Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 29 страниц)

Когда используется трансформаторная связь?

Из-за высокой стоимости трансформатора и связанных с этим недостатков трансформаторная связь используется редко. Чаще всего этот вид связи применяют в выходных мощных каскадах как ламповых, так и транзисторных, в которых используется возможность согласования малого сопротивления, например, громкоговорителя с оптимальным сопротивлением нагрузки активного элемента. Громкоговоритель сознательно указан в качестве примера оконечной нагрузки усилителя, поскольку чаще всего трансформаторную связь применяют в усилителях звуковых частот. Именно в этих усилителях трансформаторы также используют в качестве симметрирующих схем для возбуждения балансных (противотактных) усилителей мощности. В промежуточных каскадах ламповых и транзисторных усилителей трансформаторную связь применяют крайне редко, так как выигрыш в усилении и согласовании не компенсирует недостатков трансформатора.

Иногда трансформаторная связь применяют в импульсных усилителях. Трансформатор с минимальными индуктивностями и емкостями рассеяния в этом случае проектируют исходя из получения оптимальных параметров без учета связанных с этим расходов.

Какими параметрами характеризуется усилитель мощности?

Задачей усилителя мощности является подведение к приемнику энергии (нагрузки) определенной мощности переменного тока. Главными параметрами, определяющими энергетические свойства усилителя мощности, являются: полезная выходная мощность Р_вых и максимальная выходная мощность в условиях полного возбуждения усилителя; энергетический КПД μ, определяемый как отношение полезной выходной мощности к мощности, подводимой от источника питания; уровень нелинейных искажений, характеризуемый содержанием гармоник К_г выходного сигнала при синусоидальном входном сигнале; частотная характеристика, определяемая нижней и верхней граничными частотами, а также формой характеристики внутри полосы (неравномерность усиления).

Первые три параметра взаимосвязаны и зависят прежде всего от типа лампы или транзистора, используемой схемы и режима работы усилителя.

Рассмотренные до сих пор усилительные схемы работали в классе А, т. е. рабочая точка находилась посередине рабочей характеристики. Можно сказать, что класс А характеризуется постоянным протеканием анодного или коллекторного тока в такт с управляющим сигналом. Поскольку полный период синусоидального возбуждающего сигнала соответствует углу 360°, то угол отсечки анодного или коллекторного тока 2θ также равен 360°.

В усилителях мощности применяют и другие классы работы.

Класс АВ – рабочая точка находится в нижней части рабочей характеристики; угол отсечки удовлетворяет условию 180°< 2θ < 360°.

Класс В рабочая точка находится на начальном участке рабочей характеристики вблизи границы отсечки тока (2θ = 180°).

Класс С характеризуется углом 2θ < 180°, однако он находит применение только в резонансных усилителях высокой частоты.

Ниже будут рассмотрены усилители мощности, которые нашли широкое применение. Усилители мощности переменного тока низкой частоты работают в полосе от нескольких десятков герц до 10–20 кГц. Приемником мощности в усилителях этого типа является громкоговоритель. Усилители мощности работают в классах А, АВ и В, причем два последних класса требуют использования балансных или двухтактных схем.

Что такое несимметричный усилитель мощности класса А?

На рис. 7.22 представлены схемы такого усилителя в ламповом и транзисторном вариантах. Представляется, что они идентичны усилителям напряжения, однако между ними имеются различия.

Рас. 7.22. Ламповый (а) и транзисторный (б) усилители мощности класса А

Принципиальное различие заключается в использовании активного элемента большей мощности. В случае лампового усилителя мощности лампа характеризуется большим анодным током, около нескольких десятков миллиампер, при большом анодном напряжении 200–300 В. Рассеиваемая на аноде мощность составляет несколько ватт, поэтому анод мощной лампы должен быть соответственно большим. Аналогично транзистор в усилителе мощности характеризуется большим, около нескольких ампер, током, протекающим через переход коллектор – база.

