fon3

Выходной каскад усилителя:
однотактный и двухтактный.

Назначение выходных (оконечных) каскадов - усиливать мощность полезного сигнала для работы громкоговорителя. Поэтому их называют усилителями мощности. А мощность, как известно, равна произведению напряжения и тока. Следовательно, для получения значительной мощности усилителя необходимо, чтобы ток и напряжение были большими и не постоянной составляющей, а по переменному сигналу.
Поскольку выходные каскады потребляют от источников питания большую мощность, то важна их экономичность, т.е. коэффициент полезного действия (к.п.д.). Например, если какой-то выходной усилитель потребляет 1 Вт, а отдает в громкоговоритель переменную мощность 0,1 Вт, то, очевидно, его к.п.д. будет всего 10%. Это значить, что 90% потребляемой энергии напрасно теряются, т.е. нагревают транзисторы, резисторы и пр.
Для выделения на нагрузке большой мощности (десятки ватт и выше) применяют мощные транзисторы на вход которых подается бОльшая,чем в предварительных усилителях, амплитуда сигнала, которая захватывает значительную область характеристики транзистора, что приводит к нарастанию нелинейных искажений выходного сигнала. Величина максимальной неискаженной мощности и к.п.д. во многом зависит от согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой. Рассмотрим это поподробнее.

Электрическое согласование.

В электротехнике часто используют понятие "генератор" для источника тока и "нагрузка" для потребителя.
Рассмотрим рис.1 , где батарейка представляет собой генератор постоянного тока, а лампочка является нагрузкой. Так же усилитель можно принять как генератор, а следующий каскад - его нагрузка. И возникает вопрос о их согласовании. Часто думают, что генератор и потребитель согласуются по напряжению. Например, если бататарейка на 4,5 В, то тогда и лампачка должна быть на 4,5 В. В действительности, вопрос согласования сводится к соотношению между внутреннем (выходным) сопротивлением генератора и сопротивлением нагрузки.
На рис.1 к одной и той же батарейке сперва подключена автомобильная лампочка, затем лампочка для фонарика и, наконец, - бытовая лампа. На всех трех схемах указаны токи и напряжения, R - сопротивление ламп, - внутреннее сопротивление батареи, Р - мощность, подаваемая на лампы от батареи. Сопротивление лампочек нелинейно, т.к. меняется от степени нагрева нити накала и поэтому зависит от протекающего тока через лампу.
В первом опыте ( рис.1а ) сопротивление нагрузки намного меньше внутреннего сопротивления батарейки R << Rб. Поэтому напряжение на клеммах (выходное напряжение) значительно меньше ЭДС батареи. При этом, ток в цепи относительно большой, а отдаваемая мощность на нагрузке мала и лампочка не светит. Зато на выделяется значительная мощность (3,9 Вт), которая напрасно нагревает бататею. Следовательно и к.п.д. по мощности будет мало ((0,088/3,9)·100% = 2%).

usilit moschn1

Во втором опыте ( рис.1б )сопротивление лампы одного порядка, что и , т.е. R ≈ Rб и значить выходное напряжение немного меньше ЭДС батареи. Ток в цепи средней величины, а мощность на нагрузке значительная (Р = 0,7 Вт), благодаря чему лампочка светит нормально. На выделяется только 0,2 Вт, т.е. значительно меньше, чем на нагрузке. Поэтому и к.п.д. равно 35%.
В третьем опыте ( рис.1в ) сопротивление лампы значительно больше сопротивлнению батареи R>>Rб. Вследствие этого напряжение на клеммах почти равно ЭДС батареи. Ток в цепи очень мал и поэтому мощности (0.17 Вт) не хватает для зажигания лампы. Мощность на на (0,008 Вт) тоже мала и поэтому к.п.д. равен всего 4,4%.
Из этих трех опытов видно, что при различных соотношениях между внутренним сопротивлением генератора и сопротивлением нагрузки, свойства цепи различны.
1. При необходимости обеспечения генератором максимального тока, нужно, чтобы сопротивление нагрузки было во много раз меньше внутреннего сопротивления генератора.
2. Если важно получить максимальную мощность от генератора, надо, чтобы сопротивление нагрузки было равным внутреннему сопротивлению генератора.
3. Когда требуется максимальное напряжение на выходе генератора, необходимо, чтобы сопротивление нагрузки было во много раз больше внутреннего сопротивления генератора.

