Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

9-6. 

ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Выходные (оконечные) каскады в радиовещательных приемниках и в звуковых трактах телевизоров предназначены для отдачи необходимой мощности сигнала громкоговорителю или группе громкоговорителей. Эта мощность должна отдаваться выходным каскадом при возможно меньшем расходе энергии источников питания и при допустимых значениях искажений. Для того чтобы дать представление о свойствах потребителей мощности низкой частоты, скажем несколько слов о громкоговорителях.

Основным типом громкоговорителя (по принципу действия) является электродинамический громкоговоритель, основанный на механическом взаимодействии проводника, несущего ток, с полем постоянного магнита. Основу его магнитной системы составляет сильный постоянный магнит замкнутой кольцеобразной формы с воздушным зазором. В воздушном зазоре расположена так называемая "звуковая" катушка (к ее зажимам с выхода усилителя подводится ток сигнала звуковой частоты), скрепленная с диффузором (отлитым из бумажной массы). Диффузор имеет форму круглого или эллиптического конуса. В пределах упругости креплений катушка вместе с диффузором может совершать перемещения вправо и влево, не касаясь полюса магнитной системы. Именно такие колебания и совершает упругая система за счет взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей при прохождении переменного тока по виткам звуковой катушки. Диффузор излучает в пространство звуковые волны.

Потребителем энергии для выходного каскада усилителя служит звуковая катушка громкоговорителя, совершающая движения. Активное сопротивление ее, с учетом преобразования электрической энергии в звуковую, обычно составляет единицы Ом (реже до сотен Ом). Такое сопротивление потребителя резко отличается от выходного сопротивления лампы или транзистора. Для того чтобы усилительный каскад получил необходимое сопротивление нагрузки, громкоговоритель включается через трансформатор. В том случае, когда приемник имеет два громкоговорителя (Гр2 - на более высокие частоты, а Гр1 - на более низкие), они включаются в общий трансформатор Тр через фильтры верхних (L2C2) и нижних (L1C1) частот соответственно (рис. 9-14).

Рис. 9-14. Включение двух громкоговорителей на разные полосы частот.

Итак, мы переходим к оконечному каскаду с включением активного нагрузочного сопротивления через трансформатор. Схема такого каскада на лучевом тетроде изображена на рис. 9-15, а. На вход воздействует переменное напряжение с амплитудой Um1 с зажимов предыдущего (предвыходного) каскада. Лампа ставится в режим работы без сеточных токов путем выбора соответствующей величины "катодного" смещения на управляющую сетку (сопротивление Rк). В цепь анода включена первичная обмотка I трансформатора Тр; во вторичную обмотку II включено сопротивление R громкоговорителя. Напряжение на экранирующую сетку лампы взято непосредственно от источника анодного питания Ea, что допустимо в выходных каскадах на лучевых тетродах и на пентодах.

Рис. 9-15. Выходной каскад на лучевом тетроде с трансформаторным включением громкоговорителя:
а - схема; б - эквивалентная схема анодной цепи для переменного тока.

Эквивалентная схема нашего каскада для переменных составляющих анодного тока представлена упрощенно на рис. 9-15, б. Здесь Rн - активное сопротивление громкоговорителя, пересчитанное в первичную цепь трансформатора. "Пересчитать" сопротивление R, включенное фактически во вторичную обмотку, или, иначе говоря, "привести" это сопротивление к первичной цепи трансформатора - значит найти такое сопротивление Rн, которое при включении в первичную цепь потребляло бы ту же мощность, какая отдается громкоговорителю. Так как напряжения на первичной и вторичной обмотках Um и Um2 пропорциональны числам витков w1 и w2 в обмотках, т.е. их отношение равно коэффициенту трансформации n,

(9-13)

а токи в обмотках обратно пропорциональны числам витков

(9-14)

то "приведенная" величина сопротивления

(9-15)

Индуктивность же L1, включенная в схеме параллельно сопротивлению Rн, представляет собой индуктивность первичной обмотки трансформатора при разрыве вторичной цепи (индуктивность "холостого хода"). Наличие индуктивной ветви с сопротивлением делает усиление схемы зависящим от частоты сигнала, так как с понижением частоты возрастает ток, бесполезно ответвляющийся через индуктивность. Чтобы практически устранить эту частотную зависимость, достаточно выбрать такое значение индуктивности L1, чтобы даже на низшей из усиливаемых частот fн ее сопротивление было значительно больше, чем "приведенное" значение Rн:

 

Если такое условие выполнено, то в схеме на рис. 9-15, б наличием индуктивной ветви можно пренебречь и считать, что лампа работает только на сопротивление Rн.

