Усилительный каскад на транзисторах. Красов Ю.С. Входные каскады высококачественных усилителей низкой частоты Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

Одним из вариантов заметного повышения качества воспроизведения музыкальных файлов является способ разделения сигнала на частотые составляющие (НЧ, СЧ, ВЧ) в предварительных маломощных каскадах и дальнейшее их усиление соответствующими узкополосными усилителями и динамическими системами. Такой вариант позволяет, например, избавиться от необходимости применения пассивных RLC-фильтров в акустических системах, которые вносят неизбежные затухания и искажения в сигнал уже на выходе его из усилительного тракта. Также, такой вариант даёт возможность применения раздельных акустических систем для низких частот () и значительно менее требовательных к мощности небольших СЧ и ВЧ излучателей. Требования к характеристикам самих усилителей мощности тоже не одинаковы для НЧ, СЧ и ВЧ сигналов и предлагаемый вариант даёт возможность использовать такие усилители оптимальным образом. В этой статье будет приведён пример построения системы раздельного, двухполосного воспроизведения средней мощности. При её изготовлении ставилась задача максимально эффективного использования имеющихся ещё с советских времён малогабаритных широкополосных акустических систем «Radiotehnika S-30» и АС «PHILIPS FB-20PH». Конечно, с предлагаемым усилителем возможно применение и любых других систем, аналогичных по мощности и характеристикам.

Как известно всем, кто сталкивался в своё время с колонками S-30, качество воспроизведения звука этими АС было весьма посредственным, особенно в среднем диапазоне (СЧ-ВЧ) из за применения динамических головок с не очень высокими параметрами. Но использовать эти колонки в качестве «сабвуферов» для обычных жилых помещений вполне возможно. В то же время имеющиеся колонки от миникомплекса «PHILIPS»с номинальной мощностью по 20 Вт, довольно качественно воспроизводят как раз СЧ-ВЧ составляющие сигнала, но имеют ощутимый завал на частотах ниже 90 Гц. Поэтому и возник такой вариант использования этой акустики с максимально возможной отдачей.

Одним из важных плюсов в этом варианте, как уже говорилось выше, является то, что усилитель мощности для каждой полосы частот — отдельный и может быть подобран по мощности и характеристикам оптимальным образом. Исходя из номинальных мощностей применяемой акустики, было принято решение использовать в качестве УМЗЧ специализированные микросхемы-усилители мощности (конечно, можно использовать МС других серий в соответствующем включении или, например, транзисторные схемы). Такие микросхемы мощностью до 45 ВТ на канал (содержат обычно 2, 4 канала) широко применяются в малогабаритной радиотехнике, например в автомагнитолах.

Предварительные каскады с фильтрами

Поскольку микросхемы усилителей мощности серии TDA, применённые в данном усилителе, имеют однополярное питание (+8...18 В), то и каскады предварительного усиления выбирались с однополярным питанием. При этом ставилась задача использовать схемы с минимальным количеством каскадов и активных элементов в них для снижения вносимых этими каскадами искажений в исходный сигнал. В качестве входного каскада с фильтром, выделяющим НЧ-составляющую сигнала, была применена схема на рис.1, опубликованная в своё время в одном из номеров журнала «Моделист-Конструктор», но с заменой транзисторов на современные аналоги и изменением частоты среза фильтра под вышеуказанную акустику.

Здесь транзистор Т1 работает как фазовращатель, напряжения в противофазе возникают на резисторах R3 и R4. Прямой сигнал снимается с эмиттера и подаётся на следующий каскад на транзисторе Т2. Он пропускает СЧ и ВЧ составляющие сигнала и задерживает низкие частоты, которые проходят на выход НЧ через каскад на Т3. Частота среза выбирается подбором конденсаторов С3 и С4, в данном случае она около 150 Гц. Частоту среза можно сдвинуть в сторону более высоких частот, уменьшая эти ёмкости. Например в исходной схеме, при ёмкостях С3=С4 = 330 пФ частота среза была указана равной 3 кГц. К сожалению, найти исходную схему с подробным описанием и расчётами мне не удалось, поэтому частота среза и эти ёмкости подбирались в готовой схеме опытным путём по наилучшему соотношению звучания НЧ и СЧ-ВЧ колонок. Крутизна среза фильтра около 12 дБ на октаву. Сигнал СЧ+ВЧ с выхода этого фильтра подаётся непосредственно на усилитель мощности средних-высоких частот, а низкочастотный сигнал на ещё один фильтр — инфранизких частот (сабсоник), который срезает частоты ниже 30 Гц (рис.2).