Рассмотрим на рис.2а, как будет изменяться мощность, выделяющая на нагрузке, при изменении от нуля до бесконечно большой величины, если ЭДС и внутреннее сопротивление генератора остаются неизменными.

usilit moschn2

Понятно, что при Rн«Rг ЭДС генератора почти полностью падает на , и в нагрузку попадает только малая часть энергии генератора. По мере увеличения сопротивления нагрузки мощность, выделяющаяся в нагрузке, сначала растет, а затем, достигая точки, когда Rн = Rг, начинает падать (рис.2б).
Ее уменьшение в нагрузке при больших величинах объясняется тем, что хотя при увеличении падение напряжения на нем растет, приближаясь к величине ЭДС генератора, ток в цепи уменьшается, и результат уменьшения тока преобладает над результатом увеличения напряжения.
Из графика зависимости коэффициента полезного действия η (красная линия) при отдаче мощности от генератора в нагрузку видно, как к.п.д. возрастает до ηмакс = 60%, а затем начинает снижаться. Прямая синяя линия графика (ηид) показывает как мог бы расти к.п.д. в идеальном случае, если бы генератор не имел внутреннего сопротивления. Если бы, да кабы, а выросло то, что выросло.
При конструировании усилительного каскада руководствуются не каким-то одним основным требованием к усилителю, а считаются со многими факторами. На практике приходится прибегать к определенным компромиссам с учетом того, чтобы выходной каскад усилителя имело оптимальные, а не максимальные, параметры. И для этого важно согласовать сопротивление усилителя с нагрузкой.

Однотактный выходной каскад усилителя.

Для примера рассмотрим самый простой маломощный однотактный усилитель на транзисторе МП42 по схеме с ОЭ (рис.3).

usilit moschn3

У этого транзистора при коллекторном токе покоя Iкп = 1мА выходное сопротивление равно 30 кОМ, а при Iкп = 5 мА - 8 кОм. Если усилитель нагрузить на громкоговоритель с сопротивлением катушки в 4 Ом (это в 2000 раз меньше сопротивления усилителя), то ток будет 0,5 мА, а напряжение на катушке - 1 мВ. Поэтому и мощность будет 0,5 мкВт, а это явно маловато для раскачки громкоговорителя.
Попробуем в роли нагрузки использовать наушники. При питании схемы 6 В и Iкп = 1 мА сопротивление наушников будет 4 кОм. Получается на наушники подается мощность около 4 мВт и в наушниках уже можно что-то услышать.

Согласовать транзистор с большим выходным сопротивлением с нагрузкой с малым сопротивлением нагрузки можно при помощи usilit moschn4 трансформатора, который имеет свойство не только преобразовывать величину токов и напряжений, но и сопротивление нагрузки.
При условии отсутствия потерь в обмотках, найдем отношение напряжения U1 на зажимах первичной обмотки трансформатора (рис.4) к входному току I1 при условии,что вторичная обмотка трансформатора нагружена на сопротивление нагрузки через который протекает ток I2 и падение напряжения на нем U2.Тогда коэффициент трансформации n будет равен:

n = ω1/ω2,

или

n = U1/U2 =I2/I1,

где ω1 - число витков первичной, а ω2 - число витков вторичной обмотки.
Отсюда можно найти входное сопротивление трансформатора:

Rвх = U1/U2,

или

Rвх = nU2/(I2/n) = n²(U2/I2).

Но U2/I2 равно сопротивлению нагрузки , поэтому

Rвх = n²Rн.

