Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Сворень Рудольф Анатольевич

Наряду с экономией энергии повышение к. п. д. имеет еще одно важное достоинство. Уменьшается потребляемая мощность, и вместе с этим упрощается устройство анодного выпрямителя, фильтров, силового трансформатора. Для радиолюбителя это может иметь первостепенное значение. Так, например, если в вашем распоряжении есть силовой трансформатор мощностью 60 вт, то с его помощью можно питать усилитель мощностью 15 вт, если его к. п. д. составляет 25 %, или усилитель мощностью 30 вт с к. п. д. = 50 %. Иными словами, при ограниченной потребляемой мощности выходная мощность усилителя будет тем больше, чем экономнее мы научимся расходовать энергию, чем более высокий к. п. д. сумеем получить (рис. 52).

Рис. 52. Чем выше к. п. д. усилителя, тем больше выходная мощность при неизменной потребляемой мощности.

В

усилителях НЧ главная арена борьбы за повышение к. п. д. — это анодные цепи ламп выходного каскада. Уменьшить мощность, потребляемую накальными цепями, мы не можем: для данного типа лампы напряжение и ток накала ни при каких обстоятельствах уменьшать нельзя. Экономить энергию, потребляемую в анодных и экранных цепях усилителя напряжения, не имеет особого смысла: на долю этих каскадов приходится сравнительно небольшая часть общего анодного тока, а значит, и небольшая часть мощности выпрямителя. Таким образом, остается единственная возможность заметно повысить к. п. д. всего усилителя — нужно уменьшить мощность, потребляемую в анодной цепи выходной лампы, точнее, повысить соотношение между выходной мощностью и потребляемой. Сейчас нам предстоит выяснить, какие существуют пути для того, чтобы улучшить это соотношение, и в какой степени повышение к. п. д. повлечет за собой рост (а может быть, и уменьшение?) искажений сигнала в выходном каскаде.

А, В и АВ с единицами и двойками

В этой странной, шифрованной записи скрыт секрет повышения к. п. д. усилителя. Ключ к шифру можно узнать, познакомившись с работой усилительного каскада, с теми событиями, которые происходят при изменении анодной нагрузки, смещения, напряжения сигнала, анодного и экранного напряжения— одним словом, при изменении режима лампы.

Еще раз нарисуем упрощенную схему выходного каскада и запишем, чему равна его выходная мощность Р_вых и мощность, потребляемая в анодной цепи Р_ао (рис. 53, 1, д, е). Теперь прямо в «лоб» начнем атаку на к. п. д. — попробуем увеличить полезную мощность, повышая переменное напряжение U_а~ и переменную составляющую анодного тока I_а~.

Рис. 53, 1

Если увеличить сопротивление нагрузки R_а, а это несложно сделать, изменив коэффициент трансформации Тр_в (рис. 49), то одновременно возрастет и напряжение U_а~ (закон Ома: U = I·R!). Казалось бы, найден путь повышения выходной мощности Р_вых. Но, к сожалению, по этому пути мы далеко не уйдем.

Переменное напряжение на нагрузке U_н, складываясь с постоянным анодным напряжением U_aо, определяет напряжение на аноде лампы U_а. Во время положительных полупериодов результирующее напряжение на аноде равно сумме U_а0 и U_а~, а во время отрицательных полупериодов — их разности (рис. 53, 2). Поэтому вместе с напряжением на нагрузке U_н растет максимальное напряжение на аноде (U_макс = U_а0 + U_{н. ампл}) и уменьшается минимальное напряжение (U_мин = U_а0 — U_{н. ампл}). Если в погоне за большой мощностью увеличить U_н до такой степени, чтобы оно стало больше чем U_а0, то в некоторые моменты времени напряжение на аноде окажется отрицательным (рис. 53, 2, б, интервалы 1–2 и 3–4). При этом, естественно, и анодный ток станет равным нулю: при отрицательном напряжении на аноде он не притягивает электроны и они летят на управляющую, а в тетроде — на экранную сетку.

