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 ζ . Искажений кривой тока можно избежать, если коэффициент ζ 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 γ (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 ζ = 1 и γ = 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.

На рис. 53 и 54 показаны тройные графики основных режимов работы усилителя, основных классов усиления. Переход из одного класса в другой можно осуществить, изменяя напряжение входного сигнала и отрицательное смещение на сетку.

График рис. 53, 3, а относится к классу А, для которого характерны низкий к. п. д. и малые искажения.

Класс усиления АВ (рис. 54, 55 и 56, 1, б, в ) характеризуется отсечкой анодного тока.

В отличие от класса А, рабочую точку (начальное отрицательное смещение U_cм ) выбирают не в середине прямолинейного участка ламповой характеристики, а сдвигают ее влево – в сторону больших отрицательных напряжений. Проще говоря, отрицательное смещение U_cм в классе АВ больше, чем в классе А (рис. 55).

Рис. 55. Изменяя уровень входного сигнала (U_вх ) и постоянное смещение на сетку (U_см ), можно менять режим усилителя, переводить его из одного класса усиления в другой.

Одновременно со смещением увеличивают напряжение входного сигнала. В результате всего этого и появляется отсечка – какую‑то часть периода лампа заперта и анодный ток равен нулю. При переходе в класс АВ мы дважды выигрываем в борьбе за к. п. д. Во‑первых, растет переменная составляющая анодного тока I_а~ , а во‑вторых, уменьшается его постоянная составляющая I_а0 . Происходит это потому, что под действием большого смещения U_cм уменьшается постоянный ток при отсутствии сигнала – ток покоя I_пок . Постоянная составляющая I_а0 в классе АВ несколько больше, чем I_пок , но все же она меньше, чем в классе А.

Теперь, не меняя смещения U_cм , будем увеличивать переменное напряжение на сетке U_вх . После того как амплитуда U_вх превысит U_cм , на сетке в некоторые моменты времени будет появляться «плюс», а вместе с ним и небольшие импульсы сеточного тока I_с . Это уже будет класс АВ₂ . Индекс «2» как раз и говорит о том, что каскад работает с сеточным током. Индекс «1» (A₁ и AB₁ ) соответствует классам усиления, при которых каскад работает без сеточных токов.

Индекс «1» часто не пишут, и поэтому, если вы встретите запись «класс А» или «класс АВ», знайте, что это относится к классам усиления A₁ и AB₁ . Если же каскад работает с сеточными токами, то индекс «2» пишут обязательно.

Рис. 54 , 2

Класс АВ – понятие весьма расплывчатое. Ему может соответствовать и очень большая и очень небольшая по длительности отсечка анодного тока, а значит, большие и малые нелинейные искажения. Согласитесь сами, что одно дело, когда напряжение на сетке запирает лампу ненадолго, ну, скажем, на сотую долю периода, и совсем другое дело, когда лампа заперта чуть ли ни на целую половину периода. Поэтому в ряде случаев недостаточно указать, что каскад работает в классе АВ (иногда говорят: в режиме АВ или даже в режиме класса АВ), а нужно добавить, что анодный ток существует такую‑то часть периода.

В теории усилителей для оценки времени существования тока применяют особую меру – угол отсечки θ (рис. 55, 56). Этот угол, как и угол сдвига фаз, измеряется в градусах (единица времени) и соответствует половине времени существования анодного тока. Так, например, если в результате отсечки ток существует лишь 3/4 периода, то угол отсечки равен 135° (время существования тока 270°). Для класса А, где никакой отсечки вообще нет, угол θ равен 180° (время существования тока 360°, то есть весь период). Ясно, что с уменьшением угла отсечки θ импульсы анодного тока становятся все более кратковременными, а паузы между ними растут, то есть резко возрастают искажения формы сигнала (ничего не поделаешь – знали, на что шли!). Одновременно с этим уменьшается I_а0 и повышается к. п. д.

Увеличивая угол отсечки, можно дойти до того, что анодный ток будет существовать лишь половину периода (θ = 90°). Такой режим усиления выделяют особо и называют классом В (рис. 54, 55 и 56, 1, г ). Теперь вам, очевидно, понятно и название класса АВ – оно говорит о том, что этот класс является промежуточным между классом А (время существования тока 360°, то есть угол отсечки 180°) и классом В (время существования тока 180°, то есть угол отсечки 90°). КлассВ₂ – это тот же класс B₁, но в случае, когда каскад работает с сеточными токами. Реальный к. п. д. анодной цепи в классе В достигает 70 % (в два раза больше, чем в классе А).

