МОСТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ НЧ НА ТРАНЗИСТОРАХ

В. Носов, Радио №2/1966, ст.26

Для получения наибольшей мощ­ности низкой частоты в нагрузке целесообразно применять уси­лители, собранные по мостовой схе­ме (мостовые усилители). Основные особенности этих усилителей сле­дующие:

1. Амплитуда напряжения на наг­рузке

2. Сопротивление нагрузки R_н не имеет средней точки. В качестве нагрузки могут быть применены обычные громкоговорители или вы­ходные трансформаторы.

3. Через сопротивление нагрузки R_н не течет ток постоянной состав­ляющей, который, смещая звуковую катушку громкоговорителя, вызы­вает ухудшение акустических свойств последнего. Если для согласования с нагрузкой применяется выходной трансформатор, то его габариты уменьшаются из-за отсутствия подмагничивания постоянной состав­ляющей, а изготовление трансфор­матора упрощается.

4. Мостовая схема двухтактна, поэтому для усиления мощности звуковых частот возможно приме­нение как режима класса В, так и класса D (только для верхнего или для нижнего плеча схемы). Это обеспечивает высокие энергетиче­ские показатели мостовых усилите­лей.

5. Пульсации напряжения пита­ния не влияют на выходной сигнал при условии, что напряжение сиг­нала в нагрузке остается ниже ми­нимального мгновенного значения напряжения питания.

6. Передача мощности в нагрузку осуществляется всеми четырьмя тран­зисторами, поэтому мостовые схемы целесообразны в том случае, когда требуется большая выходная мощ­ность:

7. Источник питания не имеет от­водов, что очень удобно.

8. Максимальное действующее зна­чение напряжения на коллекторе не превышает напряжения источника питания.

Блок-схема мостового усилителя приведена на рис. 1. Элементами У, 2, 5, 4, образующими мост, явля­ются транзисторы, причем пара­метры и динамические характерис­тики элементов 2 и 4 (1, 3) должны быть идентичны, как и в обычной двухтактной схеме.

Сопротивление нагрузки R_н вклю­чено в диагональ «аб» моста. Напря­жение источника питания Е_б пода­ется в другую диагональ —«вг». Вход­ное напряжение сигнала НЧ U_BX подается на плечи 1, 2 и 3, 4 в про­тивофазе. Вследствие этого коллек­торный ток /_к транзисторов при подаче, скажем, отрицательного полупериода течет в направлении, указанном сплошной стрелкой, так как транзисторы 2, 3 открываются, а транзисторы 1, 4, ввиду инверсии входного сигнала, закрываются. При подаче положительной полуволны транзисторы 2, 3 закрываются, а транзисторы 1, 4 открываются. Ток /_к течет в направлении, указанном пунктирной стрелкой. При рассмот­рении работы блок-схемы рис. 1 считаем, что все транзисторы при­менены типа р-п-р. Временная диаграмма (см. рис. 2) поясняет работу мостового усилителя. Осцил­лограммы точек «а» и «б» (см. рис. 1) показаны относительно точки «г», которая соединяется с корпусом осциллографа. Предполагаем, что усилитель работает в режиме клас­са В.

Для получения минимума искаже­ний фазовые сдвиги выходного сиг­нала, вносимые парами транзисторов 1, 4 и 2, 3, должны быть одинаковы по величине и по знаку. Эти условия выполняются автоматически, если усиливаемый сигнал имеет частоту меньше, чем f_в, так как транзисторы в мостовом усилителе обычно вклю­чены по схеме с общим коллектором или с общим эмиттером. В статье «Усилители низкой час­тоты повышенной мощности на тран­зисторах» (см. журнал «Радио» № 8, 1965 г., стр. 35) были описаны две практические мостовые схемы око­нечных каскадов усилителей низ­кой частоты, выполненные по схеме с общим коллектором. Усилители, собранные по этим схемам, способны отдать значительную мощность, но требуют применения повышающего автотрансформатора, что связано с необходимостью применять предо­конечный каскад значительной мощ­ности, чтобы осуществить раскачку выходного каскада. Вследствие этого общий кпд усилительного устрой­ства, собранного по такой схеме, может уменьшиться. Усиление вы­ходного каскада по мощности не превышает 20 дб.

