Что такое выходной каскад
Режимы работы выходных каскадов ламповых усилителей
Схемотехника ламповых усилителей обманчиво проста. Каждый каскад состоит всего из нескольких компонентов: собственно лампы, двух-трёх-четырёх резисторов и пары-тройки конденсаторов. Выходной каскад лампового усилителя может быть однотактным (SE) и двухтактным (PP) и обычно содержит трансформатор.
В этой публикации мы рассмотрим особенности работы однотактных и двухтактных выходных каскадов, узнаем о режимах работы ламп и обсудим применение мощных триодов в однотактных выходных каскадах ламповых усилителей.
Чтобы заложить основу для понимания процессов, протекающих в выходных каскадах ламповых усилителей, обратимся к хрестоматийной схеме школьного радиоузла, которая выдержала пять переизданий в книге В. Борисова «Юный радиолюбитель». Впервые конструкция была опубликована в первом издании 1951 года, в третьем издании 1959 года в главе, посвящённой усовершенствованию конструкции, была описана переделка однотактного (SE) выходного каскада в двухтактный (PP), в четвёртом (1966) и пятом (1972) изданиях в варианты конструкции введены пальчиковые лампы.
▍ Схема с однотактным выходным каскадом
Проведём анализ схемы школьного радиоузла, в качестве выходных ламп рассмотрим канонические 6П3С. Схемы, описания и графики возьмём из пятого издания, как наиболее проверенные несколькими поколениями радиолюбителей.
Выходной каскад собран по схеме с автоматическим смещением. Напряжение на выводе 3 лампы Л3 (анод) указано +270 В, напряжение на выводе 8 (катод) указано +14,5 В. Эти напряжения измерены относительно общего провода. Относительно же катода получаем напряжение анода UА = 270 – 14,5 = +255 В, а напряжение смещения на управляющей сетке лампы UС = 0 – 14,5 = –14,5 В. Номинал катодного резистора R15 = 200 Ом. Ток через катодный резистор 14,5 / 200 = 72,5 мА. Блокировочный конденсатор C12 служит для предотвращения отрицательной обратной связи по переменному току.
Сравним с паспортными данными лампы 6П3С. При напряжении на аноде и экранной сетке +250 В ток анода лампы 6П3С должен быть в пределах (72 ± 14) мА, а ток экранной сетки не должен превышать значения 8 мА. Рекомендуемое значение напряжения смещения на управляющей сетке – минус 14 В. При токе анода IА = 72 мА и токе экранной сетки IЭ = 8 мА номинал катодного резистора должен быть UС / (IА + IЭ) = 14 / 0,08 = 175 Ом.
Режим работы лампы выходного каскада, в принципе, соответствует указанному в паспорте. Заявленная выходная мощность усилителя – 5 Вт, что тоже соответствует паспортным характеристикам 6П3С. Схема выходного каскада – каноническая однотактная «класса А» на пентоде с автоматическим смещением.
▍ Схема с двухтактным выходным каскадом
Мощности 5 Вт для усилителя радиоузла может быть недостаточно. Поднять выходную мощность предлагается заменой однотактного выходного каскада (SE) на двухтактный (PP). Для этого из исходной схемы исключается выходной каскад, и вместо него подключается одна из схем, приведённых ниже:
Схема стала значительно сложнее: вместо одного каскада на одной лампе теперь включено два каскада на трёх лампах.
На лампе Л1 собрана схема фазоинвертора, преобразующая входной аналоговый сигнал в два выходных противофазных. На «верхнее плечо» выходного двухтактного каскада подаётся сигнал с фазой 0°, а на «нижнее плечо» – сигнал с фазой 180°.
В выходном каскаде теперь две лампы 6П3С. Заявленная выходная мощность усилителя 15-20 Вт. По идее, добавление в выходной каскад второй лампы мощностью 5 Вт дало бы прирост мощности усилителя на эти 5 Вт, т.е. в два раза. Почему выходная мощность выросла в три-четыре раза, разберём позже.
Изменилась конструкция выходного трансформатора: сечение магнитопровода увеличилось, чтобы увеличить габаритную мощность, а первичная обмотка имеет отвод от середины.
Аноды выходных ламп подключены к крайним выводам первичной обмотки, источник анодного напряжения подключён к средней точке. Половины первичной обмотки включены таким образом, чтобы противофазные токи в половинах первичной обмотки вызывали токи одного направления во вторичной обмотке выходного трансформатора. Соответственно, синфазные анодные токи во вторичной обмотке друг из друга вычитаются.
