В. КОСТИН, Ю. ОНИЩЕНКО

Знакомство со схемотехникой усилителей мощности начнем с однотактного выходного каскада, работающего в режиме А. Его типовая схема приведена на рис. 5. Показанный на нем каскад построен на триоде, но допустимо использовать тетрод или пентод.

Для анализа основных свойств однотактного каскада на триоде воспользуемся приведенным на рис. 6 семейством идеализированных анодных характеристик лампы. При полном использовании анодного напряжения рабочая точка Б должна находиться на середине нагрузочной прямой АВ, Ток покоя равен Iao, напряжение покоя - Uao. амплитуда синусоидального напряжения на управляющей сетке - Umc, на аноде - Ima Мощность, отдаваемая каскадом в нагрузку, Р = 1/2(lma Uma), а мощность, потребляемая им от источника питания, Po = lao Uao. Отсюда легко найти КПД каскада, работающего В режиме А, n = P/Ро = /2(lma Uma)/Ino Uno, и мощность, рассеиваемую на аноде лампы, Р = Р0 - Р_. Поскольку в режиме покоя мощность, отдаваемая лампой в нагрузку, равна нулю, ток покоя каскада выбирают такой величины, чтобы мощность, потребляемая им от источника питания, не превышала максимально допустимую мощность, рассеиваемую на аноде лампы.

Функции анодной нагрузки в рассматриваемом нами каскаде выполняет выходной трансформатор, и с учетом его КПД мощность, поступающая непосредственно на головку громкоговорителя, Pн = nтрP_ Если же исходной является мощность Рн, то, пользуясь этой же формулой, можно определить мощность, которую должен в этом случае отдавать триод в нагрузку: Р_=Рн/mтР.

На рис. 7 приведены известные из теории усилительных устройств зависимости отдаваемой в нагрузку мощности Р_. КПД - n и коэффициента гармоник -Кг каскада на триоде от отношения Rв/Ri. Анализ этих зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

- усилительный каскад на триоде отдает в нагрузку максимальную мощность при сопротивлении анодной нагрузки Ra=2Ri;

- КПД каскада растет с увеличением Rn/RЁ приближаясь к величине 0,5;

- рост сопротивления анодной нагрузки триода способствует снижению вносимых каскадом нелинейных искажений.

Таким образом, чтобы одновременно получить большую Р_, достаточно высокий КПД и низкий Кг, желательно иметь соотношение Ra/Ri в пределах 2...4.

В случае использования в выходном каскаде тетрода или пентода характер этих зависимостей несколько меняется.

Известно, что зависимость анодного тока триода от напряжения на аноде и сетке описывается соотношением la=(Uc--Ua/m)^3/2. которое позволяет конструктору, располагающему анодными характеристиками лампы, достаточно однозначно выбрать режим ее работы.

Для тетрода и пентода подобного уравнения до настоящего времени не существовало. Авторами данной статьи была предпринята попытка вывести аналогичную формулу для используемого нашей фирмой лучевого тетрода 6П45С. В реультате проведенного анализа было получено соотношение Iа=1,8[1-1/(0.0012Ua2+ +1)](Uc/45+1)², описывающее поведение этой лампы, правда, только при напряжении на ее экранной сетке U3, равном 175 В. При других напряжениях вместо Uc в формулу следует подставить выражение (Ue+0,5)-(U3-175). Для других тетродов или пентодов коэффициенты в приведенном выше соотношении будут иметь другие значения. Пользуясь этим уравнением, можно не только определить коэффициент гармоник при выбранном режиме работы лампы, но, применив метод спектрального анализа, определить спектр гармоник усиливаемого сигнала и оптимизировать его исходя из критериев субъективного восприятия звучания.

Традиционные методы анализа работы пентодов и тетродов (метод пяти ординат) дают аналогичные результаты. На рис. 8 показаны зависимости параметров в P_ и Kг от сопротивления Ra пентода 6ПЗС. Из рисунка видно, что вначале с ростом величины Ra мощность Р_ увеличивается, а Кг снижается, но как только Ra становится равным 3.4 кОм (для других ламп это значение будет иным), мощность начинает падать, а Kг расти. Иными словами, триод менее критичен к выбору Ra. чем тетрод и пентод. Как это сказывается на качестве звучания, сказать трудно, но потенциально выходной каскад на триоде должен звучать более комфортно, чем на тетроде или пентоде.