Достоинствами мостовых усилите­лей, собранных по схеме с общим коллектором, являются:

а)  наличие внутренней 100% от­рицательной обратной связи по нап­ряжению, значительно уменьшающей величину нелинейных и фазовых искажений выходного сигнала;

б)   малое выходное сопротивление;

в)  простое согласование с пред­варительными каскадами (если не требуется максимально возможная отдаваемая мощность), так как вход­ное сопротивление мостового усили­теля по схеме с общим коллектором достаточно велико;

г)  возможность удовлетворитель­ной работы при малых напряжениях источника питания (порядка 4,5— 6,0 в и ниже);

д)  хорошая термостабилизация (в случае применения схемы с допол­нительной симметрией).

Мостовые усилители, в которых транзисторы соединены по схеме с общим эмиттером, обеспечивают большое усиление, по мощности (по­рядка 20—30 дб). Эти усилители содержат небольшое количество де­талей, просты в сборке и налажива­нии. Правда, выходное сопротивле­ние таких усилителей гораздо боль­ше, чем усилителей, выполненных по схеме с общим коллектором, но в связи с появлением в продаже громкоговорителей с сопротивлением звуковой катушки 28 ом такие уси­лители могут иметь бестрансформа- торный выход, что уменьшает их га­бариты, вес и улучшает электричес­кие параметры. Если же у радиолю­бителя отсутствуют 28-омные гром­коговорители, то придется применить двухобмоточный выходной трансформатор с коэффициентом трансфор­мации

Остальные параметры выходного трансформатора можно посчитать по формулам, приведенным в радио­технической литературе.

Некоторым недостатком мостовых усилителей с бестрансформаторным выходом является трудность вве­дения в выходном каскаде отрица­тельной обратной связи, значительно уменьшающей нелинейные искаже­ния и увеличивающей стабильность усилителя. Однако этот недостаток может быть преодолен в усилителях, имеющих межкаскадный согласую­щий трансформатор с дополнитель­ными обмотками отрицательной свя­зи W_ос1 и Wос₂. Применение комби­наций р-п-р и п-р-п транзисто­ров, например П13—П16иП9—П11, позволяет осуществить построение простых схем мостовых усилителей, иногда обходясь без фазоинвертора.

Бестрансформаторный мостовой усилитель с выходной мощностью до 1 ВТ

Основные электрические харак­теристики усилителя следующие: вы­ходная мощность 1 вт при Е_б = 12 в; коэффициент полезного действия = 70%; сопротивление нагрузки R_н= 40—60 ом; полоса пропускания — 50—20 000 гц; частотная характерис­тика равномерна; входное напряже­ние для получения Р~ — 1 вт, не превышает 30—40 мв; входное ротивление около 5 ком. Усилитель устойчив в работе при снижении питающего напряжения до 6 в, но выходная мощность при этом, конечно, снижается.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 3. Усилитель имеет три каскада. Первый каскад собран на транзисторе П13Б (T1). Этот каскад охвачен отрицательной обратной связью по току глубиной около 6 дб за счет наличия в цепи эмиттера транзистора Т1 резистора R₂, незашунтированного емкостью, а также отрицательной обратной связью по напряжению, осуществля­емой посредством резистора Эта цепь отрицательной обратной связи увеличивает входное сопротивление усилителя.

Второй каскад усилителя пред­ставляет собой фазоинвертор, со­бранный на транзисторах П15А (T₂) и П11А (Т3). Цепь смещения этих транзисторов образована делителем R₄R₅R₁₀. Резистор R₁₁, стабилитрон Д808 и конденсатор С₄ осуществля­ют стабилизацию и развязку по пос­тоянному и переменному току первых двух каскадов, собранных на тран­зисторах T1, Т₂ и Т7. Связь фазо­инвертора с предварительным кас­кадом усиления осуществляется по­средством двух переходных конден­саторов С₂ и С₃ одинаковой емкости. Коэффициент усиления по напря­жению второго каскада равен 0,7—0,9 в зависимости от В транзисторов Т₂ и Т₇. По параметрам В. и I_ко эти транзисторы должны быть иден­тичны.

Выходной каскад усилителя собран по мостовой схеме на транзисторах р-п-р и п-р-п проводимости П15А (T₃, T4) и П11А (T₅, Т6). Выходной каскад работает в режиме класса В.

Все транзисторы выходного кас­када включены по схеме с общим эмиттером. Связь каскада с фазоин- вертором гальваническая, что упро­щает схему и улучшает частотную характеристику усилителя в области низких частот.