Номинал катодного резистора на схеме – 220 Ом. По постоянному току лампы в двухтактном каскаде включены параллельно, соответственно, через этот резистор протекает значительно больший ток, чем протекал бы через катодный резистор того же номинала в однотактной схеме, следовательно, и модуль напряжения смещения на управляющих сетках рассматриваемого двухтактного каскада будет больше.
▍ Режимы работы усилительного каскада на лампах
Режим работы усилительного каскада на лампах определяется напряжением смещения на управляющей сетке. Наглядней и проще это продемонстрировать на графике анодно-сеточной характеристики триода:
Наибольший интерес на кривой вызывает отрезок между точками «б» и «в». Это линейный участок анодно-сеточной характеристики при отрицательном напряжении на управляющей сетке. Крестиком на кривой отмечена середина этого участка, т.е. «рабочая точка» каскада при работе в режиме A.
Если установить напряжение смещения UС на сетке триода минус 4 В, ток покоя IА будет 4,5 мА. Каскад при таком смещении сможет без искажений усиливать входной сигнал с амплитудой до 4 В. При подаче на вход сигнала с большей амплитудой напряжение на сетке может выходить за пределы линейного участка, что приведёт к нелинейным искажениям.
Нужно отметить, что при положительном потенциале сетки относительно катода между ними возникает т.н. «сеточный ток» IС, что эквивалентно включению диода между управляющей сеткой и катодом. Этот эффект нашёл широкое применение в радиотехнике, но при усилении звука он нежелателен, т.к. вносит в сигнал заметные искажения.
Работа в режиме А, когда напряжение на сетке не выходит за пределы участка «б-в», обеспечивает минимальные искажения, но неэффективна энергетически: лампа в этом режиме работает без «отсечки», через неё всегда протекает ток, и большая часть энергии уходит на нагрев анода. Коэффициент полезного действия усилителей класса А не превышает 25-30%.
Начинаем смещать «рабочую точку» в сторону точки «б». В какой-то момент времени начинается «отсечка» (ток через лампу не течёт) части отрицательной полуволны входного сигнала. Усилитель входит в режим AB. Коэффициент полезного действия в этом режиме – 50-60%.
Однотактный (SE) усилитель при переходе в режим AB начинает вносит в сигнал заметные искажения. Искажения, вносимые в сигнал двухтактным (PP) усилителем в режиме AB, заметны значительно меньше.
Искажения, вносимые в сигнал двухтактным усилителем, становятся заметными при сдвиге «рабочей точки» за точку «б» на графике. В точке «а» усилитель переходит в режим B с «отсечкой» ровно половины синусоиды и коэффициентом полезного действия 80% и выше.
При сдвиге «рабочей точки» левее точки «а» на графике усилитель переходит в режим C с «отсечкой» более половины синусоиды, когда большую часть периода входного сигнала ток через лампу не течёт, и коэффициентом полезного действия 90% и выше.
В усилителях звуковой частоты лампы работают или в «чистом классе А» (независимо от схемы включения), или в режиме AB в двухтактных схемах.
Чтобы понять, почему добавление лампы в двухтактный выходной каскад даёт не удвоение, а утроение, или даже учетверение, выходной мощности, вспомним, что выходной трансформатор суммирует по модулю противофазные анодные токи ламп выходного каскада, что в идеале приводит к удвоению амплитуды выходного тока, что и даёт в итоге выигрыш в 4 раза по мощности даже при работе выходного каскада в режиме A.
При работе двухтактных каскадов в режиме AB есть другая особенность. Разберём её на примере работы выходного двухтактного каскада с характеристиками ламп как на графике выше. Для этого вводим каскад в режим AB, установив напряжение смещения минус 8 В. Каскад теперь может без искажений усиливать входной сигнал с амплитудой до 8 В, т.е. в этом режиме можно подать на выходной каскад напряжение «раскачки» в 8 / 4 = 2 раза больше, что при прочих равных условиях опять приводит к увеличению выходной мощности в 4 раза.
▍ Особенности работы двухтактных схем
Применение двухтактных схем с режимом работы AB даёт значительный прирост выходной мощности при повышении коэффициента полезного действия. Двухтактные схемы имеют меньший по сравнению с однотактными коэффициент нелинейных искажений за счёт лучшего подавления чётных гармоник.
Качество выходного сигнала двухтактных схем с режимом работы AB обеспечивается симметричностью: лампы выходного каскада должны подбираться парами по идентичности характеристик; половины первичной обмотки должны иметь идентичные амплитудно-частотные и фазовые характеристики во всём диапазоне рабочих частот усилителя; каскад фазоинвертора должен обеспечивать точность сдвига фаз во всём амплитудно-частотном диапазоне усилителя.