С другой стороны, каскады на пентодах и тетродах в режиме максимальной мощности Р_ имеют более высокий (0.35...0.4) КПД. чем каскады на триодах (0.15...0.25).

Рассмотрим теперь особенности выходных трансформаторов, устанавливаемых в однотактных УМЗЧ, работающих в режиме А. В таких каскадах, как известно, имеет место постоянное подмагничивание магнитопровода трансформатора, которое может привести к падению его магнитной проницаемости и уменьшению индуктивности первичной обмотки, что сопровождается сужением полосы воспроизводимых частот со стороны низкочастотного спектра.

Как следует из формулы для определения индуктивности катушки с замкнутым стальным магнитопроводом (L=1,26nSmW2/Lc -10^-8, Гн. где m - магнитная проницаемость магнитопровода; SM -сечение магнитопровода, см²; W - число витков катушки; Lc - средняя длина магнитной силовой линии, см), повысить индуктивность первичной обмотки трансформатора можно, увеличив число ее витков и сечение магнитопровода. Однако повышение числа витков сопровождается ростом подмагничивания, а увеличение сечения магнитопровода ведет к резкому повышению габаритов и массы трансформатора. К тому же реально индуктивность при этом растет очень медленно.

Проиллюстрируем процесс подбора магнитопровода и числа витков первичной обмотки трансформатора следующим примером. Допустим, что эту процедуру нам надо провести для усилительного каскада с анодным сопротивлением выходной лампы Ra=2 кОм, анодным током 1а=0,2 А и полезной мощностью Р_=24 Вт. Известно, что необходимая индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора определяется формулой L=0,3 Ra/fн, Гн, значит, если мы хотим, чтобы диапазон рабочих частот ограничивался fн = 20 Гц, то должны обеспечить индуктивность L = 0,3 2 10 3/20=30 Гн. При использовании магнитопровода ПЛ25х50хб5, в котором может разместиться только вполне определенное число витков, это возможно при отношении сопротивления первичной обмотки к анодному сопротивлению Ro6/Ra=0,3. Магнитопровод с большим сечением ПЛ25х50х120 позволил снизить это отношение до 0,25, а ПЛ32х64х16 - до 0,2.

Легко видеть, что увеличение сечения магнитопровода в три раза приводит к уменьшению отношения Ro6/Ra с 0,3 до 0,2, а для получения хорошо проработанного низкочастотного регистра это отношение должно быть равно 0,1, поскольку в противном случае из-за падения напряжения на слишком большом сопротивлении первичной обмотки снизится КПД выходного каскада.

Если же диапазон воспроизводимых частот ограничить частотой 30 Гц, то индуктивность первичной обмотки снизится до 20 Гн, и в этом случае при использовании магнитопроводов ПЛ25х50х65, ПЛ25x50x120 и ПЛ32х64х160 отношения Ro6/Ra будут соответственно равны 0,23. 0,14 и 0,13. что также больше необходимых 0,1. Чтобы все-таки получить нужное соотношение, можно рекомендовать повысить анодное напряжение выходной лампы, тогда при неизменной передаваемой в нагрузку мощности удастся снизить анодный ток, а значит, и уменьшить подмагничивание выходного трансформатора. Кроме того, можно пойти на повышение низшей частоты воспроизводимого диапазона частот до 40 Гц и снижение сопротивления анодной нагрузки Rn примененяя лампы с малым внутренним сопротивлением Ri.