Это позволяет избавиться от соответствующих колебаний очень низких частот, которые практически не воспроизводятся применяемыми динамиками, тем не менее вызывают ненужные нам колебания их диффузоров с большой амплитудой, что приводит к большим перегрузкам и искажениям сигнала. Частота среза фильтра задаётся элементами С2, С3, С4, R4, R5, а режим работы транзистора Т1 подбором номинала резистора R3 (следует выставить на коллекторе этого транзистора примерно половину напряжения питания каскада, т. е. 4,5 V). На выходе фильтра включен переменный резистор (может быть от 10 до 100 кОм, это зависит от входного сопротивления включенного за ним усилителя мощности). С его помощью можно регулировать уровень усиления низких частот относительно СЧ-ВЧ для выравнивания суммарной частотной характеристики всей системы. Шунтирующий конденсатор C5 после переменного резистора нужен для дополнительного среза частот выше 1000 Гц, чтобы убрать возможные вч-шумы и наводки, а разделительный C6 мкФ можно не ставить, если на входе усилителя мощности такой конденсатор уже используется. Для снижения собственных шумов, схемы выбраны без использования оксидных электролитических конденсаторов в сигнальных цепях (за исключением входного конденсатора С1 первого фильтра, но и его можно заменить при желании на обычный, например, плёночный). Транзисторы в обоих фильтрах можно применить любые маломощные n-p-n структуры, но, желательно с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем собственных шумов (2РС1815L, BC549C, BC550C, BC849C (smd) , BC850C (smd), BC109C, BC179C и др.)

Оконечные усилители мощности

Для упрощения схемы и в целях уменьшения размеров готового устройства, в качестве оконечных усилителей были использованы микросхемы серии TDA, которые широко применяются в малогабаритной аудио аппаратуре, например, в автомагнитолах. Эти микросхемы имеют, как правило, достаточно приемлемые характеристики для бытовой аппаратуры вполне высокого качества. При этом они имеют встроенные схемы защиты от перегрузки, перегрева и коротких замыканий в нагрузке. Мощностные характеристики определялись исключительно мощностями имеющихся акустических систем. Так, для СЧ-ВЧ полосы была использована МС TDA1558Q в мостовом включении. Эта МС может включаться по схеме 4 канала по 11 Вт, либо по мостовой схеме 2х22 Вт). Для колонок мощностью 20 ватт была применена такая мостовая схема включения (рис.3)

Схема предельно простая и отдельного описания, явно, не требует. Неиспользуемые выводы МС — 4,9,15 — следует оставить свободными. Если отдельный выключатель MUTE / ST-BY использоваться не будет, контакт 14 МС следует соединить напрямую с плюсовым проводом питания. Электролитический конденсатор большой ёмкости (2200 mF) желательно ставить как можно ближе к выводам МС. От его ёмкости зависит не только качество сглаживания питающего напряжения, но и перегрузочная способность усилителя. Конденсатор 0,1 mF в цепи питания ставится для фильтрация возможной высокочастотной составляющей. Рабочее напряжение всех элементов должно быть не ниже напряжения питания (+U).

Для низкочастотной полосы была использована одна из имеющихся в наличии оригинальных МС TDA7575. Эти микросхемы действительно «оригинальны» и встречаются, как правило, в аппаратах более высокого класса и мощности. Найти такую не очень просто, как и схему её подключения. Конечно, здесь можно применить и многие другие МС с подобными характеристиками (2 или 4 канала по 45 Вт), даташиты на которые без труда можно найти в интернете. Данная же микросхема здесь будет описана немного более подробно для тех, кто захочет применить именно её (рис.4).

Основные характеристики: мощность — 2х45 W или 1х75 W (на нагрузку 1 Om), линейная АЧХ 20...20 000 Гц, Rвх = 100 кОm.