▍ Особенности работы однотактных схем
Однотактные схемы работают только в режиме A и имеют по сравнению с двухтактными схемами на тех же лампах меньшую выходную мощность при меньшем коэффициенте полезного действия. Спектр выходного сигнала однотактной схемы содержит, помимо прочих, практически равные по уровню, вторую и третью гармоники.
Однотактные схемы не требуют подбора ламп. Конструкция трансформатора для применения в однотактных каскадах гораздо проще. За счёт работы лампы в режиме A магнитопровод выходного трансформатора постоянно подмагничен, что значительно ухудшает его линейность.
▍ Парадокс «триодного звучания»
Необходимость добавления в триод дополнительных сеток была вызвана неустойчивой работой триодов на высоких частотах. Пентоды имеют по сравнению с триодами меньшие межэлектродные ёмкости и гораздо устойчивей работают на радиочастотах. На той же площади анода пентод обеспечивает большую выходную мощность.
По всем паспортным характеристикам применение пентодов, а особенно их разновидности – лучевых тетродов, в выходных каскадах усилителей звуковой частоты предпочтительней. В советской аппаратуре до перехода на полупроводники в выходных каскадах УЗЧ обычно применяли однотактные схемы на лучевом тетроде 6П3С или выходном пентоде 6П14П. На выходе трансляционных усилителей применялись двухтактные каскады на мощных лучевых тетродах Г807 или 6Р3С.
Можно было бы сделать вывод, что пентоды лучше, но оказалось, что есть нюансы…
При переходе на транзисторы был обнаружен эффект «транзисторного звучания». Транзисторные усилители превосходили ламповые по многим параметрам, в частности по коэффициенту нелинейных искажений, но звучали «как-то не так».
Сопоставимый с лучшими транзисторными усилителями коэффициент нелинейных искажений обеспечивали двухтактные выходные каскады с «ультралинейным» включением выходных пентодов. Аутсайдерами по этому параметру в семействе ламповых усилителей традиционно являются триодные «однотактники».
В конечном счёте, эксперты выяснили, что эффект «транзисторного звучания» вызван наличием в спектре выходного сигнала транзисторных усилителей нечётных гармоник. Нечётные гармоники придают звучанию «металлический» окрас.
Затем эксперты пришли к парадоксальному открытию, что однотактный выходной каскад на триоде настолько плох, что чрезвычайно хорош: высокий уровень второй гармоники в спектре триодного «однотактника» маскирует наличие в спектре третьей, т.к. человеческое ухо лучше слышит чётные гармоники. Из-за наличия в спектре чётных гармоник звук кажется мягче и объёмней.
Кроме того, триод в качестве усилителя имеет значительно более узкий частотный диапазон, и в спектре «однотактника» на триоде уровень высших гармоник ниже по сравнению со схемой на пентоде.
Вот так из недостатков и сложились достоинства однотактных схем на триодах.
К несомненным достоинствам однотактных каскадов нужно отнести тот факт, что они не требуют подбора ламп. При изменениях анодного напряжения или потере эмиссии однотактный каскад с автоматическим смещением, скорее всего, так и останется в «чистом классе А».
▍ От автора
Основой моего домашнего аудиокомплекса с 1991 года является ламповый усилитель «Прибой 50УМ-204С» с акустическими системами «Союз 130АС-002».
В выходных каскадах усилителя используются двухтактные схемы на мощных лучевых тетродах 6Р3С. Акустические системы подключены к усилителю недорогим акустическим кабелем китайского производства. Все соединительные шнуры – самодельные. Есть коллекция «винила», но обычно я слушаю музыку с CD.
Я очень люблю ламповую технику и меня сильно огорчают беспредметные споры на тему, что лучше «винил» или CD, лампы или транзисторы, триоды или пентоды и т.п. Надеюсь, моя публикация поможет внести какую-то ясность в предметную область и ввести часть этих дискуссий в конструктивное русло.
Схемотехника выходных каскадов усилителей мощности на транзисторах.
Выходные каскады транзисторных усилителей мощности могут быть реализованы в соответствии с несколькими схемотехническими решениями. Давайте рассмотрим наиболее распространённые из них, а также порассуждаем об основных плюсах и минусах того или иного построения.
1. Выходные каскады на биполярных транзисторах.
Рис.1
Каскад ОЭ-ОК на 3-ёх транзисторах одной структуры (Рис.1, слева), по большому счёту, можно исключить из рассмотрения по причине некоторой его архаичности. Подобная схемотехника выходных каскадов УНЧ применялась достаточно широко, но давно, и имела смысл лишь в условиях полного отсутствия либо дефицита мощных комплементарных транзисторов.