Теперь перейдем к рассмотрению особенностей работы двухтактного выходного каскада (рис. 9). Этот каскад предъявляет жесткие требования к симметрии поступающих на его входы противофазных сигналов. Выполнение этих требований должен обеспечить фазоинверсный каскад. С точки зрения обеспечения симметрии выходных сигналов наилучшим является фазоинвертор, выполненный на двух триодах, включенных по балансной схеме (рис. 10). Его симметрия зависит от параметров генератора тока в катодной цепи ламп фазоинвертора. Для иллюстрации этого утверждения приведем спектр гармоник и коэффициент нелинейных искажений выходных сигналов фазоинверторов работающих с генераторами, эквивалентные сопротивления которых составляют 11 и 30 кОм (см. таблицу). Измерения проводились для трех уровней выходного сигнала фазоинвертора: максимального (+20 дБ), номинального (+10 дБ) и минимального (0 дБ). Легко видеть, что с увеличением эквивалентного сопротивления генератора с 11 до 30 кОм определяемый симметрией фазоинвертора коэффициент гармоник выходного сигнала падает почти в два раза. В качестве генератора тока можно использовать лампу, транзистор или обычный резистор.

Особо следует остановиться на подборе пар ламп для двухтактного выходного каскада. Это очень важно сделать, поскольку разбаланс приводит к значительному росту общих искажений на выходе усилителя, а также амплитудной модуляции гармоник частотой 100 Гц из-за уменьшения степени подавления пульсаций источника питания, свойственного всем симметричным каскадам. Последние исследования, проведенные авторами статьи, подтвердили необходимость подбора пар ламп по совпадению вольт-амперных характеристик с точностью не хуже 5...2 % во всем диапазоне рабочих токов.

Для расчета двухтактного выходного каскада, работающего в режиме А, можно воспользоваться формулами для расчета однотактных каскадов, только удвоив мощность Р_. В случае же его работы в режиме B порядок расчета несколько изменяется [3].

Приведенные на рис. 11 зависимости мощности, отдаваемой в нагрузку Р_, и КПД от отношения Ron/Ri подтверждают и тот факт, что при заданном анодном напряжении и работе в режиме В без токов сетки триод отдает наибольшую мощность при сопротивлении анодной нагрузки, равном его внутреннему сопротивлению Ri. КПД двухтактного выходного каскада на триодах в режиме В растет с увеличением Ron, стремясь к величине 0,785.

В случае использования в двухтактном выходном каскаде пентодов или тетродов наивыгоднейшей их нагрузкой при работе в режиме В является такая, при которой нагрузочная характеристика проходит через изгиб статической анодной характеристики, снятой при напряжении на управляющей сетке Uc=0. В этом случае отдаваемая лампами в нагрузку мощность и КПД каскада близки к максимальным. Сопротивление анодной нагрузки одного плеча двухтактного каскада в режиме В оказывается меньше, чем в режиме А, и обычно находится в пределах (0.04...0.1) Ri. В остальном двухтактный каскад на пентодах рассчитывается так же, как и на триодах.

Необходимо отметить, что в выходных каскадах реальных высококачественных усилителей 3Ч никогда не используется чистый режим В из-за возникновения свойственных этому режиму искажений типа "ступенька". Предпочтение отдается режиму АВ. при котором лампы работают с некоторым начальным смещением, что исключает появление указанных искажений.

Выбор выходного трансформатора для каскада, работающего в режиме В, более прост, чем для каскада, работающего в режиме А. поскольку здесь отсутствуют проблемы, связанные с постоянным подмагничиванием магнитопровода. Что касается минимизации индуктивности рассеивания, то она достигается секционированием обеих обмоток трансформатора.

В заключение хотелось бы обратить внимание на такой параметр усилителя, как выходное сопротивление. Оно может быть определено по формуле: Rвых=[(Uxx/Uh)-1] Rh. где Uxx - напряжение холостого хода на выходе усилителя, В; Uh - напряжение на нагрузке усилителя, В; Rh - сопротивление нагрузки. Ом. Наиболее полно этот параметр характеризует зависимость выходного тока от выходного напряжения усилителя.

На рис. 12 приведена схема включения измерительных приборов, пригодная для снятия этой зависимости. Измерения необходимо провести на разных частотах. Эта зависимость должна быть возможно более линейной. Нелинейность исправляют введением ООС достаточной глубины.

http://www.chipinfo.ru/literature/radio/199802/p18-19.html