Трансформатор как бы преобразовал, изменил в раз величину сопротивления нагрузки. Поэтому, если при Rг ≠ Rн подключается нагрузка к генератору через трансформатор с коэффициентом трансформации n = √Rг/Rн, то входные сопротивления нагрузки и генератора будут равны.
usilit moschn5

На рис.5 тоже показана схема однотактного усилителя с термостабилизацией и выходным трансформатором, который обеспечивает хорошее согласование с громкоговорителем. В результате этого выходная мощность каскада доходит до 20 мВт. Базовое сопротивление R1 подбирается таким образом, чтобы Iкп был равен 6 мА.
Однотактный выходной каскад усилителя имеет существенные недостатки, а именно:
1) небольшой к.п.д.: примерно 5 - 20%;
2) относительно большие линейные искажения из-за постоянного подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора.

Двухтактный трансформаторный выходной каскад усилителя.

Особенность двухтактных выходных каскадов в том, что они имеют уже два транзистора и сравнительно большой к.п.д., который достигает 60 - 70%.
Как видно из рис.6а этот каскад имеет два входа относительно общего плюсового провода (все параметры в дальнейшем будут показываться относительно этого провода), на которые подают противофазные переменные напряжения. Это означает, что когда переменное напряжение на одной базе положительно, на другой базе будет отрицательное и, наоборот. Обратите внимание, что выходной трансформатор имеет среднюю точку в первичной обмотке.
Противофазное напряжение вырабатывается фазоинверсным каскадом. Он содержит два выхода и находится перед двухтактным выходным каскадом.

usilit moschn6

Разберемся, как работает двухтактный выходной каскад. На рис.6б показан момент, когда на первый вход действует положительное положительное напряжение, а на второй - отрицательное. В этом случае нижний транзистор заперт, а верхний открыт, т.е ток протекает только через верхнее плечо.
При перемене фазировки верхний транзистор закрыт, нижний - открыт (рис.6в). Получается, что одна полуволна переменного тока в трансформаторе формируется одним транзистором, а другая полуволна - другим. Следовательно, транзисторы потребляют энергию не одновременно, а по очереди, т.е. работают экономично. К тому же, при отсутствии входных сигналов, коллекторные токи покоя (Iкп) обоих транзисторов относительно малы, и во время пауз потребление каскада небольшое.

usilit moschn7

Теперь рассмотрим одну из наиболее распространенных схем фазоинверсного каскада (рис.7а). Особенность ее состоит в том, что в коллекторную цепь транзистора включен фазоинверсный трансформатор у которого средний вывод вторичной обмотки садится на общий провод. Трансформатор имеет два выхода на которых переменные напряжения всегда находятся в противофазе. Это видно на рис.7б,в., где во время положительного полупериода генератора точка 1 - положительна, а в точке 2 - отрицательна. При отрицательной полуволне все наоборот: 1 - отрицательна, а 2 - положительна.
usilit moschn8

На рис.8 приведена конкретная схема двухтактного выходного каскада с выходной мощностью 0,1 Вт.
Здесь нагрузкой является громкоговоритель с катушкой на 4 Ом. Выходные транзисторы должны быть одного типа и с почти одинаковыми коэффициентами усиления β. Резистор R1 подбирается таким, чтобы коллекторный ток покоя у транзистора V1 был 1 мА, а у V2, V3 - 2 мА, подбором резистора R2.
В этой схеме средний вывод вторичной обмотки фазоинверсного трансформатора не соединен с общим проводом на прямую, а через резистор R3 = 100 Ом. Падение напряжения на нем небольшое (около 0.1 в), но оно надо для смещения обоих транзисторов, чтобы уменьшить нелинейные искажения выходного каскада.

Двухтактный безтрансформаторный выходной каскад усилителя.

