Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Сворень Рудольф Анатольевич

Существуют усилительные схемы, которые чем-то напоминают двухголового Тянитолкая. Это схемы двухтактных усилителей, которые по-английски так и называются «тянитолкай» (пуш-пул). Двухтактный усилительный каскад состоит из двух одинаковых каскадов (каждый такой каскад-половинку называют плечом), которые, подобно головам сказочного Тянитолкая, могут работать поочередно, могут одинаково хорошо создавать в нагрузке ток вперед и назад (рис. 57).

Рис. 57. Двухтактная схема позволяет из двух сильно искаженных (с большой отсечкой) сигналов «сшить» один неискаженный.

Схемы усилителей, приведенные в предыдущей главе, в отличие от двухтактных, называют однотактными.

Знакомство с двухтактной

схемой мы начнем с самого «страшного» случая — с работы усилительных каскадов в классе В (рис. 58, 1, 2).

рис. 58, 1, 2

Обе лампы двухтактного каскада Л' и Л" работают на общую нагрузку — громкоговоритель Гр. Он включен в анодные цепи через выходной трансформатор Тр_вс двумя первичными обмотками, точнее, с одной обмоткой, имеющей вывод от средней точки. По одной половине первичной обмотки (левой) проходит анодный ток лампы Л', по другой половине (правой) — анодный ток лампы Л". На сетки ламп подается одинаковое по величине отрицательное смещение — U_см и одинаковое по величине переменное напряжение сигнала U_вх. Напряжения эти подобраны так, что в каждом плече лампа работает с углом отсечки 90° (ток существует только половину периода), а это и является признаком класса В (рис. 56, 1, г).

В двухтактных схемах, работающих в любом из классов усиления, обязательно нужно выполнить такое условие: напряжения на управляющие сетки необходимо подавать в противофазе. Это значит, что в тот момент, когда на сетке лампы Л' действует положительный полупериод, на сетке Л" должен быть отрицательный полупериод входного напряжения.

В данном случае «положительный» и «отрицательный» — это уже не условные понятия: напряжение на сетках оценивается относительно одной общей точки: относительно шасси, куда обычно подключены катоды обеих ламп. Для нашего примера (рис. 58, 1, 2, 3) во время нечетных полупериодов 1–2, 3–4, 5–6 «плюс» сигнала подводится к сетке Л', а во время четных 2–3, 4–5, 6–7 — к сетке Л". Это значит, что Л' заперта во время четных полупериодов, а Л" — во время нечетных.

Поскольку лампы работают в классе В и работают поочередно, то в первичной обмотке Тр_в поочередно будут проходить импульсы тока длительностью в половину периода каждый. Если рассматривать первичную обмотку как единое целое, то можно сказать, что эти импульсы будут иметь разное направление — импульсы от лампы Л' пойдут по обмотке слева направо (по схеме), импульсы от лампы Л" — справа налево. Направление магнитного поля катушки зависит от того, в какую сторону течет по ней ток. Поэтому магнитное поле в выходном трансформаторе Тр_в будет переменным и, значит, будет переменным наведенное во вторичной обмотке выходное напряжение U_вых. Одно плечо двухтактной схемы обеспечит положительный полупериод выходного напряжения, другое плечо — отрицательный полупериод этого напряжения. Выходная мощность равна сумме полезных мощностей каждой лампы. «Сшитый» из двух разных анодных токов выходной сигнал совершенно не отличается от того сигнала, который мы получили бы при усилении в классе А. Иными словами, двухтактная схема позволяет работать в экономичном классе В и в то же время дает неискаженный выходной сигнал.

К сожалению, все сказанное в полной мере относится лишь к идеальному, теоретическому усилителю, где работают лампы с характеристиками, не имеющими нижнего загиба.

К теоретическому классу В в какой-то степени приближаются триоды. Что же касается наиболее важных для нас выходных ламп — пендотов и лучевых тетродов, то из-за сильного нижнего загиба эти лампы, работая в классе В, заметно искажают сигнал (рис. 56, 3). Особенно сильно искажаются слабые сигналы, которые полностью попадают на нижний изогнутый участок ламповой характеристики.