Однако большой ток вызывает значительный разогрев области перехода, что в случае недостаточного охлаждения транзистора приводит к выходу последнего из строя. Поэтому для мощных транзисторов необходимо применение специальных устройств для отвода тепла, т. е. радиаторов. Следующее отличие по сравнению с усилителями напряжения заключается в значительно меньшем сопротивлении катодного или эмиттерного резистора в усилителе мощности, что непосредственно вытекает из больших значений катодного и эмиттерного токов.

В представленных на рис. 7.22 схемах нагрузка усилителя через трансформатор связана с анодом или коллектором. Трансформатор согласует малое сопротивление нагрузки (около нескольких ом) с оптимальным сопротивлением нагрузки для активного элемента.

В ламповых схемах выбор оптимального нагрузочного сопротивления диктуется стремлением получить как можно большую выходную мощность при допустимых искажениях. При максимальной выходной мощности, достигаемой в усилителях класса А (теоретический КПД составляет 50 %), искажения относительно велики. Поэтому на практике они не используются.

В триодных усилителях оптимальное с точки зрения мощности нагрузочное сопротивление в 2 раза больше внутреннего сопротивления триода. При таком сопротивлении нагрузки КПД триодного усилителя класса А далеко от максимального и на практике составляет примерно 15–25 %. Если учитывать еще малый коэффициент усиления триода, то становится очевидным, что его энергетические свойства не являются выгодными. В связи с этим применение триодов в усилителях мощности ограничивается схемами очень большой мощности, в которых пентоды не могут быть использованы.

В пентодных усилителях оптимальное нагрузочное сопротивление составляет от 1/4 до 1/8 внутреннего сопротивления и близко по значению к нагрузочному сопротивлению, при котором имеет место минимум нелинейных искажений. Коэффициент полезного действия пентодного усилителя больше, чем триодного, и составляет обычно 30–40 %.

В случае транзисторного усилителя проблема нелинейных искажений более сложна, поскольку искажения зависят как от выходных, так и от входных характеристик транзистора. Существует оптимальное сопротивление источника, несколько меньшее среднего выходного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ, при котором искажения минимальны. Нагрузочное сопротивление подбирают исходя в основном из максимальной мощности. С учетом характерных для мощных транзисторов малых напряжений и больших токов нагрузочные сопротивления малы, единицы или десятки ом, что обеспечивает выгодные условия совместной работы, например с громкоговорителем с малым сопротивлением.

На практике транзисторные усилители мощности класса А используются не часто, несмотря на то, что их КПД близок к теоретическому и составляет 45–50 %. Это следует из тенденции к максимальному использованию располагаемой мощности транзистора и усилителя. Частотные характеристики трансформаторных усилителей мощности зависят главным образом от параметров трансформатора.

Как работает двухтактный усилитель?

Принципиальная схема двухтактного усилителя, называемого также балансным усилителем, представлена на рис. 7.23.

Рис. 7.23. Принципиальная схема двухтактного усилителя

Для правильной работы схемы напряжения, возбуждающие оба транзистора, должны иметь одинаковые амплитуды и противоположные базы.

С учетом того что источники сигналов в общем несимметричны, имеется необходимость в применении симметрирующей схемы. Простой однако не единственной цепью этого типа является трансформатор, в котором вывод средней точки вторичной обмотки соединен с массой. Благодаря такому соединению потенциал этой точки относительно массы равен 0 В. Теперь, если мгновенная полярность сигнала на верхнем зажиме вторичной обмотки положительна, на нижнем зажиме она отрицательна и наоборот. В соответствии с этим, если напряжение u₁ положительно, смещение в проводящем направлении транзистора Т₁ уменьшается и убывает его коллекторный ток, т. е. напряжение на коллекторе понижается. В этом же самое время напряжение u₂ является отрицательным и увеличивает смещение в проводящем направлении транзистора Т₂, в результате чего его коллекторный ток увеличивается и напряжение на коллекторе также возрастает. Кроме того, если мгновенное напряжение на коллекторе транзистора Т₁ минимально, то на коллекторе транзистора Т₂ оно максимально. Это также означает, что средний вывод выходного трансформатора имеет отрицательный потенциал относительно коллектора транзистора и положительный по отношению к коллектору транзистора Т₁. Поэтому напряжения, действующие на каждой половине первичной обмотки выходного трансформатора, находятся в фазе, суммируются друг с другом и создают переменное напряжение, значение которого в 2 раза больше, чем в случае одного транзистора. В условиях правильного согласования схемы с нагрузкой мощность, выделяемая в нагрузке, также в 2 раза больше.