Минусовые входные выводы 9 и 19 в моём варианте включения соеденины на «землю» (общий провод), НЧ сигнал подаётся на выводы 8 и 20 (соответственно левый и правый канал). В случае установки здесь входных конденсаторов по 0,33 мкФ, конденсатор С6 на выходе фильтра по схеме рис.2 ставить, естественно, не нужно. Как видно, в МС присутствуют различные входы и выходы дополнительного управления, которые в нашем случае не используются и их можно оставить свободными (выводы 3,13,14,16,17,18 и 25). Для включения МС в рабочий режим на контакты ST-BY и MUTE нужно подать напряжение питания +U. Микросхема позволяет подключать акустику сопротивлением 1 Ом и может тогда выдать мощность до 75 Вт, но при мостовом включении и, соответственно, в одноканальном режиме. При этом следует соблюдать следующие условия:

• запараллелить выходы (OUT1+ соединить с OUT2+; OUT1- соединить с OUT2-);
• минимизировать сопротивление выходного шлейфа, т.е. провода от выхода МС до динамика сделать как можно толще и короче, а для этого сам усилитель должен быть расположен рядом с динамиком. Сопротивления выходного шлейфа очень существенно влияет на коэффициент гармоник;
• входной сигнал подавать на вход IN2 (IN1 — оставить свободным или заземлить);
• на вывод «1 Om SETTING» подать U=2,5V (для двухканального варианта по 45 Вт, как в нашем случае, этот выход следует оставить свободным или соединить с общим проводом). Сам не пробовал использовать схему с таким включением для 1 Ом-динамика, так как у меня нет динамиков сопротивлением 1 Ом, поэтому привожу здесь как справку данные для такого варианта, которые смог найти в доступных мне источниках.

Источник питания

Для питания усилителя в целом были использованы два трансформатора мощностью по 60-70 Вт, по одному для для НЧ и СЧ-ВЧ каналов. Один трансформатор достаточной мощности (120 и более Вт) просто не «вписывался» в малогабаритный корпус по высоте. Стабилизаторов тоже, соответственно, два. Питание использованных здесь МС лежит в пределах от 8 до 18 вольт, поэтому трансформатор может быть выбран с соответствующим напряжением на вторичной обмотке и выходным током не менее 3-х ампер без значительной «просадки». После трансформатора ставятся обычные двухполупериодные мостовые выпрямители с диодами нужной мощности, или диодная сборка (например KBU810 на 8 А). Далее выпрямленное напряжение стабилизируется в схеме «умощнённого» стабилизатора на МС типа КРЕН8 или аналогичной с дополнительным регулирующим транзистором (рис.5)

Выходное напряжение стабилизатора может быть в пределах 12 — 17 вольт для достижения максимально возможной мощности при минимуме искажений. В данном случае применена микросхема KIA7812 с напряжением стабилизации 12 вольт и для поднятия выходного напряжения до 15-16 вольт между средним выводом и общим проводом установлен дополнительно стабилитрон на 3-4 вольта (КС133, КС 139). Поднимать напряжение питания до 18 вольт не следует, хоть такой предел и указан в даташитах на МС TDA, так как на практике, в момент включения возможно срабатывание системы внутренней защиты этих микросхем из-за «перегрузки». Можно питать усилители и нестабилизированным напряжением, но это увеличит их нагрев во время работы и уменьшит перегрузочную способность.

Каскады предварительного усиления — фильтры, возможно питать от этих же стабилизаторов, но лучше, всё-таки, сделать для них один общий стабилизатор на 9...12 вольт для развязки от помех и возможного взаимного влияния полосных каналов.

Все микросхемы (усилители мощности и стабилизаторы), а также дополнительные мощные транзисторы (КТ818 или аналогичные импортные) блока питания следует закрепить на теплоотводах достаточной площади. В моём случае все эти элементы расположены на одном общем теплоотводе, состоящим из двух параллельно закреплённых алюминиевых пластин толщиной 3 мм и размером 70х200 мм. Как правило, большинство микросхем TDA и аналогичных имеют минус питания на корпусе и их можно, соответственно, крепить к одному теплоотводу без изоляционных прокладок. Транзисторы же и микросхемы стабилизатора следует изолировать. Печатные платы в архиве .

Заключение

Использование усилителя по приведённым здесь схемам позволило значительно повысить качество воспроизведения фонограмм даже с использованием акустики среднего уровня и качества. При этом колонки PHILIPS никак не переделывались, а в S-30 были отключены все внутренние пассивные фильтры и СЧ-ВЧ-головка 6ГДВ-1, а НЧ сигнал подавался напрямую на НЧ динамик (25ГДН-1-4). Регулировка уровня НЧ составляющей позволяет сбалансировать общую частотную характеристику всей системы в зависимости от размеров помещения и расстояния слушателя до акустики. Специально для сайта - А. Барышев .