Чтобы уменьшить

вредное влияние нижнего загиба, двухтактный усилитель переводят в класс АВ. При этом несколько снижается к. п. д., но зато уменьшаются нелинейные искажения сигнала. Нужно сказать, что наибольшую мощность усилительный каскад отдает в классе АВ при угле отсечки 120°, а к. п. д. при этом достигает 50–60 %. Именно в таком режиме работает большинство двухтактных выходных каскадов. В тех случаях, когда от лампы хотят получить очень высокий к. п. д., используют классы усиления В₂ и АВ₂. Но, конечно, увеличение мощности в этом случае не достается даром — за него приходится платить дополнительными нелинейными искажениями, возникающими при появлении сеточных токов. Кроме того, с появлением сеточных токов увеличивается мощность, потребляемая от предыдущего каскада. Именно он поставляет энергию, которая теряется в сеточной цепи выходной лампы.

Довольно часто двухтактные схемы работают не только в экономичных классах АВ и В, но и в классе А, для которого вполне пригодны и однотактные усилители. Применение двухтактных схем для усилителей класса А объясняется тем, что «сшивание» выходного сигнала из двух кусков не единственное достоинство этих схем. Они обладают еще целым рядом других ценных особенностей, которые проявляются во всех классах усиления, в том числе и в классе А.

Для начала отметим, что постоянные составляющие анодных токов проходят по первичной обмотке Тр_в в разных направлениях и создают магнитные поля, направленные одно против другого (рис. 58, 2, а, б, в). В итоге, постоянного магнитного поля вообще нет, и сердечник выходного трансформатора в двухтактной схеме работает без постоянного подмагничивания. Теперь уже не нужно делать в сердечнике зазор, ослабляющий магнитное поле, и сборку пластин следует производить в перекрышку. При сравнительно небольших размерах сердечника без зазора можно получить весьма большую (во всяком случае, значительно большую, чем для сердечника с зазором) индуктивность первичной обмотки, а это улучшает воспроизведение низших частот.

Другая особенность двухтактной схемы состоит в том, что ее анодные цепи можно питать выпрямленным напряжением со значительными пульсациями. Пульсации питающего тока, так же, как и его постоянные составляющие, проходят по первичной обмотке Тр_в в разных направлениях и создают компенсирующие друг друга магнитные поля. Поэтому в цепи громкоговорителя не наводится напряжение пульсаций, и для питания анодных цепей двухтактного каскада может быть использован сравнительно простой фильтр.

Еще одно достоинство двухтактных схем: нелинейные искажения в них при прочих равных условиях всегда меньше, чем в однотактных схемах. Конечно, это имеет особенно большое значение для классов АВ и В, где мы сознательно идем на искажение формы сигнала. Так, например, если в классе В однотактный усилительный каскад дает совершенно недопустимый К_н.и — около 40 %, то двухтактный каскад при тех же условиях позволяет снизить нелинейные искажения до 10–12 %. Для класса А только переход на двухтактную схему выходного каскада может привести к снижению К_н.и с 7—10 % до 3–5 %. В сочетании с отрицательной обратной связью двухтактная схема позволяет уменьшить К_н.и в классе А до 1 %, а в классе АВ — до 4–5 %.

За счет чего же уменьшаются нелинейные искажения в двухтактной схеме? Каким образом ослабляются (а может быть, исчезают?) посторонние гармоники, появившиеся в выходном сигнале из-за нелинейности ламповой характеристики, из-за отсечки анодного тока? Секрет здесь опять-таки во взаимодействии магнитных полей, которые создаются в выходном трансформаторе токами ламп Л' и Л".

Первая гармоника (I'_a1 и I''_a1) и остальные нечетные гармоники анодных токов первого и второго плеча создают в первичной обмотке магнитные поля, которые всегда действуют в фазе (рис. 58, 2, а, б, г). Ток первой гармоники — это и есть выходной сигнал в чистом виде, и именно благодаря сложению магнитных полей первой гармоники суммируется полезная выходная мощность обеих ламп двухтактного каскада. Вторая (I'_a2 и I''_a2) и остальные четные гармоники, подобно постоянным составляющим (I'_a0 и I''_a0), создают в сердечнике магнитные поля, которые действуют друг против друга и взаимно уничтожаются (рис. 58, 2, а, б, д). Таким образом, в двухтактной схеме из искаженного выходного сигнала исчезают четные гармоники, а это равносильно резкому уменьшению нелинейных искажений.