Усилитель мощности колебаний НЧ, выполненный по двухтактной схеме, может работать в экономичных режимах АВ или
В с высоким коэффициентом полезного действия при малых искажениях.
При работе двухтактного каскада в режимах с отсечкой анодного тока в области частот от 2000—3000 Гц и выше возникают
специфические нелинейные искажения, обусловленные нестационарными процессами. Причиной возникновения этих искажений, возрастающих
с повышением частоты, является главным образом индуктивность рассеяния между половинами первичной обмотки и между каждой половиной
первичной обмотки и всей вторичной обмоткой выходного трансформатора.
Рис. 1
Переходные процессы, повторяющиеся периодически с частотой усиливаемых колебаний, искажают форму кривой анодного тока
ламп: при угле отсечки Θ = 90° продолжительность импульса анодного тока каждой лампы становится больше половины периода
и на осциллограмме анодного тока появляется характерный провал. Рис. 1 поясняет сказанное. Известно также, что при работе
в режиме В нелинейные искажения в области низших звуковых частот определяются главным образом не насыщением
сердечника трансформатора, как это происходит в режиме А, а переходными процессами, обусловленными индуктивностью
первичной обмотки трансформатора при холостом ходе. Искажения этого рода успешно компенсируются глубокой обратной связью.
Искажения же на высших частотах, обусловленные индуктивностью рассеяния, обратной
связью не компенсируются, так как практически общая обратная связь не охватывает входного и выходного трансформаторов из-за
опасности возникновения генерации на высших частотах, вызванной фазовыми сдвигами за счет индуктивности рассеяния трансформаторов.
Секционированием обмоток и перекрещиванием секций оказывается невозможным уменьшить индуктивность рассеяния до такой степени,
чтобы сделать незначительными искажения на высших частотах, связанные с переходными процессами.
Поэтому при проектировании усилителей, работающих в режиме АВ или В, приходилось идти на компромисс,
чтобы получить допустимую величину искажений как на низших, так и на высших частотах, либо применять невыгодный энергетический
режим А.
Описываемый усилитель при работе в режиме класса В дает минимальные искажения на низших частотах вследствие
очень хорошей частотной и фазовой характеристик и глубокой противосвязи и на высших частотах благодаря сведению до минимума
индуктивности рассеяния.
Иногда высказывается мнение, что нелинейные искажения на частотах выше 4000 - 5000 Гц не ухудшают качества звучания,
так как гармоники этих частот обычно лежат за пределами полосы, пропускаемой трактом. Подобное мнение следует считать ошибочным.
Дело в том, что реальная радиовещательная речевая или музыкальная программа содержит одновременно целый спектр звуковых частот,
имеющий компоненты также и в области высших частот. При прохождении этих частот через систему, обладающую нелинейностью в
области высших частот, возникают комбинационные частоты в диапазоне низших и средних частот. Эти комбинационные частоты не
находятся в гармонических отношениях с основными частотами, они заметны на слух и значительно сильнее ухудшают качество звучания,
чем гармоники.
Принципиальная схема двухтактно-параллельного каскада приведена на рис. 2. Как видно из этой схемы, лампы обоих плеч
получают возбуждение так же, как и в обычной двухтактной схеме, — от вторичной обмотки входного трансформатора, имеющей
заземленную среднюю точку. Отличительной особенностью этого усилителя является особое устройство выходного трансформатора,
допускающее параллельную работу ламп на общую нагрузку. Трансформатор имеет две первичные обмотки, каждая из которых состоит
из двух секций — катодной и анодной. Секции эти, входящие в анодную цепь лампы Л1 и в катодную лампы
Л2 намотаны бифилярно. При таком способе намотки связь между обмотками получается наиболее тесной, что
практически устраняет индуктивность рассеяния между ними.
Соответственно также намотаны секции первичной обмотки, входящие в анодную цепь лампы Л2 и катодную
лампы Л1.
На рис. 2 сплошными стрелками показано направление переменного анодного тока лампы Л1 и пунктирными
— направление переменного анодного тока лампы Л2 для одного и того же момента времени. Точки б, в, е, ж по переменному
току присоединены к земле и имеют нулевой потенциал. Секции a — б и д — е намотаны бифилярно
сложенными вместе проводами.
Рис. 2
Направления намотки этих секций совпадают и их числа витков в точности равны, а индуктивность рассеяния между ними сведена
к минимуму.
Направления переменного тока низкой частоты в секциях a — б и д — е, как показывают
стрелки, также совпадают. Следовательно, потенциал точки а равен потенциалу точки д и переменное напряжение
НЧ между этими точками равно нулю. Соответственно переменное напряжение между точками г и з также равно
нулю.