Обсудить статью СХЕМА САМОДЕЛЬНОЙ ДВУХПОЛОСНОЙ АС С УНЧ

Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными . Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ. Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ предлагаю собрать, наладить и проверить в действии нижеприведенные простейшие варианты схем усилителей. (В конце статьи будут предложенны варианты практической работы, сейчас нужно собрать макет простейшего двухкаскадного усилителя для того чтобы оперативно можно было отслеживать на практике теоритические утверждения).

Простые, двухкаскадные усилители

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на (рис. 2). Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на (рис. 2, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2, б) - структуры n - p - n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.

Рис. 2 Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).

В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э 20 - 30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21э - Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м. Для питания усилителя используте батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) илисетевой блок питания (который предлагалось изготовить в 9 - ом уроке). Предварительно усилитель соберите намакетной плате , после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую - либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в 8 - ом уроке ), добейтесь наибольшей громкости. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, должен показывать ток, равный 0,4 - 0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы для данного транзистора. Затем смонтируйте детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включите в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4 - 0,6 мА. Можно, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, а вам придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный. Надеюсь, вы поняли, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 - 6 мА. Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 3). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p - n - р, а во втором - структуры n - p - n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2. В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р - n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35 - МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680 - 750 Ом, а если кремниевый (МП111 - МП116, КТ315, КТ3102) - около 3 кОм. К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю. Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л или "Крона", или, наоборот, от источника напряжением 1,5 - 3 В - от одного - двух элементов 332 или 316? Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.

Рис. 3 Усилитель на транзисторах разной структуры.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на (рис. 4) показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 2, а). Плату выпилите из листового гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5 - 2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у вас деталей. Например, на схеме мощность резисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов - по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К5О - 3 или К52 - 1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50 - 6 или импортные аналоги, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у вас деталей может измениться и печатная плата усилителя. О приемах монтажа радиоэлеметов, в том числе и печатном монтаже можно прочитать в разделе"радиолюбительские технологии" .

Рис. 4 Монтажная плата двухкаскадного усилителя НЧ.

Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой статье, пригодится вам в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.

Оконечные каскады усилителей НЧ

Однотактные усилители

Однотактные усилители в ламповых приемниках применяются при выходной мощности не более 4...5 Вт. При больших выходных мощностях, как правило, используются двухтактные усилители.
Наиболее простая схема оконечного каскада - схема с непосредственным включением нагрузки - приведена на рис.1 .

Рис.1

Для того чтобы головные телефоны не находились под высоким напряжением, их часто включают так, как это показано на рис.1 пунктиром, а в анодную цепь ставят сопротивление 4,7...10 кОм.
Наиболее распостраненной нагрузкой оконечных каскадов радиовещательных приемников является электродинамический громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки 3...10 Ом. Такие громкоговорители включают в анодные цепи оконечных каскадов через выходной трансформатор. В настоящее время разработаны электродинамические громкоговорители с сопротивленим 200...800 Ом, которые могут подключаться к усилителю без выходных трансформаторов.

Трансформатор позволяет преобразовывать не только переменное напряжение или ток, но и величину сопротивления между выводами его обмоток. Именно этим объясняется такое широкое применение трансформаторов в усилителях низкой частоты.

Предположим, для простоты рассуждений, что коэффициент полезного действия трансформатора равен 100%. Подключим обмотку w1 понижающего трансформатора Тр к генератору переменного тока, а к обмотке w2 подключим сопротивление нагрузки равное 100 Ом (рис.2) .

Рис.2

Если напряжение генератора равно 100 В, а коэффициент трансформации n, равный отношению числа витков обмоток n = w1/w2 = 2, то ток I2 через сопротивление нагрузки R2 и мощность P2 в нагрузке будут равны:

I2 = U2/R2 = 50 В/100 Ом = 0,5 А
P2 = U2 I2 = 50 В х 0,5 А = 25 Вт.

Поскольку коэффициент полезного действия трансформатора равен 100%, то мощность в нагрузке равна мощности, которую трансформатор потребляет от генератора, то есть P1 = 25 Вт. Ток же в цепи генератора и обмотки w1 равен:

I1 = P1/U1 = 25 Вт/100 В = 0,25 А.