В качестве нагрузки усилителя использованы динамические гром­коговорители Гр1 и Гр₂ с сопротив­лением звуковой катушки 28 ом. При напряжении источника питания E_б=12 в выходная мощность уси­лителя равна 1,0 вт. При сниже­нии напряжения источника до 8 В выходная мощность падает примерно вдвое. Если усилитель будет ис­пользоваться при напряжении источ­ника питания E_б=8 в и ниже, то стабилитрон Д808 следует заменить на стабилитрон типа 2С156А или 2С168А, подобрав соответственно ре­зистор R₅ так, чтобы не было нели­нейных искажений типа «ступенька», а также по общему потребляемому току в режиме молчания, который не должен превышать 10 ма.

Выходную мощность описываемого усилителя можно увеличить до 5— 8 вт, поставив транзисторы Т₅ и T₆ в режим класса D (режим пере­ключения), для чего базу транзис­тора T₆ следует соединить с точкой «а» схемы через сопротивление в 1—2 ком, а базу транзистора Т₅ через такое же сопротивление с точкой «б», отсоединив базы этих транзисторов от точек «в» и «г» схемы (см. рис. 3). Транзисторы Т₅, T₆ следует заменить на более мощ­ные, например типа П702 или П702А. Транзисторы T₃ и Т₄ заме­няются на транзисторы типа П201 — П203. При такой переделке выход­ного каскада необходимо подобрать резистор R₅ по величине тока молча­ния (порядка 5—20 ма). Выходное со­противление усилителя уменьшает­ся до 10—15 ом

В. Носов, Радио №3/1966, ст.36

Усилитель обладает высокими для переносной аппаратуры . элект­рическими параметрами: полоса воспроизводимых частот 100—12 000 гц, к.п.д.—70—75%, входное со­противление 10—12 ком, нелинейные искажения около 5%, сопротивление нагрузки Rн=60 ом. Выходной кас­кад работает в режиме классов В и Д. Принципиальная схема усили­теля приведена на рис. 1.

Усилитель состоит из трех кас­кадов. Первый каскад собран на малошумящем транзисторе Т1— П13Б, второй — на транзисторе Т₂— П15А. Связь между каскадами галь­ваническая. С целью повышения входного сопротивления и улучшения частотной характеристики в области низких частот введена отрицательная обратная связь по напряжению с коллектора транзистора Т₂ на эмит­тер Т1 (через резистор R₄). Сме­щение и автоматическая установка рабочих точек всех транзисторов осуществляется резисторами R₁, R₅ и R₈. Коллекторный ток в режиме молчания транзисторов выходного каскада (Т₅, Т₆), включенных по схеме с общим эмиттером и рабо­тающих в режиме класса В, опре­деляется величиной резистора R₈.

Второй каскад усилителя охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току, подаваемой из цепи эмиттера транзистора Т₂ через элементы R₅, R₈ и С₂. В коллектор­ную цепь этого транзистора вклю­чена первичная обмотка I согла­сующего трансформатора Тр₁, в качестве которого использован име­ющийся в продаже согласующий трансформатор для малогабаритных приемников. Он намотан на сердеч­нике из пермаллоевых пластин ceчением 0,2 см². Обмотка I содержит 2500 витков провода ПЭЛ 0,06; обмотка II — 2 X 350 витков такого же провода. Обмотки обратной связи W_0С1 ^и WОС2 доматываются на гото­вый трансформатор и имеют по 6 витков провода ПЭВ 0,12. Число вит­ков этих обмоток определяется по следующей формуле

Транзисторы T₃ и Т4 нормально открыты и работают в режиме класса Д. Этот режим задается величинами резисторов R₆ и R₇.

Налаживание усилителя следует производить с помощью авометра, звукового генератора, электронного вольтметра и осциллографа. Как обычно, сначала подбирают режимы транзисторов по постоянному току при выключенном входном сигнале. При установке коллекторных токов транзисторов Т₅ и Т₆ обмотки W_oc1 и W_oc2 необходимо закоротить. За­тем, подбирая величину резистора R₈, замеряют коллекторный ток этих транзисторов. Эти токи должны быть равны 2—5 ма, отличаясь один от другого не более чем на 30%. Режимы транзисторов Т₁ и Т₂, как правило, устанавливаются автома­тически и подгонки не требуют