Это обстоятельство дает возможность заменить принципиальную схему эквивалентной схемой, изображенной на рис. 3. Из рассмотрения
эквивалентной схемы видно, что усилитель, собранный по двухтактно-параллельной схеме, охвачен глубокой обратной связью по напряжению
при коэффициенте обратной связи β = 0,5, так как половина выходного напряжения U2 на нагрузке Zа
подается в противофазе к напряжению возбуждения одного плеча U1/2.
Рис. 3
Суммарное приведенное сопротивление обеих ламп двухтактно-параллельного каскада, работающих на общую нагрузку, равно
Ri/(2+μ) При условии, когда μ >> 2, это сопротивление оказывается вдвое меньше приведенного сопротивления
обыкновенного двухтактного катодного повторителя 2Ri/(1+μ)
Уменьшение приведенного сопротивления двухтактно-параллельного каскада, несмотря на меньшую величину коэффициента обратной
связи β объясняется параллельным включением ламп, в то время как в двухтактном катодном повторителе лампы включены последовательно.
При условии, что сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную обмотку выходного трансформатора, много больше приведенного
сопротивления ламп, т. е.
коэффициент усиления двухтактно-параллельного каскада близок к единице.
Если в двухтактно-параллельном каскаде сделать β = 0, то он превратится в обыкновенный двухтактный каскад. Поэтому
глубину обратной связи в таком каскаде можно оценить, сравнивая коэффициенты усиления
двухтактно-параллельного и обыкновенного двухтактного каскада. Принимая коэффициент нагрузки для пентода α = 0,25,
получим для каскада на двух лампах 6ПЗС: К0 = SRa, Ri = 22000 Ом,
S = 6•10-3 мА/В, тогда K0 = SRа
=6•10-3•0,25•22•103= 33. Отсюда глубина обратной связи двухтактно-параллельного каскада (1 +K0
β = 1 +33•0,5 = 17,5 ≈ 25 дБ.
Двухтактно-параллельная схема используется в оконечном каскаде трех- или четырехкаскадного двухтактного усилителя. В
этом случае последние три каскада могут быть охвачены общей цепью отрицательной обратной связи глубиной порядка 10—12 дБ.
Таким образом, глубина обратной связи в оконечном каскаде увеличивается до 35—37 дБ. Такая глубокая отрицательная
обратная связь, стабильная по величине и фазе в широкой полосе частот, значительно улучшает все электроакустические характеристики
усилителя.
При охвате последних трех каскадов усилителя общей цепью отрицательной обратной связи приведенное сопротивление ламп
оконечного каскада становится равным при двух лампах в оконечном каскаде
где К0—общий коэффициент усиления последних трех каскадов усилителя, охваченных общей цепью обратной
связи, но измеренных до введения противофазного напряжения, β0 — относительная величина, показывающая, какая,
часть напряжения катодной, обмотки одного плеча вводится в цепь общей обратной связи.
Как высококачественный усилитель НЧ с очень малым выходным сопротивлением двухтактно-параллельный усилитель может найти
широкое применение в качестве оконечного усилителя, сохраняющего практически неизменный выходной уровень и хорошие качественные
показатели при любом числе включенных громкоговорителей (при номинальной мощности усилителя) для измерительных целей, так
как он обеспечивает стабильный коэффициент усиления при широкой полосе частот и хорошей фазовой характеристике при малом
уровне шумов.
Самыми подходящими лампами для двухтактно-параллельного каскада являются лампы типа 6ПЗС, так как они дают возможность
получить наиболее низкое выходное сопротивление и не требуют очень высокого анодного напряжения.
Усилитель с оконечным каскадом, собранным по указанной схеме на двух лампах 6П3С, может дать полезную мощность до 25 Вт,
а на четырех лампах 6П3С-до 35 Вm.
Рис. 4
Лампы работают в режиме, промежуточном между А и В (без захода в область токов сетки). Для ламп 6П3С можно
рекомендовать напряжение анод — катод и экранная сетка — катод 350 - 380 В, управляющая сетка — катод — 38 - 40 В.
Здесь напряжение на экранной сетке превышает указанное в справочниках UC2 макс
= 300 в, тем не менее на практике лампы 6ПЗС в этом режиме могут работать гораздо дольше гарантийного срока, так как мощность,
рассеиваемая при этом на экранной сетке, не превышает допустимую. Смещение в цепи сетки лучше делать фиксированным, но можно
работать и с автоматическим смещением без сколько-нибудь заметных на слух или, на осциллограмме искажений. В последнем случае
для четырех ламп 6ПЗС Rк = 300 Ом. Ск = 8 мкФ.
Способ питания экранных сеток применяется несколько необычный (см. принципиальную схему двухтактно-параллельного каскада
на лампах 6ПЗС, рис. 4). Экранная сетка лампы Л1 соединяется с анодом лампы противоположного плеча
Л2. Таким образом, экранная сетка лампы Л1 получает по отношению к своему катоду
постоянное напряжение, равное анодному. По переменному же току присоединение экранной
сетки Л1 к аноду Л2 эквивалентно присоединению ее к катоду Л1, так
как потенциалы точек г и з равны. Сопротивления 300 и 500 Ом, стоящие непосредственно на ламповых
панельках, являются антипаразитными.