Сопротивление обмотки w1 для генераторов равно:

R1 = U1/I1 = 100 В/ 0,25 А = 400 Ом.

Следовательно, сопротивление R1 получилось в 4 раза больше, чем R2. Если мы повторим расчет для n = 3, то получим, что R1 будет в 9 раз больше R2 и т.д. Поэтому можно написать:

(1)

Таким образом, если к одной из обмоток трансформатора подключено сопротивление R2, то сопротивление другой обмотки для генератора переменного тока оказывается в n в квадрате раз больше.

Если трансформатор понижающий, то n больше единицы и сопротивление R1 получается больше сопротивления R2. Для повышающего трансформатора n меньше единицы и как видно из формулы (1) сопротивление R1 получается меньше сопротивления R2. Так как сопротивление R1 зависит только от величины сопротивления R2, то принято говорить, что R1 это - сопротивление, приведенное или пересчитанное к первичной обмотке.

Используя трансформаторы с различными коэффициентами трансформации можно получить приведенное сопротивление как больше, так и меньше R2.

На рис.3 показана наиболее распостраненная схема однотактного оконечного каскада на лучевом тетроде (или пентоде).

Рис.3

Нагрузкой лампы является сопротивление громкоговорителя Гр, пересчитанное в первичную обмотку w1 (но не сопротивление обмотки w1!). Как мы уже указывали, сопротивление звуковой катушки электродинамических громкоговорителей не превышает 5...10 Ом. Большинство электронных ламп, предназначенных для работы в оконечных каскадах усилителей низкой частоты, отдает максимальную мощность при величинах нагрузочного сопротивления Ra 2,5...10 кОм.

Преобразование низкоомного сопротивления громкоговорителя R2p в высокоомное сопротивление нагрузки Ra и осуществляется с помощью выходного трансформатора.

Нетрудно убедиться в том, что трансформатор должен быть понижающим, а коэффициент трансформации его может быть найден из формулы (1). Для реальных трансформаторов коэффициент полезного действия меньше 100%.

(2)

Необходимое число витков вторичной обмотки w2 в зависимости от сопротивления звуковой катушки громкоговорителя находим по формуле:

где w1 - число витков первичной обмотки, указанное в табл.1.

Таблица 1

* Пентодная часть лампы.
** Величина выходной мощности указана с учетом потерь в выходном трансформаторе.

В большинстве схем оконечных каскадов на лучевых тетродах или пентодах параллельно первичной обмотке включают конденсатор Сш. Иногда конденсатор Сш включают между анодом лампы и землей. Как известно, сопротивление звуковой катушки электродинамического громкоговорителя в значительной степени зависит от частоты и изменяется с частотой так, как это показано на рис.4.

Рис.4

Примерно по такому же закону изменяется с частотой и приведенное к первичной обмотке сопротивление, то есть сопротивление нагрузки оконечной лампы. Изменение сопротивления нагрузки лампы, приводит к увеличению коэффициента нелинейных искажений.

Сопротивление конденсатора, как известно, уменьшается с увеличением частоты. Поэтому параллельно первичной обмотке выходного трансформатора включают конденсатор Сш для того, чтобы сопротивление нагрузки лампы в пределах усиливаемой полосы частот оставалось постоянным. Емкость конденсатора Сш выбирают в пределах от 3000 пФ до 10000 пФ. Рабочее напряжение конденсатора Сш должно быть в 2...3 раза больше напряжения источника анодного питания.

Типовые значения сопротивлений в цепи катодов для оконечных ламп и рекомендуемые режимы оконечных ламп приведены в табл. 1 . Для ламп 6П1П, 6П6С номинальная мощность этого сопротивления должна быть не менее 1 Вт, а для ламп 6П14П и 6П18П - не менее 0,5 Вт. Желательно применять сопротивления с допуском +/- 5%. Конденсатор Ск, блокирующий сопротивление автоматического смещения, должен иметь емкость не менее 10 мкФ для лампы 6П14П и не менее 5 мкФ для остальных ламп.

Для устойчивой работы оконечных ламп сопротивление Rc в цепи управляющей сетки не должно превышать 1 МОм.

Ультралинейный усилитель

Основное отличие ультралинейного усилителя (рис.5 ) от обычного состоит в том, что экранирующая сетка лампы присоединяется не к плюсу источника питания, а к части витков первичной обмотки выходного трансформатора.