Если выбраны низшая частота fн (ее нормы мы указывали в §9-2) и величина Rн, то можно определить необходимую индуктивность L1 первичной обмотки трансформатора. Выбирая объем ферромагнитного сердечника и сечение провода обмотки такими, чтобы потери на нагревание самого трансформатора не превосходили единиц процентов от полезной мощности, можно рассчитать число первичных витков w1, обеспечивающее найденную величину индуктивности L1 (обычно получается несколько тысяч витков тонкого провода).

Далее, по выбранному приведенному сопротивлению нагрузки Rн и по известному сопротивлению громкоговорителя R вычисляется нужный коэффициент трансформации n. Из формулы (9-15)

(9-16)

Как уже было сказано, обычно R < Rн, т.е. трансформатор должен быть по напряжению понижающим, а по току повышающим (n > 1). Число витков вторичной обмотки определится из соотношения

(9-17)

Сечение провода вторичной обмотки выбирается из расчета на величину вторичного тока и может быть больше, чем сечение первичного провода.

Рассмотрим такой пример. Пусть сопротивление громкоговорителя R = 10 Ом, а желательное сопротивление анодной нагрузки Rн = 10000 Ом. Низшая частота fн = 100 Гц. Определим основные данные трансформатора.

Полагая, что на низшей частоте индуктивное сопротивление первичной обмотки должно быть в 5 раз больше, чем приведенное сопротивление Rн, найдем:

 

Коэффициент трансформации

(понижающий по напряжению).

Значит, число витков во вторичной обмотке w2 должно быть в 31,6 раз меньше, чем в первичной.

Чем же определяется выбор величины сопротивления анодной нагрузки Rн? Для каждой лампы в установленном режиме питания существует наивыгоднейшее значение Rн, т.е. такое значение, которое обеспечивает получение максимальной полезной мощности при допустимой величине нелинейных искажений. Поясним это, пользуясь характеристиками лучевого тетрода (или же пентода).

Рис. 9-16. Определение выгодной величины нагрузочного сопротивления анодной цепи выходной лампы.

На рис. 9-16 приведено идеализированное семейство анодных характеристик лампы, для которой рекомендуется заводом напряжение на аноде в исходном режиме 300 В. Такое же напряжение должен давать и источник анодного питания, так как сопротивление первичной обмотки трансформатора постоянному току достаточно мало в сравнении с внутренним сопротивлением лампы постоянному току. Сопротивления же Rн для постоянного тока не существует.

При выборе отрицательного смещения для управляющей сетки необходимо учитывать следующие обстоятельства. Во-первых, во время отсутствия сигнала вся мощность питания P0=Ua0·Ia0 расходуется на нагревание анода. Для каждой лампы, как нам известно из гл.8, указывается предельно допустимая величина этой мощности. Этой величиной определяется и значение постоянного анодного тока.

Пусть, например (рис.9-16), для лампы допустимая мощность потерь на аноде составляет 6 Вт. Тогда постоянный анодный ток не должен превышать

 

Восставляя перпендикуляр из точки Ua = 300 В и отсекая на этом перпендикуляре отрезок высотой Ia0 = 20 мА, найдем исходную точку m. Она расположена на характеристике, полученной при смещении Uc1 = -5 В.

Во-вторых, необходимо, чтобы лампа при подаче сигнала работала без появления сеточного тока. Отсюда следует, что при самом громком звуке амплитуда переменного напряжения, снимаемого с предыдущего каскада, не должна превосходить величины смещения (в нашем случае ). Отрицательная же амплитуда, слагаясь с отрицательным смещением, даст на управляющей сетке мгновенное напряжение Uc1мин = -2Um1 (в нашем примере Uc1мин = -10В).

Итак, будем считать, что мы выбрали в качестве исходного режима величины, определяемые положением точки m. Через эту точку должна пройти динамическая характеристика, наклон которой зависит от выбора нагрузочного сопротивления Rн. Напомним, что при Rн = 0 (анодная цепь в режиме короткого замыкания) подача сигнала не вызовет изменения напряжения на аноде и оно останется равным Ua0 (на рисунке Ua0 = 300В). Динамическая характеристика для этого случая представится вертикальной прямой pmq (и, как видно из рисунка, амплитуда переменного анодного тока составит при этом около 12 мА). Однако благодаря отсутствию переменного напряжения (Um = 0) полезная мощность равна нулю; да ей, собственно говоря, и не на чем выделяться!