Какие преимущества имеет двухтактный усилитель?

Хотя усилитель, созданный из двух включенных параллельно транзисторов, отдает в 2 раза большую мощность, чем усилитель на одном транзисторе, он все же не обладает многими преимуществами двухтактной схемы.

Одним из преимуществ, являющихся следствием распределения токов, является уничтожение постоянных составляющих в выходном трансформаторе. Это имеет важное практическое значение, поскольку отсутствие постоянной составляющей, насыщающей сердечник трансформатора, в значительной степени упрощает его конструкцию, а искажения, которые могли бы возникнуть в трансформаторе из-за протекания постоянной составляющей, исключаются.

Из анализа нелинейных искажений, вносимых двухтактной схемой, следует, что четные гармоники (вторая, четвертая и следующие, кратные частоте возбуждающего сигнала) вычитаются на выходе, и, следовательно, суммарные потери будут меньше. Отсюда следует, что при том же самом возбуждении, что и в однотактном усилителе, и при тех же самых заданных искажениях можно получить в 2 раза большую мощность по сравнению с мощностью однотактного усилителя.

В цепи питания двухтактной схемы вычитаются основная составляющая и нечетные гармоники возбуждающего сигнала. Благодаря этому в схеме не возникают паразитные обратные связи в цепи питания, а, кроме того, пульсации из источника питания не проникают на выход усилителя.

Очень важным преимуществом двухтактных усилителей является возможность их работы не только в режиме класса А, но также и в режиме класса В или АВ. В усилителе класса В транзистор Т₂ (рис. 7.23) усиливает только первую половину периода входного напряжения и заперт во время длительности второго, положительного полупериода. Но именно в этот момент сигнал на базе транзистора Т₁ отрицателен и усиливается транзистором. Оба усиленных колебания суммируются в выходном трансформаторе, в результате чего образуется колебание той же самой формы, что и на входе усилителя. Из-за того что в двухтактных усилителях класса В рабочие точки обоих транзисторов лежат вблизи области отсечки тока, мощность питания, а также мощность, рассеиваемая в усилительных элементах в отсутствие возбуждающего сигнала, являются очень малыми. Принимая во внимание возможность полного использования (возбуждения) транзистора, легко сделать вывод, что КПД усилителя этого типа очень высок. Теоретически он составляет 78 %, на практике в транзисторных схемах достигает примерно 75 %.

Может ли двухтактная схема работать без выходного трансформатора?

Да, если выходное сопротивление близко к оптимальному. При соответствующей конструкции схемы усилителя можно исключить выходной трансформатор. Благодаря этому значительно снизятся стоимость и габаритные размеры устройства, улучшится его частотная характеристика и уменьшатся нелинейные искажения.

Бестрансформаторные схемы чаще всего используют в транзисторных усилителях, исходя из более выгодных условий совместной работы транзисторов с малыми нагрузочными сопротивлениями. Бестрансформаторные усилители на лампах труднее реализовать из-за необходимости использования значительно больших сопротивлений нагрузки (несколько сотен ом или даже килоом).

Сначала рассмотрим ламповую бестрансформаторную схему, представленную на рис. 7.24.

Рис. 7.24. Бестрансформаторный двухтактный ламповый усилитель

Обе лампы, включенные последовательно, питаются анодным напряжением, в 2 раза большим, чем напряжение, требуемое для одной лампы. Нагрузка связана с лампами посредством конденсатора связи С. Для обеспечения нужной характеристики усилителя в диапазоне низких частот его емкость выбирается большой. При симметричном возбуждении обеих ламп схема работает, как двухтактный усилитель. Возбуждающие напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Их можно получить, используя входной трансформатор с симметричными, но изолированными друг от друга вторичными обмотками. В обсуждаемой схеме для инверсии (переворота) фазы входного сигнала используется нижняя лампа.