По своим характеристикам и свойствам данный тип выходных каскадов практически полностью аналогичен двухтранзисторному построению ОЭ-ОЭ (Рис.1, 2-ой слева).
Одним из главных преимуществ перед выходным каскадом ОК-ОК является то, что конфигурация ОЭ-ОЭ обладает усилительными свойствами не только по току, но и по напряжению, что снижает требования к предшествующим каскадам усиления и, как следствие, упрощает схемотехнику УМЗЧ. Источники тока в базовых цепях задают коллекторный ток покоя транзисторов. При положительной полуволне входного сигнала в усилении участвует нижний транзистор T2, который приоткрывается и тянет уровень выходного сигнала вниз (к минусу), а верхний транзистор T1 наоборот подзапирается. При отрицательной полуволне сигнала поведение транзисторов обратное.
Легко заметить, что данный выходной каскад (ОЭ-ОЭ) является инвертирующим, а его коэффициент усиления как по току, так и по напряжению определяется исключительно параметрами применяемых транзисторов и сопротивлением нагрузки.
1. Выходные каскады на полевых транзисторах.
Рис.2
Далее измерим коэффициент нелинейных искажений двухтактных каскадов при выходной мощности 25Вт. Получаем следующие результаты:
1. Каскад ОИ-ОИ Кг = 1,3%,
2. Каскад ОС-ОС Кг = 0,9%.
Рис.3
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Бестрансформаторные выходные каскады
Всем доброго времени суток! В прошлом посте я рассказал про некоторые характеристики входных транзисторных усилителей включённых по схеме с общим эмиттером и с общим коллектором. Ниже я расскажу о выходных и предоконечных каскадах усиления на транзисторах.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Прежде всего, выходные каскады предназначены для создания необходимой мощности в нагрузке усилителя. Вообще же не всякий усилитель является усилителем мощности. Что бы усилитель считался таким необходимо, чтобы выходная мощность усиленного сигнала была сопоставима с мощностью, которую подводят от источника питания. Усилители мощность в большинстве случаев работают в режиме класса усиления B или AB, но встречаются также и выходные усилители работающие в классе А (особенно в маломощной переносной аппаратуре). Также выходные каскады усиления могут быть трансформаторными или бестрансформаторными, в зависимости от того, как они взаимодействуют с нагрузкой.
Предоконечные каскады служат в первую очередь для возбуждения выходных каскадов, так как в большинстве случаев усиления выходных каскадов не хватает. Также как и выходные каскады предоконечные могут быть трансформаторные и бестрансформаторые (резисторные и резисторно-емкостные), а также однотактные (класс усиления А) и двухтактные (класс усиления В и АВ).
Бестрансформаторные каскады
Начнём пожалуй с наиболее распространённых в настоящее время выходных и предоконечных каскадов – бестрансформаторных, которые в настоящее время наиболее распространены. Данные типы каскадов называют также каскадами с резисторной или резисторно-емкостной нагрузкой, так как нагрузка связана с транзистором через некоторое сопротивление или через дополнительный конденсатор, который убирает постоянную составляющую сигнала. Как уже упоминалось выше бестрансформаторные каскады работают в однотактном или двухтактном режиме.
Однотактный выходной каскад
Однотактные бестрансформаторные схемы выходных каскадов используют только режим усиления класса А. В таких каскадах нагрузка RН включается непосредственно в цепь коллектора или эмиттера транзистора. Данные типы каскадов имеют ограниченное применение: они используются в маломощных усилителях, где в качестве нагрузки используется головные телефоны («наушники») с сопротивлением 50 – 450 Ом и имеющие выходную мощность до нескольких милливатт.
Типовая схема однотактного бестрансформаторного каскада.
В качестве примера представлена типовая схема однотактного бестрансформаторного каскада с транзистором, включённым по схеме с ОЭ. Данная схема имеет усилительный транзистор (VT1) и телефон (BF1) в качестве нагрузки. Резисторы Rb1, Rb2, RE и конденсатор СE являются элементами цепей питания, а конденсатор СP служит для связи с предыдущим каскадом.
Данный тип каскада усиления характеризуется следующими показателями: выходная мощность, электрический КПД, частотная характеристика.