Если сопротивление переменному току Rн увеличивать, то динамическая характеристика займет наклонное положение. Действительно, при колебаниях анодного тока будет создаваться переменное напряжение на Rн. С ростом тока падение напряжения на Rн возрастает, а напряжение на аноде уменьшается, и наоборот. Чем больше Rн, тем более пологой будет динамическая характеристика.

При наивыгоднейшей величине Rн динамическая характеристика займет положение kmn, при котором отрезки km и mn равны друг другу. В этом случае переменное анодное напряжение имеет значительную амплитуду Um. Полезная мощность, расходуемая в Rн, т.е. в действительности отдаваемая через трансформатор громкоговорителю,

(9-18)

где Im - амплитуда переменной составляющей анодного тока. При этом мы пренебрегаем потерями мощности на нагревание проводов и сердечника трансформатора, так как эти потери составляют лишь единицы процентов от полезной мощности. В нашем примере Im 10 мА,
Um 200 В и

 

Такая мощность достаточна для нормального звучания комнатного громкоговорителя.

При сопротивлении Rн, соответствующем положению kmn динамической характеристики, отрезки km и mn равны между собой, а потому анодный ток изменяется вверх и вниз на одинаковую величину, т.е. лампа не создает нелинейных искажений (которые мы наблюдали на рис.9-3).

Если еще увеличить сопротивление Rн, то динамическая характеристика займет положение lmr. Колебания анодного тока в этом случае уменьшатся и, главное, окажутся несимметричными, т.е. будут создаваться нелинейные искажения. Полезная мощность уменьшится.

Обычно наивыгоднейшая величина нагрузочного сопротивления лежит в пределах тысяч или немногих десятков тысяч ом. Иногда она указывается в паспортных данных лампы. В случае необходимости ее можно определить рассмотренным нами методом. В нашем примере наивыгоднейшая величина легко подсчитывается из соотношения

 

Рассмотренный режим усиления, при котором анодный ток непрерывно проходит через лампу, изменяясь симметрично относительно постоянной составляющей Ia0, называется режимом A. Основной недостаток этого режима заключается в низком коэффициенте полезного действия , т.е. в получении сравнительно малой полезной мощности при относительно большой мощности, расходуемой источником питания анодной цепи:

(9-19)

В рассмотренном примере

(около 17%).

Нужно помнить, что такое значение к.п.д. относится к наиболее громкому сигналу. При отсутствии же звука к.п.д. равен нулю, а расход питания тот же.

Транзистор также может быть применен в выходном каскаде усилителя. Но следует учитывать, что мощные транзисторы требуют специального ребристого радиатора для увеличения теплоотдачи; без радиатора транзистор уже при небольшой мощности, теряемой в его p-n-переходах, может нагреться до недопустимой температуры.

В выходном каскаде транзистор включается либо по схеме с общей базой, либо по схеме с общим эмиттером. Включение с общей базой выгоднее в том отношении, что заданная мощность выделяется в громкоговорителе при меньших нелинейных искажениях; это можно объяснить большей прямолинейностью входных и выходных характеристик (ср. рис. 8-33 и 8-36). Но включение по схеме с общим эмиттером обеспечивает заданную мощность при меньших амплитудах колебаний на входе (или, как говорят жаргонно, при меньшей "раскачке"). Мы остановимся на схеме с общим эмиттером по тем соображениям, что она применяется очень часто в "двухтактном" варианте, о котором будет сказано ниже; этот вариант позволяет уменьшить на выходе нелинейные искажения путем взаимной компенсации гармоник.

Схема выходного каскада с общим эмиттером, с эмиттерной стабилизацией исходного режима и с трансформаторным выходом представлена на рис. 9-17, а. Эта схема не требует пояснений. На рис. 9-17, б даются выходные характеристики конкретного мощного транзистора. Особенностью этих характеристик по сравнению с характеристиками на рис. 9-9, а является только то, что для каждой из них фиксировалось напряжение на базе (относительно общей точки), а не ток базы. Принципиальной же разницы в них нет.

