Транзистор – усилитель. Часть 7: двухтактный выходной каскад
Напоминаю:
1) однотактный УНЧ класса «А» очень неэкономичен, хотя усиливает сигнал без искажений; с его помощью нельзя получить большую мощность на выходе;
2) однотактный УНЧ класса «В» более экономичен, позволяет получить повышенную выходную мощность, но велики искажения сигнала.
Как быть, если всё-таки очень хочется бо́льшей мощности?
Идея, на первый взгляд, проста: объединить ДВА УНЧ класса «В», один из которых будет усиливать положительную, другой – отрицательную полуволну синусоиды, а на выходе соединить полуволны.
Графически процесс объединения , по моей версии, можно представить, примерно, так:
1 шаг – берём два усилителя, на транзисторах разной проводимости
2 шаг – второй усилитель (можно первый) переворачиваем (отражаем по вертикали) и соединяем оба усилителя – получаем сдвоенный усилитель с общей шиной питания –Uпит1/+Uпит2, с раздельными входами и выходами
Замечание. По сути – это, ежели помните, СТЕРЕОусилитель, но в таком виде он нам, в данный момент, совершенно не нужен. Продолжим.
Шаг 3 – объединяем входы и выходы
На вход поступает синусоидальный сигнал – каждый транзистор усиливает свою полуволну – на нагрузке они снова объединяются в синусоиду:
Итак, в усилителе используются ДВА транзистора РАЗНОЙ проводимости, каждый из которых усиливает СВОЮ ПОЛУВОЛНУ входного сигнала. Это так называемая ДВУХТАКТНАЯ схема УНЧ. В иностранной, переводной, да и в наших описаниях (многие слишком уж любят американские слова, желая, видимо, лишний раз подчеркнуть свою образованность) часто используется старое название этой схемы — «Push-Pull» (тяни-толкай) – сокращённо «РР». Двухтактные схемы применяются в выходных каскадах, где требуется наибольшая мощность выходного сигнала, поэтому их называют также усилителями мощности (УМ).
Коэффициент усиления по напряжению двухтактного каскада приблизительно равен единице.
Напоминю повторно. Поскольку до сих пор я не упоминал о трансформаторах в транзисторных УНЧ, то не буду говорить о них и в дальнейшем. Было время, когда все или бо́льшая часть транзисторных УНЧ строились по трансформаторным схемам, в том числе – двухтактные УМ.
На фото – плата радиоприёмника «Сокол-403». Красными стрелками показаны согласующий и выходной трансформаторы усилителя НЧ:
На фото – плата радиоприёмника «VEF-201». Красными стрелками показаны согласующий и выходной трансформаторы усилителя НЧ:
Но время трансформаторных УНЧ на транзисторах ушло. Ламповые усилители НЧ изготавливают и в настоящее время, в абсолютном большинстве случаев, по трансформаторным схемам. Но этот совсем другая история…
Начну с упрощённых схем, которые нельзя использовать практически, но которые помогут несколько глубже понять суть идеи.
Простейшая схема бестрансформаторного УМ на транзисторах разной проводимости была только что получена путём графического объединения:
Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме с общим коллектором (ОК), которая обеспечивает минимальное выходное сопротивление, что особенно важно при работе усилителя на низкоомную нагрузку Rн. Конечно, допускается применение других схем включения. Но, независимо от этого, транзисторы должны быть подобраны, по возможности, с одинаковыми параметрами.
Пара транзисторов разной проводимости с (почти) одинаковыми параметрами называется комплементарной. На начальном этапе приходилось подбирать такие пары, затем РАДИОпромышленность наладила их выпуск, например:
КТ816А – прямой, КТ817А – обратной проводимости.
В схеме используются два источника питания с одинаковыми напряжениями Uпит1 и Uпит2, и так называемой «средней точкой», обеспечивающие протекание выходных коллекторных токов Iк1 и Iк2 соответственно транзисторов VT1 и VT2, работающих на общее сопротивление нагрузки Rн.
Двухтактный УМ можно питать от одного источника, создав «искусственную среднюю точку» с помощью двух электролитических конденсаторов С1 и С2:
Естественно, Uпит = 2хUпит1 или Uпит = 2хUпит2, по сравнению с предыдущей схемой.
По постоянному току транзисторы включены последовательно, образуя как бы делитель напряжения питающего их источника постоянного тока. При этом на коллекторе транзистора VТ1 относительно средней точки «А» (точки симметрии) создается положительное напряжение, равное Uпит/2 источника, а на коллекторе транзистора VТ2 – отрицательное и также равное Uпит/2 источника. Rн включено в эмиттерные цепи транзисторов: для транзистора VТ1 – через конденсатор С2, для транзистора VТ2 – через конденсатор С1. Транзисторы по переменному току включены по схеме ОК (эмиттерными повторителями) и работают на общую нагрузку RH.
Транзисторы работают без смещения на базах, поэтому при «соединении» полуволн на выходе возникают искажения типа «ступенька»:
УНЧ такого типа относят к классу «С».
Наиболее простой способ устранения «ступеньки» – подача на базы транзисторов напряжения смещения, что и делают на практике.
Можно применить один источник и один электролитический конденсатор:
Т.н. балансирующий конденсатор С выполняет роль второго источника питания.Ток Iк1, протекающий через открытый транзистор VT1 во время положительного полупериода входного напряжения Uвх, заряжает этот конденсатор. Во время отрицательного полупериода Uвх открывается транзистор VT2 и через него протекает ток Iк2. Так как в это время транзистор VT1закрыт, то в качестве источника питания для VT2 используется заряд балансирующего конденсатора С. При одинаковых параметрах транзисторов VT1и VT2токи Iк1 и Iк2, протекающие через транзисторы и нагрузку Rн, также одинаковы, и конденсатор Сзаряжается до половины напряжения источника Uпит,т. е. Uc = Uпит/2.Так как при открытом транзисторе VT1 напряжения Uc и Uпит включены встречно, то результирующее напряжение, питающее коллекторную цепь транзистора VT1, также равно Uпит/2:
Uк1=Uпит-Uс= Uпит- Uпит/2= Uпит/2
Емкость конденсатора С должна быть такой, чтобы его сопротивление для самой низкой частоте усиливаемого сигнала было значительно меньше сопротивления нагрузки Rн. Напряжение Uпит, во избежание пробоя транзистора VT1 в момент включения, выбирают из условия:
Uпит ≤ (0,8…0,9) Uкэ max
Каскад УМ, естественно, используется совместно с каскадом предварительного усиления, собранного по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Для упрощения между каскадами применяется непосредственная связь (без разделительного конденсатора). В результате становится возможным для формирования напряжения на базах транзисторов двухтактного УМ воспользоваться коллекторным напряжением каскада предварительного усиления:
Приведённая схема уже довольно близка к практической реализации. Вернёмся к тому, что для обеспечения режима «B» в двухтактном УМ на базы транзисторов необходимо подать напряжение около 0,6 В. Это можно сделать при помощи резистора, зашунтированного по переменному току конденсатором
Однако, для устранения влияния температурной зависимости характеристики транзистора в качестве источника напряжения 0,6 В применяются кремниевые диоды (тем более, что их сопротивление переменному току при протекании постоянного тока близко к нулю).
Схема двухтактного усилителя, в котором режим работы «B» обеспечивается кремниевыми диодами:
Вот теперь настало время ЭКСПЕРИМЕНТА!
©SEkorp 29_август_2020
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 или на РАДИОзвук