Рис.5

Постоянное напряжение на экранирующих сетках для схем рис.3 и рис.5 примерно одинаково. Однако в схеме ультралинейного усилителя на экранирующую сетку лампы поступает и переменное выходное напряжение, снимаемое с части первичной обмотки между выводами 1-2. При правильном выборе режима лампы нелинейные искажения в оконечном каскаде резко снижаются, а выходная мощность и усиление уменьшаются незначительно.

Частотная характеристика усилителя с трансформатором определяется в основном индуктивностью первичной обмотки L1 и индуктивностью рассеяния между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора выбирают такой, чтобы индуктивное сопротивление этой обмотки было больше пересчитанного в первичную обмотку сопротивления громкоговорителя. Это легко выполняется на средних звуковых частотах, на которых частотная характеристика каскада получается равномерной (рис.6 ).

Рис.6

Как известно, с понижением частоты индуктивное сопротивление обмотки уменьшается, и поэтому оно будет шунтировать сопротивление нагрузки. А уменьшение сопротивления нагрузки снижает усиление на низших частотах. Чем меньше индуктивность первичной обмотки L1 выходного трансформатора, тем на более высоких частотах начинается завал частотной характеристики усилителя (пунктирная кривая на рис.6 ).

У реальных выходных трансформаторов вследствие рассеяния часть магнитных силовых линий, создаваемых переменным током, проходящим через первичную обмотку, замыкается, минуя витки вторичной обмотки. Это так называемый поток рассеяния, который не создает переменного напряжения на вторичной обмотке. На низших и средних частотах это уменьшение незначительно, но на самых высших частотах напряжение на нагрузке резко уменьшается.

Условно действие потока рассеяния можно представить себе как некоторую небольшую индуктивность, так называемую индуктивность рассеяния Ls, включенную последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора. На низших и средних частотах величина сопротивления индуктивности рассеяния много меньше значения пересчитанного сопротивления нагрузки. На самых высших частотах это сопротивление возрастает и уменьшает переменное напряжение на первичной, а следовательно и на вторичной обмотке. Чем больше поток рассеяния, тем больше индуктивность рассеяния и тем хуже частотная характеристика усилителя на высших частотах (пунктирная линия на рис.6 ).

Уменьшение индуктивности рассеяния достигается тщательным изготовлением выходного трансформатора и специальным выполнением обмоток. В простейшем случае сначала наматывается половина витков первичной обмотки, затем вторичная и поверх нее остальные витки первичной обмотки. Части первичной обмотки соединяются последовательно, то есть конец первой половины с началом второй.

В однотактных выходных каскадах на лампах через первичную обмотку выходного трансформатора всегда протекает постоянный ток, который намагничивает сердечник трансформатора. Это приводит к двум неприятным явлениям.

Во-первых, уменьшается выходная неискаженная мощность усилителя. Поэтому при одной и той же неискаженной мощности трансформатор, работающий с постоянным подмагничиванием, должен иметь большие размеры, чем трансформатор без подмагничивания.

Во-вторых, намагничивание сердечника постоянным током вызывает уменьшение магнитной проницаемости материала сердечника. Это снижает индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора, что в свою очередь приводит к уменьшению усиления каскада на самых низших частотах, то есть к появлению частотных искажений.

Для ослабления влияния постоянного подмагничивания сердечник следует собирать с зазором 0,1...0,2 мм между Ш-образными пластинами и перемычками. В этот зазор укладывается бумажная прокладка толщиной 0,1...0,15 мм.

Двухтактные усилители

Принципиальная схема двухтактного усилителя на триодах приведена на рис.7 .

Рис.7

Из схемы видно, что постоянная составляющая анодного тока каждой лампы протекает через половину первичной обмотки выходного трансформатора. Направление тока в половинах обмоток противоположно и поэтому результирующее магнитное поле в сердечнике оказывается равным разности полей, создаваемых током каждой лампы. При равенстве числа витков половин обмотки и анодных токов ламп магнитные поля компенсируют друг друга и результирующее магнитное поле в сердечнике оказывается равным нулю. Это является одним из важных преимуществ двухтактной схемы.