Рис. 9-17. Выходной каскад на транзисторе по схеме с общим эмиттером:
а - схема каскада; б - работа цепи коллектора.

На семействе характеристик определяем точку m исходного режима. Полагая, что напряжение источника питания E = 12 В, и пренебрегая (с известной погрешностью) сопротивлением первичной обмотки трансформатора для постоянного тока, ищем точку m на вертикали, соответствующей E = 12 В (разумеется, в транзисторе p-n-p это напряжение отрицательно). Если допустимая мощность рассеяния в транзисторе составляет, например, Pк.макс = 6 Вт, то мы должны ограничить ток коллектора величиной

 

Остановившись на значении Iк0 = 0,4 A, определим тем самым положение точки и, следовательно, потребную мощность питания каскада

 

Теперь определим выгодную величину нагрузочного сопротивления цепи коллектора. Для этого проведем через точку m динамическую характеристику в виде наклонной прямой, которая опиралась бы нижним концом на характеристику, соответствующую минимальному (неуправляемому) току коллектора (точка n), а верхним концом - на точку сгиба статической характеристики (точка k); при этом отрезки km и mn по возможности должны быть равны друг другу. Мы можем утверждать, что при изменениях напряжения на базе в пределах от -0,8 В до -0,2 В, т.е. при амплитуде входного напряжения Um1 = 0,3 В, мы достигнем хорошего использования выходного каскада. Очень приближенно полезная мощность будет:

 

Но неравенство отрезков km и mn (причиной которого оказывается нестрогая параллельность реальных статических характеристик) приводит к нелинейным искажениям, которые можно наблюдать на развернутых во времени изменениях тока коллектора iк и напряжения на коллекторе uк.

Что касается выгодной величины сопротивления нагрузки Rн, то в данном примере она составляет лишь около 20 Ом. Таким образом, коэффициент трансформации не будет сильно отличаться от единицы. Более того, иногда оказывается возможным включать электродинамический громкоговоритель в цепь коллектора вовсе без трансформатора. "Низкоомная" нагрузка характерна для мощных транзисторов, так как в них при низких коллекторных напряжениях значительная полезная мощность получается за счет больших токов.

Описанные виды выходных каскадов, работающие в режиме A, можно назвать "однотактными" каскадами в отличие от "двухтактных", о которых мы и будем говорить дальше. Мощность, которую способны лампа или транзистор при допустимых искажениях отдать потребителю, может оказаться недостаточной. Тогда, желая сохранить тип электронного прибора, можно включить две лампы или два транзистора параллельно между собой, соединив накоротко их одинаковые электроды. При этом, разумеется, выбор деталей схем будет иным, но по-прежнему придется обеспечивать режим A. Значительно выгоднее при использовании в одном каскаде двух ламп или двух транзисторов включить их по двухтактной схеме, так как в этом случае возможна взаимная компенсация искажений.

Двухтактные схемы выходных каскадов с применением ламп (в данном случае триодов) и транзисторов показаны на рис. 9-18. В связи с тем, что сущность работы обеих схем одинакова, мы рассмотрим процессы применительно к транзисторной схеме (рис. 9-18, б).

Рис. 9-18. Двухтактные схемы выходных каскадов:
а - на лампах (триодах);
б - на транзисторах по схеме с общим эмиттером и со стабилизацией режима.

По существу двухтактный каскад представляет собой сочетание двух однотактных каскадов, которые образуют два "плеча" схемы и работают согласованно на общий потребитель R. На входе включен трансформатор, имеющий вывод от средней точки вторичной обмотки, а на выходе - трансформатор с выводом средней точки первичной обмотки. Сопротивления же эмиттерной стабилизации являются общими для обоих транзисторов (точно так же, как катодное сопротивление Rк - для обеих ламп).

Постоянные токи цепей коллекторов создают в половинах первичной обмотки выходного трансформатора встречные ампер-витки, а потому сердечник не подмагничивается постоянным током; это позволяет уменьшить объем сердечника и взаимно компенсирует результаты изменения коллекторных токов, которые создаются плохой фильтрацией источника питания и приводят в однотактном каскаде к гудению ("фону") в громкоговорителе.