После подбора режимов транзи­сторов по постоянному току на вход усилителя от звукового гене­ратора подается сигнал частотой 1000 гц, напряжением 20 мв, а парал­лельно нагрузке R_H подключаются осциллограф и электронный вольт­метр. Особое внимание необходимо уделить правильной фазировке об­моток обратной связи W_oc1 и W_oc2. Их следует включать в схему по очереди. Правильное включение этих обмоток можно определить по пока­заниям электронного вольтметра. Уменьшение показаний прибора при неизменном входном сигнале сви­детельствует о правильном включе­нии этих обмоток. Резисторы R₆ и R₇ подбирают в зависимости от величины коэффициента усиления В транзисторов Т₃—T₄ (В может быть в пределах 20—100). О правильности подбора этих резисторов можно су­дить по отсутствию искажений при малом выходном сигнале (0,1 U~_MaKC). Наибольшее неискаженное напря­жение выходного сигнала U~_MaKC на сопротивлении нагрузки состав­ляет около 8 в при Еб=12 в. Источник питания должен иметь низкое внут­реннее сопротивление и быть рас­считан на ток нагрузки не менее 150 ма (например, батареи КБС-Л-0,5 или типа «Сатурн»).

Выходная мощность усилителя мо­жет быть повышена до 5—8 вт. В этом случае транзисторы Т₅ и T₆ типа П15А необходимо заменить транзисторами П201—П203, а в ка­честве Т₃ и T₄ использовать тран­зисторы типа П702. Величины со­противлений резисторов R₆, R₇ и R₈ при этом подбираются по минимуму искажений выходного сигнала и величины коллекторного тока в ре­жиме молчания (5—20 ма). Для питания усилителя необходим ис­точник напряжением 12—16 в, имеющий внутреннее сопротивление не более чем 0,7 ом.

Усилитель с выходной мощностью до 10 вт

Усилитель, схема которого при­ведена на рис. 2, имеет большое усиление по мощности, а также до­статочно широкую полосу частот (50—8000 гц). Он рассчитан на со­противление нагрузки 10—15 ом. К.п.д. усилителя 68—70%.

Для достижения максимальной вы­ходной мощности в 10 вт на вход усилителя необходимо подать сигнал U_вх=50—80 мв.

Выходной каскад усилителя ра­ботает в режимах классов В и Д. Частотная характеристика усили­теля в области высоких частот за­висит от частотных свойств транзи­сторов выходного каскада. Для улуч­шения частотной характеристики усилителя в области высоких частот в первом каскаде введена цепочка R₃С₃. Цепочка R₄С₂ предохраняет усилитель от самовозбуждения.

В коллекторную цепь транзистора Т₂ включен согласующий трансфор­матор Тр₁ имеющий две раздельные вторичные обмотки // и III.

Выходной каскад собран по мо­стовой схеме на однотипных транзи­сторах П201—П203. Все транзи­сторы включены по схеме с общим эмиттером. Нижнее плечо мостовой схемы, образованное транзисторами T₅ и Т_б, работает в режиме класса Д. Верхнее плечо, состоящее из тран­зисторов Т₃ и T₄,—в режиме класса В. Напряжение входного сигнала подается между базами и эмиттерами транзисторов Т₃ и T₄.

По переменному току коллекторы этих транзисторов заземлены, что позволяет установить транзисторы Т₃ и T₄ на один общий радиатор или даже на корпус усилителя и ( улучшить температурный режим их работы. Транзисторы Т₅ и Т₆ применения радиаторов не требуют. Цепи смещения, состоящие из элементов R₇, R₈ и R₁₀, R11, раздельны для обоих плеч выходного каскада, что позволяет осуществить автономный подбор наивыгоднейшего режима по постоянному току.

Напряжение смещения стабилизировано стабилитроном Д808. Выходной каскад охвачен отрицательной обратной связью по напряжению, снимаемой с обмоток отрицательной обратной связи W_oc1 и W_oc2, намотанных на сердечнике согласующего трансформатора Тр₁.

Трансформатор намотан на сердечнике из трансформаторной стали Ш12, толщина набора 15 мм. Обмотка I содержит 2000 витков провода ПЭВ 0,1; обмотки II и III— по 400 витков провода ПЭВ 0,18; обмотки обратной связи W_oc1 и W_oc2— по 7—10 витков провода ПЭВ 0,6. Для улучшения частотной характеристики трансформатора его первичную обмотку желательно разместить в двух-трех секциях.                                       .

Все элементы, помеченные на схеме звездочками, подбираются при налаживании усилителя. На схеме указаны величины токов в режиме молчания.

Усилитель хорошо работает от автомобильного аккумулятора или стабилизатора напряжения, имеющего выходное сопротивление не более 0,7—1 ом. Порядок налаживания усилителя такой же, как и усилителя, собранного по схеме рис.1