Прекращение анодного тока, пусть даже кратковременное, — это не что иное, как искажение формы сигнала, а его мы допустить не можем. Таким образом, и устанавливается предел повышения напряжения на нагрузке U_н — оно не может быть больше чем U_а0. Об этом можно сказать и иначе, если ввести коэффициент использования анодного напряжения . Искажений кривой тока можно избежать, если коэффициент будет меньше единицы (рис. 53, 2, в, г).

Рис. 53, 2

Потерпев

неудачу с увеличением U_н, попробуем подступиться к задаче с другой стороны — увеличим переменную составляющую анодного тока I_а~. Сделать это довольно просто — достаточно увеличить переменное напряжение на сетке U_вх, под действием которого меняется анодный ток. На рис. 53, 3, а вы видите встречавшийся раньше (рис. 30, 21) тройной график, на котором ламповая характеристика (динамическая) совмещена с графиками напряжения U_c и тока I_а. На графиках показан случай, когда амплитуда переменного входного напряжения U_{вх (ампл)} равна постоянному отрицательному смещению на сетке. Ну, а что будет, если в погоне за большим переменным током увеличивать напряжение входного сигнала? Графики для этого случая показаны на рис. 53, 3, б. Присмотритесь к этим графикам и вы увидите, что результаты увеличения U_вх оказались весьма печальными — форма графика тока сильно искажена. За счет захода в положительную область напряжений на сетке срезаны верхушки на графике тока (интервалы 1–2 и 5–6). Как только на сетке появляется «плюс», она перехватывает часть электронов и ток I_с резко уменьшает входное сопротивление лампы.

Рис. 53, 3

Кроме того, анодный ток искажен и в области его минимальных значений. Отрицательное напряжение на сетке «перестаралось» — оно зашло слишком далеко, в ту область, где лампа оказывается запертой и анодного тока вообще нет. Из-за этого происходит так называемая отсечка анодного тока — напряжение на управляющей сетке меняется, а анодный ток равен нулю (интервал 3–4). Из графиков ясно видно, что во избежание искажений амплитуда переменной составляющей анодного тока I_{а~(ампл)} не должна превышать постоянной составляющей I_ао, а для этого напряжение на сетке U_c не должно заходить ни в положительную область, ни в область, соответствующую запиранию лампы. Если ввести коэффициент использования анодного тока (рис. 53, 5, в), то можно сказать, что неискаженное усиление возможно тогда, когда у не превышает единицы. Работа усилителя при этих условиях называется классом усиления А.

Максимальная неискаженная мощность, которую можно получить в классе А, соответствует коэффициентам = 1 и  = 1, то есть U_{н (ампл)} = U_а0 и I_{а~(ампл)} = I_а0. Таким образом, амплитуда наибольшей выходной мощности P_{вых (ампл)} равна мощности Р_а0, потребляемой в анодной цепи от выпрямителя. Не забудьте, что здесь речь идет об амплитуде выходной мощности, а ее эффективное значение будет в два раза меньше (рис. 30, 9). Иными словами, эффективная выходная мощность P_вых  не превышает половины потребляемой мощности Р_а0. Это значит, что максимально возможный к. п. д. анодной цепи в классе А не превышает 50 %. Практически к.п.д. для этого класса усиления составляет 20–30 %.

рис. 30, 9

Сейчас вам предстоит стать свидетелями того, как будет найден выход из, казалось бы, безвыходного положения. Мы познакомимся со схемами усиления, в которых к. п. д. анодной цепи выше и даже значительно выше, чем 50 %. При этом мы пойдем по только что забракованному пути повышения мощности Р_вых — будем увеличивать переменную составляющую анодного тока. Как и раньше, этот путь приведет нас к недопустимым нелинейным искажениям. Но для схем, о которых пойдет речь, — это не слишком большое зло. Искажая форму анодного тока, они (чудеса, да и только!) дают на выходе неискаженный сигнал. Правда, это относится не ко всем искажениям, а лишь к некоторым их видам. Вот почему прежде, чем рассматривать «чудесные» схемы, нам целесообразно подробнее познакомиться с самим механизмом искажений.