Пусть на вход каскада воздействует переменное напряжение сигнала. Середина вторичной обмотки входного трансформатора присоединена к общей точке схемы; напряжения, снимаемые на базы с концов обмотки, противоположны по знаку (т.е. имеют сдвиг фаз в 180°). Следовательно, когда напряжение одной из баз (uб1) возрастает (в отрицательную сторону), напряжение на другой базе (uб2) уменьшается, и наоборот (рис. 9-19, а и б). Соответственно ток коллектора (на рисунке показаны только переменные составляющие) в первом транзисторе (iк1) возрастает, а во втором (iк2) уменьшается, и наоборот (рис. 9-19, в и г). Иначе говоря, в общем участке коллекторных и эмиттерных цепей, т.е. в источнике питания и в сопротивлении Rэ переменные токи, взаимно компенсируясь, отсутствуют. Поэтому сопротивление Rэ (или Rк в ламповой схеме) не требует шунтирования конденсатором.

Рис. 9-19. Процессы в двухтактном каскаде.

В двух половинах первичной обмотки выходного трансформатора переменные слагающие коллекторных токов не только сдвинуты по фазе на 180°, но еще проходят от средней точки в противоположных направлениях. Это означает, что создаваемые ими в верхней и нижней половинах обмотки переменные магнитные потоки (ампер-витки awв и awн) совпадают по фазе (рис. 9-19, д и е), образуя удвоенный общий поток aw1 (рис. 9-19, ж). Во вторичной обмотке наводится э.д.с. согласованно обоими транзисторами и (при идеальной симметрии плеч) полезная мощность удваивается. В этом и состоит сущность работы двухтактного каскада.

Но удвоение мощности могло бы быть достигнуто и параллельным включением ламп. Замечательным свойством двухтактной схемы является свойство взаимной компенсации нелинейных искажений двух ламп. Вернемся к рис. 9-3. На нем было показано, как "сжимается" одна из полуволн тока при работе на криволинейной части характеристики. Там же было показано, что переменная составляющая искаженного тока содержит не только основную гармонику, но и высшие гармоники (в частности, вторую). Теперь представим себе, что такие искажения происходят в обоих транзисторах (или лампах) двухтактной схемы и оба искаженных тока наводят магнитные потоки в сердечнике выходного трансформатора. Замечательно следующее: когда первый транзистор посылает "острую" полуволну тока, второй посылает "плоскую" (сжатую) полуволну, и наоборот (рис. 9-20, а и б).

Рис. 9-20. Взаимная компенсация вторых гармоник в двухтактной схеме.

Разлагая магнитные потоки (ампер-витки), создаваемые верхней awв и нижней awн половинами обмотки, на первую и вторую гармоники и не принимая во внимание четвертую, шестую и другие гармоники (рис. 9-20, е и г), мы видим, что первые гармоники (1) совпадают по фазе (как это было и на рис. 9-19), а вторые гармоники (2) противофазны. Следовательно, вторые гармоники в составе общего магнитного потока взаимно компенсируются, и в сердечнике трансформатора имеется лишь поток основной частоты (aw1) с удвоенной амплитудой (рис.9-20,д). Также будут взаимно компенсироваться четвертые, шестые гармоники и т.д.

Из этого замечательного свойства вытекают практические следствия: в каждом плече двухтактной схемы точку m (см. рис. 9-16 и 9-17) можно выбирать не в середине прямой kmn, а ниже середины, с тем чтобы уменьшить постоянную составляющую тока во время покоя (молчания) и тем самым повысить полезную мощность и к.п.д. каскада. Появляющиеся в каждом плече высшие гармоники (вторые, четвертые и т.д.) взаимно компенсируются. Возможен даже такой режим, когда каждое плечо дает импульс тока только в течение половины периода, а во вторую половину периода ток в цепи коллектора (или анода) отсутствует. Этот режим называется режимом B. Впрочем, в радиоприемной аппаратуре чаще применяется промежуточный режим, подобный показанному на рис. 9-3 и называемый режимом АВ.

В этой главе:
9-1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
9-3. ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ
9-4. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ
9-5. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-6. ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
9-7. ПРЕДМОЩНЫЕ КАСКАДЫ. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
9-8. УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
9-9. УСИЛИТЕЛИ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ
9-10. СОБСТВЕННЫЕ ШУМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
9-11. ЗАДАЧИ МИНИАТЮРИЗАЦИИ
ДИНАМО-МАШИНА - походное зарядное устройство!

До пяти минут связи хватает подзарядки мобильного телефона если вращать ручку динамо-машины в течение...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru