy dostarczonej ze źródła zasilania. Im niższa sprawność energetyczna, tym większy – przy danej mocy oddawanej do obciążenia – pobór mocy ze źródła zasilania, a więc tym więcej wydziela się ciepła, które trzeba odprowadzić od tranzystorów stopnia mocy. 

Sprawność energetyczna zależy nie tylko od budowy stopnia mocy i parametrów jego elementów, ale i od rodzaju sygnałów wzmacnianych przez ten stopień. Można pokazać, że maksymalna osiągalna teoretycznie sprawność szeregowego przeciwsobnego stopnia mocy dla czystego sygnału sinusoidalnego wynosi nieco ponad 78%. Sprawność energetyczna osiąga wartość bliską 100% dla sygnałów o charakterze impulsów prostokątnych zero-jedynkowych, tj. takich, dla których tranzystory stopnia mocy są albo całkowicie wyłączone i nie przewodzą, albo są maksymalnie wysterowane. W pierwszym przypadku prąd nie płynie, więc i moc pobierana oraz oddawana do obciążenia są równe zeru. W drugim przypadku moc oddawaną do obciążenia i traconą w tranzystorze określają wzory 4-4 i 4-5. Jeśli spełniony jest warunek R_L\gg R_S, moc PS wydzielana w tranzystorach jest pomijalnie mała wobec Pwy max, a sprawność zbliża się do 100%.