Рис. 54 , 1

Отличительной особенностью класса В является то, что отрицательное смещение U_cм полностью запирает лампу (U_cм = U_зап ), и поэтому при отсутствии сигнала анодный ток равен нулю (I_пок = 0). Только во время положительного полупериода лампа отпирается, и в анодной цепи появляется ток. Постоянная составляющая анодного тока I _а0 зависит от уровня входного сигнала: чем больше U_вх , тем больше импульсы анодного тока, тем больше I_а0 . Поэтому во время реальной передачи, когда уровень входного сигнала резко меняется (именно в этом и отражено изменение громкости звука), постоянная составляющая анодного тока также не остается постоянной.

Если, работая в классе В, еще больше увеличить отрицательное смещение, то мы перейдем в класс С (C₁ или С₂ , рис. 54, 55, 56, 1, д ), где угол отсечки меньше 90°, то есть время существования импульсов тока меньше половины периода (меньше 180°). Хотя этот класс характеризуется весьма высоким к. п. д., в усилителях низкой частоты он не применяется.

Рис. 54 , 3

Дело в том, что искажения, которые появляются в классе С, не могут быть устранены даже в тех «волшебных» схемах, с которых мы начали разговор. В то же время подобные схемы если не полностью устраняют, то во всяком случае резко уменьшают искажения, возникающие при усилении в классах АВ и В. Сейчас мы с вами посмотрим, как все это происходит.

Рис. 56. Зависимость формы анодного тока и амплитуд его составляющих (гармоник) от угла отсечки.

Усилительная схема "Тянитолкай"

Все вы, конечно, знаете сказку в стихах Корнея Чуковского «Доктор Айболит». Но, помимо этой стихотворной сказки про Айболита, есть еще одна – в прозе. Ее Корней Иванович пересказал нашим ребятам по мотивам сказочной повести английского писателя Гью Лофтинга «Доктор Дулитл».

Среди героев этой повести есть одно необычное животное, по имени Тянитолкай. Это животное чем‑то похоже на горного козла с большими рогами. Только у Тянитолкая две рогатые головы, одна спереди, а другая сзади, и он одинаково хорошо ходит, рычит, бодает и вперед и назад. В повести рассказано, как головы Тянитолкая по очереди спят и кушают, как следят, чтобы не подкрался охотник. Поэтому‑то Тянитолкая до сих пор не удалось поймать, и его нет ни в одном цирке, ни в одном зоологическом саду.

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 _в с 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 В₂и 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.

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 Тр_в 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 L_pac должна быть очень небольшой. Для уменьшения L_pac 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 I_а0 меняется в зависимости от уровня входного сигнала. Чем больше U_вх , тем больше импульсы тока в анодной цепи, тем, следовательно, больше и постоянная составляющая этих импульсов I_а0 . С этим связаны сразу две неприятности. Во‑первых, изменение I_а0 означает, что меняется ток, потребляемый от выпрямителя, и падение напряжения U_ф 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 I_а0 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 I_а0 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.

"Кру‑гом!“

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 Тр_{м. 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 Тр_{м. 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 R_a и катодной R_к (рис. 60, 1, а ). Известно, что при увеличении анодного тока напряжение на аноде U _а уменьшается, а напряжение U_к на катодном сопротивлении R_к увеличивается (рис. 60, 1, б ).

рис. 60 , 1

Это значит, что напряжения U _а и U_к будут изменяться в противофазе и поэтому противофазными будут переменные составляющие этих напряжений U'вх₂ и Uвх₂ . Их‑то мы и подаем на сетки ламп двухтактного выходного каскада. Для того чтобы оба сигнала не отличались по величине, нужно сделать R_а и R_к одинаковыми. Обычно каждое из этих сопротивлений составляет несколько десятков килоом. За счет такого большого R_к каскад охвачен очень глубокой отрицательной обратной связью, сильно снижающей усиление. Обратите внимание на то, что сопротивление утечки R_c1 подключено не к шасси, а к сопротивлению R^*_к . В противном случае на Л₁ подавалось бы не только постоянное смещение, появляющееся на R^*_к , но весьма большая (обычно десятки вольт) постоянная составляющая напряжения U_к1 .

Существует и другая схема (рис. 60, 2, а, б ), где постоянную составляющую U_ко все же подают на сетку. Но одновременно с помощью делителя на сетку подают положительное напряжение U_c0 . В этом случае смещение будет равно разнице между постоянным положительным и отрицательным напряжением. При налаживании такой схемы нельзя допустить, чтобы лампа даже на какое‑то мгновение осталась без отрицательного смещения – «плюс» на сетке может вывести ее из строя.

рис. 60 , 2

Напряжение сигнала на сетке лампы и переменное напряжение на ее аноде сдвинуты по фазе на 180° (рис. 30, 24 ), и это используется в целом ряде фазоинверсных схем. Обычно такие схемы выполняют на двух триодах, один из которых приносится в жертву – от этого триода не требуют усиления, он должен только сдвигать фазу.

рис. 30 , 24

Один из вариантов фазоинвертора на двойном триоде показан на рис. 60, 3, а . Выходное напряжение U'_вых с первого каскада Л'₁ подается прямо на сетку одной из ламп двухтактного усилителя. Часть этого напряжения с делителя R_с2, R^*_с2, R_б , подается на сетку второго триода Л''₁ . Делитель во столько же раз уменьшает напряжение, во сколько лампа Л''₁ его усиливает. Таким образом, на сетках ламп двухтактного каскада действуют одинаковые по величине, но противоположные по фазе напряжения U'_вых и U''_вых . Эти напряжения сдвинуты по фазе на 180°, потому что первое из них действует в сеточной цепи, а второе получено из анодной цепи одной и той же лампы Л''₁ ; лампа, как уже не раз отмечалось, сдвигает фазу на полпериода. Эта схема получила название автобалансной (самобалансирующейся). Напряжение с выхода Л'₁ так же как и с выхода Л''₁ , подается на сопротивление R_б . Детали схемы подобраны так, что при идеальном балансе, то есть когда U'_вых = U''_вых , напряжение на R_б равно нулю. В случае если одно из двух выходных напряжений изменится (например, из‑за изменения параметров лампы или данных деталей), то на R_б появится разностное напряжение, которое вновь сбалансирует схему. Аналогичный, но более простой автобалансный фазоинвертор вы найдете на схеме рис. 60, 3, б .

рис. 60 , 3

В фазоинверсных схемах на двойном триоде катодное сопротивление не нужно шунтировать конденсатором, так как по нему проходят одинаковые по величине и противоположные по фазе анодные токи обеих ламп, и переменные составляющие этих токов компенсируют друг друга. В случае же если одна из переменных составляющих увеличится, то на Як сразу же появится напряжение отрицательной обратной связи, которое будет действовать против «выскочки». Таким образом, сопротивление R_к можно рассматривать как элемент автобалансировки.

Это свойство используется и в фазоинверторе с катодной связью (рис. 62, 4 ), где переменные составляющие анодных токов Л'₁ и Л''₁ несколько отличаются. Здесь переменное напряжение U'_c1 на сетку Л''₁ снимается с катодного сопротивления R_к (точнее, R_к + R^*_к ), так как сетка для переменного напряжения соединена непосредственно с корпусом через конденсатор С''_с1 .Для получения идеальной симметрии, то есть для того чтобы соблюдалось равенство U'_вых = U''_вых , сопротивление анодной нагрузки R'_a1 должно быть несколько меньше, чем R''_a1 . Только в этом случае при одинаковых выходных напряжениях токи ламп не будут равны и на R_к появится переменное напряжение, необходимое для работы каскада. Это напряжение будет и при одинаковых сопротивлениях анодной нагрузки, но анодные токи ламп Л'₁ и Л''₁ , а значит, и переменные напряжения U'_вых и U''_вых в этом случае будут несколько отличаться. При достаточно большом сопротивлении R_к необходимая величина U''_c1 получается при незначительной разнице между выходными сигналами, и асимметрия фазоинвертора лежит в допустимых пределах. Каскад охвачен отрицательной обратной связью и хорошо поддерживает начальную степень симметрии.

На практике находят применение все рассмотренные схемы фазоинверторов; каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Трансформаторная схема, несмотря на все ее минусы, незаменима в том случае, когда двухтактный выходной каскад работает с сеточными токами. Фазоинвертор с разделенной нагрузкой (рис. 60, 1, а ) имеет хорошую частотную характеристику, однако не дает никакого усиления. Фазоинвертор с катодной связью мало чувствителен к пульсациям анодного напряжения и почти не создает нелинейных искажений.

К его недостаткам относят некоторые трудности получения идеальной симметрии, в частности при одинаковых сопротивлениях анодной нагрузки. Автобалансная схема дает значительно большее выходное напряжение по сравнению с двумя предыдущими, однако и она не лишена недостатков – здесь появляется асимметрия на высших частотах, частотная характеристика хуже, чем в схеме с разделенными нагрузками, и коэффициент нелинейных искажений выше, чем в схеме с катодной связью. Выбор той или иной схемы фазоинвертора зависит от требований, предъявляемых ко всему усилителю и к фазоинверсному каскаду, в частности.