Отсутствие намагничивания сердечника постоянным током - постоянного подмагничивания - позволяет выбирать сердечник меньших размеров, чем для однотактной в усилителях с одинаковой выходной мощностью. Кроме того, отпадает необходимость в зазоре в сердечнике.

На сетки ламп Л1 и Л2 подаются (обычно с фазоинвертора) два одинаковых по амплитуде, но противоположных по фазе напряжения. Поэтому анодные токи ламп также изменяются в противофазе, то есть когда анодный ток одной лампы увеличивается, анодный ток второй лампы уменьшается (рис.8 ).

Рис.8

Но поскольку половины первичной обмотки выходного трансформатора включены встречно, то переменное магнитное поле в сердечнике оказывается пропорциональным арифметической сумме анодных токов (рис.8 в ). Поэтому напряжение на вторичной обмотке выходного трансформатора будет вдвое больше напряжения, которое было бы при работе одной лампы.

Если каждая из ламп двухтактной схемы развивает выходную мощность Рвых, то общая выходная мощность двухтактной схемы будет равна 2Рвых. Такую же мощность мы могли бы получить, если бы включили две лампы параллельно в однотактной схеме, однако двухтактная схема имеет целый ряд достоинств, важнейшими из которых являются отсутствие постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора; меньшие нелинейные искажения за счет отсутствия четных гармоник.

Усилительные каскады могут работать в нескольких режимах, из которых в усилителях НЧ используются режимы класса А, В, АВ, АВ1, АВ2.

Режим класса А. Напряжение смещения на управляющих сетках ламп - рабочая точка - усилителя класса А выбирается так, чтобы переменное напряжение сигнала на сетках ламп не выходило за пределы прямолинейного участка сеточной характеристики лампы (рис.9а ).

Рис.9а

Показатели усилителей в режиме класса А: малые нелинейные искажения; анодный ток покоя лампы больше переменной составляющей анодного тока, в силу чего коэффициент полезного действия невелик и составляет 30...40%.

Режим класса В. В режиме класса В рабочая точка выбирается на нижнем сгибе сеточной характеристики ламп (рис.9б ). При этом анодный ток покоя лампы близок к нулю, поэтому через лампу протекает анодный ток только при положительных полуволнах входного напряжения. Режим класса В применим лишь в двухтактных схемах. В этих схемах лампы в плечах работают поочередно: во время одного полупериода входного напряжения анодный ток проходит через одну лампу, а во время другого полупериода - через другую лампу.
Достоинством режима класса В является его высокий к.п.д. - до 60...75%. Следует иметь ввиду, что для усилителей режима В нельзя создавать смещение на сетки ламп с помощью сопротивлений в цепи катода.

Рис.9б

Режим класса АВ. Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами А и В. Напряжение смещения на управляющей сетке выбирают меньше, чем в усилителе класса В, но больше, чем в усилителе класса А (рис.9в ). Вследствие этого усиление слабых сигналов в этом режиме происходит в классе А, а сильных - в классе В. Нелинейные искажения в усилителе режима АВ незначительно выше искажений в режиме А, а к.п.д. значительно больше, особенно при больших амплитудах усиливаемого сигнала. Режим АВ используется только в двухтактных усилителях.

Рис.9в

Усилители режима АВ подразделяются на две группы: АВ1, при котором сеточные токи отсутствуют, и АВ2, в котором работа происходит с сеточными токами. Выше мы говорили о различных режимах для усилителей на электронных лампах, однако все сказанное целиком относится и к транзисторным усилителям.

Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого может быть – громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, обмотка реле, катушка измерительного прибора и т. д. Источниками входного сигнала являются звукосниматель, фотоэлемент и всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы усилителя. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения.

В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы; их собирают как на лампах, так и на транзисторах.

Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 26). Напряжение синусоидального сигнала u вх подают на участок база – эмиттер через разделительный конденсатор С р1 , что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I б0 . Значение I б0 определяется напряжением источника Е к и сопротивлением резистора R б . Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R н . Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки R k усиленное по амплитуде падение напряжения u вых .

Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 27 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки R н и напряжение источника Е к заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и D . При этом точка D задана значением Е к , а точка С – током I к =Е к /R н . Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ линии нагрузки.

Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка О . Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O определяет ток коллектора I к0 и напряжение на коллекторе U кэ0 соответствующие режиму покоя.