Выходная мощность, которую может отдать данный каскад в нагрузку, зависит прежде всего от напряжения источника питания (Е0) и сопротивления нагрузки (RH), в качестве которой выступает телефон BF1. При этом ток покоя транзистора (IC) не должен превышать 0,5 IC max, а максимальное напряжение напряжения питания (Е0) не превышать 0,5 UCЕ max. Ориентировочно выходную мощность можно рассчитать по следующим формулам:
Электрический КПД усилительного каскада в режиме усиления класса А практически не превышает 0,25 – 0,475 и возрастает с увеличением напряжения питания.
Основные недостатки однатактного бестрансформаторного каскада являются низкий КПД и плохое использование транзистора по мощности в связи с чем данные типы каскадов применяются в маломощных усилителях до нескольких милливатт или в качестве предоконечных для возбуждения двухтактных оконечных каскадов.
Двухтактный выходной каскад
Двухтактные схемы выходных каскадов работают в режиме усиления класса В и АВ. Как упоминалось в предыдущем посте в классе усиления В и АВ транзисторы усиливают только одну полуволну сигнала, так вот, чтобы был усилен полный сигнал необходимо использовать как минимум два транзистора, каждый из которых усиливает свою полуволну. Для того чтобы происходило усиление обеих полуволн двухтактные усилительные каскады выполняют на транзисторах различной структуры (p-n-p и n-p-n), но параметры которых если не одинаковы, то довольно близки по значению и отличаются лишь на несколько процентов. Такие транзисторы называются комплементарными.
Типовые схемы двухтактного усилителя: слева – схема с дополнительной симметрией и справа – схема с обратной связью.
Среди двухтактных бестрансформаторных усилителей наибольшее распространение получила схема с дополнительной симметрией. В которой в качестве выходного каскада используются комплементарные транзисторы с ОК (VT2 и VT3) и предоконечный однотактный каскад (транзистор VT1). Резистор R1 является коллекторной нагрузкой VT1, а R2 используется для задания тока смещения (напомню, что при работе в классе АВ необходимо задать небольшой начальное напряжение смещения для избегания искажений). Конденсатор СР предназначен для связи выходного каскада с нагрузкой и разделения постоянной и переменной составляющей сигнала. Подбором сопротивлений резисторов R1 и R2 устанавливают напряжение симметрии в точке соединения транзисторов VT2, VT3 и конденсатора СР.
Обозначим параметры, которые характеризуют двухтактный бестрансформаторный каскад.
Выходная мощность двухтактных бестрансформаторных каскадов ограниченна прежде всего напряжением питания (Е0) усилительного каскада и сопротивлением нагрузки(RH). Снижение выходной мощности происходит, прежде всего, из-за параметров транзисторов выходного каскада, прежде всего это сопротивление насыщения транзистора в режиме большого сигнала (ΔЕ0) и сопротивление в цепи эмиттера в случае использования составных транзисторов. Приблизительное значение выходной мощности и некоторых других параметров можно рассчитать по следующим формулам:
— максимальное значение выходной мощности:
— максимальный ток, протекающий через коллекторы транзисторов:
Электрический КПД данного типа выходного каскада в максимальном случае в классе усиления В составляет 0,785, однако в режиме АВ, за счёт задания начального тока покоя и за счёт падения напряжения на насыщении (ΔЕ0) выходных транзисторов, он имеет несколько меньшую величину и возрастает с увеличением напряжения питания (Е0).
Улучшение параметров выходного двухтактного каскада
Во всех транзисторных каскадах вообще и в двухтактном каскаде в частности возникают нелинейные искажения, которые зависят от многих факторов, а в частности от таких как нелинейность характеристик транзисторов и неполной симметрией плеч каскада. Чтобы уменьшить величину нелинейных искажений необходимо более тщательно подбирать транзисторы по величине коэффициента усиления, а также параметры самого каскада: режимы работы и применение отрицательной обратной связи.
Выходной каскад работающий в классе усиления B имеет значительно большие нелинейные искажения, чем каскад работающий в классе AB. Поэтому абсолютное большинство выходных каскадов работают в классе AB. Для установления такого режима работы необходимо создать некоторое напряжение смещения на базах транзисторов VT1 и VT2, которое зависит от величины сопротивления резистора R2. При этом уменьшается величина параметров Pвых.max и КПД каскада, поэтому величина тока коллектора транзисторов VT1 и VT2 не должна превышать 0,1 iC max.
Для уменьшения зависимости параметров выходного каскада от изменения температуры довольно часто вместо резистора R2 включают диоды или терморезисторы. В этом случае ток покоя выходных транзисторов устанавливается экспериментально: в случае, когда необходимо увеличить ток покоя последовательно с диодом включают резистор, а в случае, когда необходимо уменьшить ток покоя резистор ставят последовательно с диодом.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.