Сигнал на резисторе R_к имеет противоположную фазу относительно входного сигнала, однако, благодаря соответствующему подбору сопротивления, одинаковую амплитуду. Этот сигнал управляет верхней лампой двухтактного усилителя.

Бестрансформаторные транзисторные усилители чаще всего работают в режиме класса В. Из-за отсутствия выходного трансформатора напряжение на коллекторе непроводящего транзистора не увеличивается, в связи с чем может быть увеличено питающее напряжение. Это приводит к лучшему использованию транзисторов по напряжению и в результате к большей выходной мощности. Что касается способа управления, то чаще всего применяют трансформаторную или непосредственную связь.

Примером бестрансформаторного (со стороны нагрузки) транзисторного двухтактного усилителя с емкостной связью с нагрузкой является схема, представленная на рис. 7.25.

Рис. 7.25. Бестрансформаторный двухтактный усилитель при емкостной связи с нагрузкой

Принцип работы этой схемы очень похож на принцип работы ранее рассмотренной. Разница заключается в использовании входного трансформатора с двумя независимыми обмотками, обеспечивающими сдвинутые по фазе возбуждающие напряжения.

Значительное упрощение условий возбуждения достигается при использовании в двухтактном усилителе мощности транзисторов р-n-р и n-p-n (рис. 7.26).

Рис 7.26. Двухтактная схема с комплементарными транзисторами

В схеме такого типа симметричное возбуждение является излишним из-за противоречивых свойств транзисторов. Управляющий сигнал, поданный на базу одного транзистора, возбуждает его таким образом, что он будет проводить в то время, когда другой транзистор будет заперт. Поэтому работа в режиме класса В осуществляется без входного трансформатора. Недостатком схем этого типа является трудность получения достаточно высокой степени симметрии дополнительных транзисторов, что может быть причиной появления больших нелинейных искажений.

Что такое симметрирующий усилитель?

Как уже известно, для возбуждения двухтактного усилителя необходимы два симметричных напряжения, сдвинутых на 180° по фазе относительно друг друга. Схема, обеспечивающая такие напряжения, называется симметрирующей схемой, фазовращателем или инвертором фазы. Наиболее простым, однако достаточно дорогим способом получения симметричного сигнала является применение трансформатора с разделенной вторичной обмоткой. Имеются, однако, симметрирующие усилители, которые выполняют роль симметрирующего трансформатора. В симметрирующих усилителях используется свойство переворачивания фазы сигнала в катодной или эмиттерной цепи усилительного каскада.

Простейшей симметрирующей схемой является двухкаскадный усилитель (рис. 7.27, а).

Рис. 7.27,а. Двухкаскадный симметрирующий транзисторный усилитель

Оба транзистора работают по схеме с ОЭ. Сигнал с коллектора транзистора Т₁ передается на выход 1 и одновременно через делитель напряжения, образованного сопротивлением R и входным сопротивлением R_вх транзистора Т₂, на базу транзистора Т₂. На коллекторе этого транзистора появляется усиленное напряжение обратной полярности, которое поступает на выход 2. Условием равенства напряжений на выходах 1 и 2 является такое деление выходного напряжения транзистора Т₁, при котором транзистор Т₂ возбуждается частью напряжения, равной обратной величине коэффициента передачи этого транзистора. Недостатком схемы обычно является отсутствие симметрии во всем полезном диапазоне частот, поскольку линейные искажения второго каскада приводят к тому, что амплитудные характеристики на обоих выходах неодинаковы

Другой симметрирующей схемой является схема с разделенной нагрузкой (рис. 7.27, б), в которой используются одновременно два выхода: из цепей коллектора и эмиттера. Переменное напряжение на коллекторе сдвинуто по фазе на 180° по отношению к входному, а переменное напряжение на эмиттере находится в фазе с входным.