Рис. 5
Для раскачки выходного двухтактно-параллельного каскада напряжение между сетками оконечных ламп должно быть около 270
В. Переход с предварительного каскада на оконечный при питании обоих каскадов от общего источника должен быть трансформаторным,
так как в этом случае при реостатно-емкостной связи предварительного усилителя с оконечным, работающим в режиме В, изменение
анодного напряжения будет проявляться как изменение смещения, добавляющегося к смещению ламп оконечного каскада при нарастании
сигнала и вычитающегося из него при уменьшении сигнала. Увеличение же напряжения смещения на 15—30 В будет
сильно изменять режим оконечных ламп.
Величину необходимой индуктивности холостого хода первичной обмотки выходного трансформатора L, в зависимости от заданных
искажений на низшей частоте Мн можно приблизительно определить по формуле (для пентода)
где R’н—пересчитанное в первичную обмотку сопротивление нагрузки в Омах, fн—заданная низшая
частота в герцах.
выбирается в пределах 1,05—1,25 (0,5—2 дБ).
Необходимо также делать проверку на величину допустимой магнитной индукции Вмакс.
Очень важно уменьшать по возможности омическое сопротивление обмоток, так как если оно окажется больше приведенного сопротивления
ламп (для двух ламп 6ПЗС — 90 Ом, для четырех ламп 6ПЗС — 45 Ом), то получится очень большой проигрыш по выходному
сопротивлению.
Коэффициент трансформации следует рассчитывать таким образом, чтобы пересчитанное в первичную обмотку сопротивление нагрузки
было в 15-20 раз больше приведенного сопротивления ламп. При этом каскад будет отдавать максимальную мощность при малых искажениях.
Таким образом, для каскада на двух лампах 6ПЗС (без охвата всего усилителя общей цепью обратной
связи) оптимальный коэффициент трансформации будет
где Rн — сопротивление нагрузки, w1 — число витков всей первичной обмотки, w2 —
число витков вторичной обмотки.
Для усилителя, охваченного также общей цепью обратной связи,
(значения К0 и β0 были приведены выше). Междуламповый трансформатор имеет отношение
витков 1:1 и наматывается бифилярно.
Благодаря очень большой глубине отрицательной обратной связи двухтактный усилитель с оконечным каскадом по новой схеме
при питании накала всех ламп переменным током и при коэффициенте усиления порядка 40 дБ обеспечивает на выходе усилителя
уровень шумов — 75 дБ даже без подбора ламп.
Особенностью двухтактно-параллельного каскада является наличие переменного напряжения НЧ между катодом ламп и землей.
Если питание накала ламп обоих плеч осуществляется от общего заземленного источника, то это напряжение оказывается приложенным
между катодом и подогревателем каждой лампы. Практически пиковое напряжение сигнала никогда не превышает максимально допустимое
напряжение между катодом и подогревателем равное 180 В. При питании накала переменным током очень легко сделать для
ламп оконечного каскада отдельную обмотку и изолировать ее от земли.
Конструкция выходного трансформатора чрезвычайно проста. Как обычно принято для двухтактной работы, каркас делается из
двух секций с перегородкой посередине. Намотка обеих секций производится в одном направлении, но с переворачиванием каркаса
после заполнения одной из секций.
Первичная бифилярная обмотка наматывается сложенными вместе двумя проводами (которые сматываются одновременно с двух
катушек), виток к витку. Проволоку следует выбирать с хорошей изоляцией, имея в виду, что намотанные бифилярно обмотки образуют
своеобразный конденсатор, между обкладками которого приложено постоянное напряжение порядка 400 В, а напряжение НЧ
отсутствует.
Наиболее подходящей маркой провода является ПЭЛШД. Для уменьшения индуктивности рассеяния вторичная обмотка помещается
между двумя половинами секций первичной обмотки и применяется схема перекрещивания (рис. 5).
При отсутствии провода подходящей марки, пригодной для бифилярной намотки, применить провод марки ПЭЛ-1 и обмотку выполнять
обычным способом с раздельными анодными и катодными обмотками.
При применении обыкновенных трансформаторов индуктивная связь между обмотками дополняется емкостной связью. Одноименные
концы обмоток соединяются между собой через конденсаторы, последовательно с которыми включаются небольшие мастичные сопротивления.
Качественные показатели усилителя на обыкновенных трансформаторах мало уступают качественным показателям усилителя на
бифилярных трансформаторах, но в области высших частот первый отдает меньшую неискаженную мощность.
Описанная здесь качественная техника позволит сделать еще более уютным домашний очаг.
Б. Минц
|