Кроме того, точка O определяет ток покоя базы I б0 , а следовательно, и положение рабочей точки O" на входной характеристике (рис. 27, а, б). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А" и В" на входной характеристике. Проекция отрезка А"O" на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U вх т , при которой будет обеспечен режим минимальных искажений.

Строго говоря, U вх т , необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U кэ , отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U кэ =U кэ 0 .

В усилителях на биполярных транзисторах используют, как правило, схему включения с общим эмиттером, обеспечивающую усиление как по напряжению, так и по току (рис. 2.4). В схеме резисторы и , включенные между корпусом и точкой +Е К, образуют делитель для напряжения питания, которое фиксирует режим работы транзистора – его рабочую точку р" (рис. 2.5). Ток I д, текущий через , должен создавать падение напряжения, соответствующее напряжению между базой и эмиттером транзистора UБЭр, поэтому

где I д – ток делителя, образованного резисторами и

Рис. 2.4.

Рис. 2.5. Влияние положения рабочей точки р на работу усилителя

Через сопротивление R" Б течет ток I Σ, равный сумме тока I д и тока, текущего в базу транзистора, поэтому

Ток делителя выбирают I д = (2...5)I Бр. Чем больше I д, тем стабильнее работает каскад, так как изменения токов коллектора I к и эмиттера I э, а значит, и тока базы I Б = I к – I э не приведут к значительному изменению напряжения на R"Б:

Таким образом, напряжение UБЭр изменится незначительно. В то же время не следует выбирать ток делителя слишком большим, потому что это снижает КПД каскада из-за потерь энергии в делителе.

Допустим сначала, что UBX = 0. Под действием напряжения UБЭр через открытый р-n-переход эмиттер–база протекает постоянный ток базы I Бр. Разделительный конденсатор Ср1 не дает возможности постоянному току протекать через источник входного сигнала.

Транзистор открыт и находится в активной области. Его состояние определит точка р пересечения нагрузочной прямой, проведенной через точки Е к и E K/R K, отсекаемые на осях (см. рис. 2.5), с характеристикой, соответствующей току I Бр. Постоянный коллекторный ток I Кр, соответствующий точке р, определит исходное напряжение между эмиттером и коллектором U KЭp. Так как через разделительный конденсатор Ср2 постоянное напряжение не проходит, выходное напряжение Uвых = 0. Рассмотренное состояние схемы называют режимом работы по постоянному току.

Пусть теперь на вход схемы поступает сигнал в виде синусоидального напряжения с амплитудой Uвх max. Этот сигнал уже пройдет через разделительный конденсатор и вызовет изменение управляющего напряжения НБЭ. Под его действием произойдет изменение токов базы, эмиттера и коллектора. Изменение тока базы оценим по входной характеристике I Б = f (UБЭ) и определим амплитудные значения тока +I Бmах и -I Бmах. Если бы входная характеристика была линейной, то изменения тока базы как в большую, так и в меньшую сторону были бы одинаковы, но из-за нелинейности характеристики амплитуда +I Бmах больше, чем –I Бmах. Поскольку выходные характеристики I к = f (Uкэ) строят для разных токов базы, по ним можно определить токи коллектора, соответствующие токам +I Вmах и -I Бmах. Изменения тока коллектора относительно среднего значения I Кр от (I Кр+ I Кmах) до (I Кр – I Кmах) приведут к колебаниям напряжения на сопротивлении R K и, следовательно, на коллекторе транзистора. Эти колебания легко оценить с помощью нагрузочной прямой. Действительно, рабочая точка р будет перемещаться по нагрузочной прямой между точками пересечения этой прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы (I Бр + I Бmах) и (I Бmin – I Бmax). Таким образом, колебания входного сигнала привели к пропорциональным колебаниям напряжения коллектор–эмиттер Uкэ с амплитудой UKЭmax = I КmахRк. Через конденсатор Cp2 эти колебания поступают на выход усилителя. Выходной сигнал, таким образом, равен

Этот режим называют режимом работы по переменному току.

Из приведенных на характеристиках построений видно, что Uвx.max = 0,1 В, Uвых.mах = 5 В и, значит, коэффициент усиления по напряжению такого каскада

Следует обратить внимание, что положительному полу-периоду входного напряжения (когда UБЭр+ Uвx.max) соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения (т.е. UКЭр – Uвых.max). Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°. Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку р следует располагать на середине линейного участка входной характеристики.