Поскольку коллекторный и эмиттерный токи равны или почти равны друг другу, напряжения на обоих выходах будут симметричны, если сопротивления в выходных цепях будут равны или почти равны друг другу. Точная симметрия достигается подбором одного из резисторов в цепи коллектора или эмиттера. Характерной особенностью схемы являются неодинаковые внутренние сопротивления на обоих выходах: большее на выходе 1 и меньшее на выходе 2.

Рис. 7.27,б. Симметрирующая схема с разделенной нагрузкой

Каким образом можно получить большое входное сопротивление усилителя?

Входное сопротивление усилителя является одним из важнейших параметров усилителя. Очень часто оказывается важным, чтобы входное сопротивление было максимально большим (высоким). Условием большого входного сопротивления является большое сопротивление и малая входная емкость усилительного каскада, а также малое влияние входных цепей питания активного элемента.

Для ламповых усилителей с заземленным катодом входное сопротивление определяется максимально допустимым сопротивлением утечки сетки (составляющего максимально несколько мегом). Входная емкость зависит от емкости между сеткой и катодом С_{с. к}, а также емкости, вносимой за счет эффекта Миллера и равной С_{а. с}(1 + К_u). На практике минимальная входная емкость составляет от единиц до 10–20 пФ. В большинстве случаев такое значение входного сопротивления вполне достаточно. В отдельных случаях, когда требуется значительно большее входное сопротивление, на входе усилителя можно использовать каскад с заземленным анодом или катодный повторитель (рис. 7.28, а). Характерными чертами-такой схемы являются: усиление по напряжению меньше единицы, малое выходное сопротивление, а также очень большое входное сопротивление и малая входная емкость. На практике получают входное со противление около десятков мегом, а емкость – нескольких пикофарад.

В транзисторных схемах, кроме схем на полевых транзисторах, характеризующихся высоким входным сопротивлением, получить большое входное сопротивление значительно труднее. Входное сопротивление усилителя, работающего по схеме с ОЭ, не превышает нескольких десятков килоом. Поэтому для получения больших входных сопротивлении приходится использовать специальные схемы. Одной из них является аналог лампового катодного повторителя – эмиттерный повторитель (рис. 7.28, б).

Рис. 7.28. Катодный (а) и эмиттерный (б) повторители

Входное сопротивление эмиттерного повторителя выражается формулой Z_вх ~= h_21эR_э, из которой следует, что оно равно сопротивлению в цепи эмиттера, умноженному на коэффициент передачи по току транзистора. Это не означает, что входное сопротивление может достигать произвольно большого значения за счет увеличения значения R_э. Максимальное входное сопротивление не может превышать сопротивления база – коллектор, равного 1/h_22б. Кроме того, делитель в цепи смещения базы, вносящий на вход сопротивление R_б = R₁R₂(R₁+ R₂), также уменьшает эффективное входное сопротивление повторителя.

Одним из эффективных методов увеличения входного сопротивления эмиттерного повторителя является увеличение коэффициента передачи транзистора по току h_21э. В транзисторных схемах благодаря токовому характеру возбуждения (управления) транзистора это оказывается возможным в схеме «супер-альфа», называемой также схемой Дарлингтона. В этой схеме (рис. 7.29) ток эмиттера первого транзистора управляет базой второго транзистора, в связи с чем результирующий коэффициент передачи тока h_21э равен произведению h'_21эh''_21э отдельных-транзисторов: h_21э = h'_21эh''_21э. Для большего числа транзисторов, работающих в схеме Дарлингтона, h_21э = h'_21эh''_21эh'''_21э… На рис. 7.29 представлен эмиттерный повторитель, собранный по подобной схеме.

Рис. 7.29. Эквивалентная схема (а) и эмиттерный повторитель (б) схемы «суперальфа»

В соответствии с предыдущими рассуждениями его входное сопротивление выражается следующей формулой:

Z_вх = h'_21эh''_21эh_21к