Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
Шрифт:
Не забудьте, что для упрощения мы рассматриваем случай усиления чисто синусоидальных колебаний, и появившиеся в выходном сигнале гармоники — это вовсе не тембровая окраска усиливаемого звука (рис. 5). Здесь гармоники — это совершенно новые, посторонние составляющие, которых не было во входном сигнале и которым есть только одно название— искажение спектра. Что же касается полезных гармоник, то есть таких, которые поступают на вход каскада и определяют тембр звучания, то они образуют основной сигнал. Оба плеча двухтактной схемы суммируют его, складывают в первичной обмотке Трв любые составляющие этого сигнала независимо от их частоты и фазы.
Мы коротко рассмотрели некоторые достоинства двухтактных схем. Справедливость требует, чтобы были упомянуты и их основные недостатки.
Прежде всего отметим такой очевидный и не очень приятный факт: в двухтактной схеме должны работать две лампы (или одна двойная). Еще одно неудобство — на сетки этих ламп усиливаемый сигнал нужно подавать в противофазе. А поскольку с микрофона, звукоснимателя, магнитной головки и т. п. мы получаем лишь один сигнал, то в усилителе должно быть устройство для сдвига фазы на 180.
Если не к недостаткам, то уж наверняка к трудностям нужно отнести необходимость строгой симметрии плеч двухтактного каскада. Симметрия нужна для того, чтобы выходной сигнал был «сшит» из одинаковых половинок, чтобы пульсации, постоянные составляющие и четные гармоники токов ламп с равной силой выходили на «поле боя» (в первичную обмотку выходного трансформатора) и полностью уничтожали друг друга. Для получения симметрии нужно, чтобы в двухтактном каскаде работали совершенно одинаковые лампы, причем в одном и том же режиме, и чтобы в обоих плечах применялись одинаковые детали. Главная трудность здесь состоит в изготовлении симметричной обмотки и выходного трансформатора и в подборке ламп — даже одинаковые по названию лампы могут иметь заметный разброс параметров.
Что касается трансформатора, то с ним связана еще одна трудность: его индуктивность рассеяния Lpac должна быть очень небольшой. Для уменьшения Lpac в ряде случаев приходится принимать специальные меры (стр. 203).
Значительные неудобства возникают, если двухтактный выходной каскад работает в классе В. В этом случае ток покоя ламп равен нулю (рис. 54), а постоянная составляющая анодного тока Iа0 меняется в зависимости от уровня входного сигнала. Чем больше Uвх, тем больше импульсы тока в анодной цепи, тем, следовательно, больше и постоянная составляющая этих импульсов Iа0. С этим связаны сразу две неприятности. Во-первых, изменение Iа0 означает, что меняется ток, потребляемый от выпрямителя, и падение напряжения Uф на дросселе или сопротивлении фильтра (рис. 30, 18). В итоге меняется и постоянное напряжение на выходе выпрямителя, которое подается и на другие лампы. Вывод — анодные цепи ламп, работающих в классе В, и все остальные лампы усилителя не стоит питать через общий фильтр выпрямителя.
рис. 30, 18
Во-вторых, из-за отсутствия тока покоя и непостоянства постоянной составляющей Iа0 в выходном каскаде нельзя применить удобную схему автоматического смещения — нельзя включить сопротивление в катодную цепь лампы. Смещение приходится подавать от отдельного источника, который обычно «выкраивают» в схеме питания (рис. 45, блок 5 В).
Оба последних недостатка в какой-то мере относятся к классу АВ. В этом случае, правда, ток покоя не равен нулю, однако постоянная составляющая Iа0 все же меняется, причем тем сильнее, чем меньше угол отсечки. И хотя в большинстве случаев для усилителей, работающих в классе АВ, все же применяют автоматическое смещение, его, по возможности, следует заменить независимым смещением, то есть напряжением, которое не зависело бы от анодного тока выходных ламп.
Достоинства двухтактных схем привлекают конструкторов намного сильнее, чем отпугивают их недостатки. Вот почему, когда мощности одной лампы не хватает и речь идет об использовании в выходном каскаде двух ламп (кстати, для увеличения выходной мощности лампы можно включать параллельно), то этот каскад всегда собирают по двухтактной схеме. Распространенные выходные лампы развивают мощность до 4–5 вт, и поэтому двухтактный выходной каскад вы встретите во всех промышленных и любительских усилителях низкой частоты, в том числе, конечно, в усилителях радиоузлов, с выходной мощностью более 4–6 вт. В ряде случаев и выходные каскады очень небольшой мощности собирают по двухтактной схеме. Она незаменима, когда особо важно снизить потребляемую мощность (переносная аппаратура с питанием от батарей), а также в усилителях, к которым предъявляются очень жесткие требования в отношении нелинейных искажений.
Поскольку мы высказались за применение двухтактных схем, то нужно выяснить, как и в какой степени можно устранить их недостатки, какими путями можно преодолеть трудности, стоящие на пути применения двухтактных усилителей. Начнем с самого необходимого — со схем, которые позволяют подать на сетки ламп противофазные напряжения.
На уроках физкультуры вы наверняка видели, как выполняется эта команда, а может быть, даже выполняли ее сами. «Кру-гом!» — командует преподаватель. И тот, к кому это относится, четко поворачивается на 180°. Что-то похожее придется проделать с усиливаемым сигналом. Нужно и его научить поворачиваться на 180°, то есть сдвигать фазу на полпериода. При этом получится два сигнала: один с еще не сдвинутой фазой, а другой — со сдвинутой. Именно такие сигналы и нужны для подачи их на управляющие сетки ламп двухтактного усилителя. Электрические цепи или электронные схемы, которые заставляют переменное напряжение выполнять команду «кру-гом!» и выдают на выходе два одинаковых по величине и противофазных напряжения, называются фазоинверторами (рис. 59).
Рис. 59. На сетки ламп двухтактного выходного каскада сигналы необходимо подавать в противофазе. Для этой цели фазоинвертор каким-либо способом делит напряжение сигнала на две равные части и поворачивает на 180° фазу одной из них.
Один из простых фазоинверторов — это предоконечный каскад, в анодную цепь которого включен междуламповый трансформатор Трм. л (рис. 58, 3, а).
Рис. 58, 3
Междуламповым он называется потому, что через него сигнал передается из анодной цепи предоконечной лампы на сетки выходных ламп. Вторичную обмотку трансформатора Трм. л можно разделить на две части, и тогда мы получим два выходных напряжения. Сдвинуть фазу одного из этих напряжений на 180° не составляет труда: фаза напряжения на выходе любого трансформатора зависит от того, какой из выводов вторичной обмотки заземлен (рис. 39, 1). Вторичную обмотку междулампового трансформатора выполняют как одно целое и делают вывод от средней точки. Заземлив этот средний вывод, мы получим на краях вторичной обмотки два одинаковых по величине и противоположных по фазе напряжения. Чтобы убедиться в этом, попробуйте провести рассуждения с помощью «плюсов» и «минусов» (рис. 58, 3, б, в).
Несмотря на простоту, фазоинвертор с трансформатором применяют довольно редко: сам трансформатор считается сложной деталью, и там, где это возможно, стараются обходиться без него. Кроме того, лишний трансформатор — это лишний источник частотных и нелинейных искажений.
Другой простой фазоинвертор — это усилительный каскад с двумя нагрузками: анодной Ra и катодной Rк (рис. 60, 1, а). Известно, что при увеличении анодного тока напряжение на аноде Uауменьшается, а напряжение Uк на катодном сопротивлении Rк увеличивается (рис. 60, 1, б).