Трансформаторы - объемные и довольно дорогие детали и их устранение уменьшают стоимость и вес выходных каскадов. Поэтому большинство современных выходных каскадов безтрансформаторные. Но сразу возникает проблема согласования малого сопротивления громкоговорителя (4 - 8 Ом) с сравнительно большим (1 - 10 кОм) выходным сопротивлением транзисторов.
Этого можно добиться, включая выходные транзисторы по схеме с ОК (эмиттерный повторитель) . Тогда их выходное сопротивление будет всего 10 - 100 Ом. Но при таком включении транзисторов они не будут усиливать по напряжению, т.е. какое напряжение подали на вход текое получило на выходе. А поскольку для получения значительной мощности на выходе выходного каскада нужно иметь значительное переменное напряжение (1 - 10 В) на его входе ( в отличии от схем с ОЭ). Поэтому применяют один - два каскада предварительного усиления, обычно с ОЭ, для усиления входного сигнала.
Но, даже в мощных транзисторах, переменное напряжение между базой и эмиттером не может превышать 0,5 - 0,8 В. Однако превышение этих параметров не будет, т.к. в схеме с ОК (рис.9) входной сигнал распределяется между участком усиления (Uбэ) и нагрузкой (Uвых). Например, если входной сигнал равен 5 В, то из них 4,5 В действуют на нагрузку и 0,5 В - на управляющий участок.
usilit moschn9 Вместо фазоинверсного трансформатора ставят выходные транзисторы с противоположной проводимостью - n-p-n и p-n-p типа у которых параметры (мощность, коэффициент усиления β и пр.) должны быть одинаковыми. Подобранные таким образом транзисторы называются комплементарной парой, а схемы с такой парой - схемы с дополнительной симметрией.
Особенность такого выходного каскада состоит в том, что он управляется на двумя сигналами в противофазе, а только одним сигналом и имеет один вход. При положительной амплитуде входного сигнала (красная линия) открывается только нижний транзистор V2, т.е. переменный коллекторный ток протекает через нижнее плечо схемы (рис.9а), а отрицательный сигнал открывает верхний транзистор V1 и ток протекает через верхнее плечо (рис.9б). Так получается, что в один полупериод ток через нагрузку протекает в одном направлении, а следующий полупериод - в другом.
usilit moschn10 Недостатком этой схемы является то, что она питается от двух гальванически связанных источников тока, т.к. для тока в нагрузке при положительной полуволне нужно ее напряжение замыкать на отрицательный полюс одного источника тока, а при отрицательной полуволне - на положительный другого.
Еще плохо то, что базы транзисторов "плавают", т.е. на них нет фиксированного небольшого напряжения смещения и открываются они не с начала полупериода, а лишь в тот момент, когда напряжение амплитуды сигнала достигнет значения для его открытия. В конце полупериода транзистор закрывается раньше, чем амплитуда дойдет до конца. Короче говоря, амплитуда обрезается в начале и в конце полупериода, что приводит к искажению сигнала - к так называемой "ступеньке" (рис.10).

Этими недостатками лишена схема на рис.11, где показаны предварительный и оконечный каскады.
usilit moschn11 Здесь, выходной переменный ток транзистора V2 в первый полупериод открывает транзистор V3 и в его коллекторной цепи протекает переменный ток (IвыхV3), вызываемый заряженным конденсатором С5.
При отсутствии сигнала конденсатор заряжен до напряжения, примерно равного половине напряжения источника тока.
Во втором полупериоде открывается V4 и протекает ток IвыхV4, вызванный разностью напряжений источника тока и конденсатора С5.
Диод V5 служит для температурной стабилизации выходных транзисторов.
Если питать усилитель (как в данном случае) от однополярного источника громкоговоритель приходится включать через разделительный конденсатор, что приводит на низких частотах к падению напряжения на конденсаторе. А это уменьшение полезной мощности в нагрузке и к.п.д. каскада. Для устранения этих недостатков, необходимо выбрать емкость разделительного конденсатора из условия

C ≥ 1,5/(FнRн),

usilit moschn12

где - низшая воспроизводимая частота сигнала усилительного каскада; - сопротивление громкоговорителя. При этом может понадобиться конденсаторы с большой емкостью (тысячи микрофарад) и расчитаные на напряжение равное напряжению источника тока.
Громкоговоритель можно включить между выходом усилителя и искусственной средней точкой, образованной при помощи двух электролитических конденсаторов с равными емкостями (рис.12). Тогда номинальное напряжение конденсаторов будет в два раза меньше, чем в схеме на рис.11.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet