ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

А. СИНЕЛЬНИКОВ, Радио №6/1966, ст.

Бестрансформаторные транзистор­ные усилители могут удовлетво­рить самым высоким требовани­ям, предъявляемым к качеству вос­произведения звука. Вместе с тем они экономичны, не требуют дорогих, гро­моздких трансформаторов, что зна­чительно уменьшает их вес и габа­риты.

Но несмотря на перечисленные пре­имущества, до последнего времени наблюдается определенное отстава­ние в применении транзисторных бес­трансформаторных усилителей, объ­ясняемое подверженностью транзи­сторов в каскадах усиления мощности тепловому пробою.

В журнале «Радио» неоднократно публиковались статьи, посвященные бестрансформаторным транзисторным усилителям («Радио» №№ 3 и 11 за 1964 год; №№ 3 и 8 за 1965 год), однако вопросу предотвращения воз­можности теплового пробоя внима­ния в этих статьях не уделялось. Большинство описанных до сих пор схем работоспособны лишь в узком диапазоне температур. При повыше­нии температуры окружающего воз­духа до 30—40^оС, что вполне может быть в процессе нормальной эксплу­атации (например, под действием прямых солнечных лучей или же при нагреве транзисторов в резуль­тате перегрузки), возникает лавино­образное увеличение неуправляемого тока, приводящее к тепловому про­бою сразу нескольких транзисторов и к выходу усилителя из строя.

Отрицательная обратная связь по постоянному току с выхода усилителя на его вход, применяемая в бестран- сформаторных транзисторных усили­телях с непосредственной связью, не предотвращает возможности тепло­вого пробоя мощных транзисторов. Она стабилизирует лишь напряжение покоя выходного каскада, а ток покоя мощных транзисторов по-прежнему остается неуправляемым.

На основе изложенного можно сде­лать вывод, что для удовлетворитель­ной работы бестрансформаторные транзисторные усилители должны иметь две независимые системы ста­билизации. Одна из них должна под­держивать напряжение покоя вы­ходного каскада равным приблизи­тельно половине напряжения источ­ника питания. Вторая — стабили­зировать ток покоя мощных транзи­сторов.

Наиболее сложным является во­прос стабилизации тока покоя мощ­ных транзисторов. Трудность со­стоит в том, что необходимо удовлет­ворить противоречивым требова­ниям: с одной стороны, обеспечить максимальное использование напря­жения источника питания, а с дру­гой,— обеспечить стабилизацию тока покоя.

Обычно применяемое для этой цели включение в цепь эмиттера стабили­зирующего активного сопротивления, в данном случае совершенно непри­емлемо, так как приводит к резкому снижению полезной мощности за счет плохого использования напряжения источника питания.

В настоящей статье рассматри­ваются причины теплового пробоя мощных транзисторов, приводятся несколько способов термостабилиза­ции бестрансформаторных транзис­торных усилителей, обеспечивающих их устойчивую работу в диапазоне температур от —20 до +50°С при хо­рошем использовании напряжения источника питания.

Для выяснения причин теплового пробоя мощных транзисторов рас­смотрим цепи постоянного тока в обычной схеме транзисторного бес- трансформаторного усилителя мощ­ности (рис. 1).

Усилитель мощности состоит из двух эмпттерных повторителей на транзисторах Т1, Т₃и Т₂, Т₄. Поэтому потенциал точки «Б» (Uб) с достаточ­ной точностью повторяет потенциал точки «А» (Ua )

Величины сопротивлений резисто­ров R1, R₂, R3 обычно выбираются так, чтобы потенциал точки «А» (Ua ) был равен половине напряжения ис­точника питания.

Для предотвращения теплового пробоя мощных транзисторов необ­ходимо, чтобы напряжение смеще­ния — U_CM уменьшалось с увеличе­нием температуры.

В бестрансформаторном транзи­сторном усилителе с непосредствен­ной связью, схема которого изобра­жена на рис. 2, стабилизация тока покоя мощных транзисторов T₆, Т₇ осуществляется с помощью дополни­тельного компенсирующего транзи­стора T₃.

Этот транзистор должен быть рас­положен в непосредственной близости от мощных транзисторов. Он регу­лирует напряжение смещения в за­висимости от их нагрева.

Ток коллектора транзистора T₃ определяется величиной сопротивле­ния резистора R₅ и напряжением источника питания. Величина со­противления нагрузки — R_H (гром­коговорителя) значительно меньше величины сопротивления резистора R₅, поэтому ее влиянием на коллек­торный ток транзистора T₃ можно пренебречь.

В правильно рассчитанной схеме потенциал точки «A» (см. рис. 1) мало зависит от изменений окружающей температуры и равен приблизительно половине напряжения источника пи­тания. Напряжение коллектор-эмиттер транзистора T₃ мало (0,7- 0,9 в), так как он почти полностью открыт. Поэтому ток коллектора это­го транзистора не зависит от окружа­ющей температуры и определяется выражением:

При увеличении окружающей тем­пературы или нагреве мощных тран­зисторов, коэффициент усиления по току транзистора T₃ (BT₃), располо­женного в непосредственной близости от мощных транзисторов, увеличи­вается и, как это следует из форму­лы (2), ток его базы уменьшается, уменьшается напряжение смещения мощных транзисторов, стабилизируя их ток покоя.

При подаче на вход усилителя сиг­налов переменного напряжения, ве­личина тока, управляющего в тече­ние положительного полупериода транзистором T₄, определяется вели­чиной сопротивления резистора R₅. Транзистор Т₂ закрывается и огра­ничивает коллекторный ток тран­зистора Т₃. Коэффициент усиления по току транзистора T₃ (Вт3) надает и его ток базы приближается по ве­личине к эмиттерному току.

В течение отрицательного полупериода, когда управляется транзи­стор T₅, коллекторный ток транзи­стора T₃ будет иметь минимальную величину. Резистор R_б подбирается так, чтобы величина тока покоя мощ­ных транзисторов при нормальной температуре находилась в пределах от 10 до 20 ма. В бестрансформаторном транзисторном усилителе мощности, схема которого приведена на рис. 2, на­пряжение покоя выходного кас­када (потенциал точки «Б») поддер­живается приблизительно равным половине напряжения источника пи­тания, с помощью транзистора T1 и обратной связи по постоянному току с выхода усилителя на его вход, осу­ществляемой через резистор R₂.

При любых изменениях тока тран­зистора Т₂ изменяется напряжение база-эмиттер транзистора Т₁ и его коллекторный ток препятствует из­менениям коллекторного тока тран­зистора Т₂. Допустим, что при по­вышении окружающей температуры коллекторный ток транзистора Т₂ увеличился. Это приведет к увели­чению коллекторного тока транзи­стора T1, отрицательное смещение на базе транзистора Т₂ уменьшится и его коллекторный ток вернется к своему первоначальному значению.

Стабильность коллекторного тока транзистора Т₂ определяется соот­ношением сопротивлений резисторов R₃ и R₇. Резистор R₇ должен иметь минимальную величину, так как он ограничивает напряжение раскачки мощного каскада. Его величина не должна превышать 15—20 ом. По­этому стабильность напряжения по­коя выходногo каскада устанавли­вается подбором величины сопротив­ления резистора R₃.

При увеличении сопротивления ре­зистора R₃ стабильность ухудшается. При чрезмерном уменьшении вели­чины R₃ может возникнуть переком- пенсация: напряжение покоя с уве­личением окружающей температуры будет увеличиваться. При правиль­но выбранной величине резистора R₃ напряжение покоя остается прак­тически неизменным при повышении окружающей усилитель температуры до +60°С.

Обратная связь по постоянному току с выхода усилителя на его вход, через резистор R₂ так же способст­вует стабилизации напряжения по­коя выходного каскада.

Резисторы R1, R₄ и конденсатор С₂ служат для охвата усилителя отри­цательной обратной связью по пере­менному току. Соотношение между этими сопротивлениями определяет коэффициент усиления усилителя. При величинах R1, R₄ указанных на схеме рис. 2, коэффициент усиле­ния на частоте 1000 гц равен при­близительно 4. Выходная мощность усилителя зависит о г напряжения источника питания и величины сопротивления нагрузки. Она может быть опреде­лена по формуле:

Нелинейные искажения на частоте 1000 гц не превышают 2—3%. По­лоса воспроизводимых частот 30— 20 000 гц с неравномерностью ±3 дб, Для получения завала частотной ха­рактеристики на частотах выше 8 000 гц, если такой завал необходим, в цепь обратной связи необходимо включить конденсатор С₄—1000 пф₁ показанный на рис. 2 пунктиром.

Результаты испытаний усилителя, собранного по схеме рис. 2, приве­дены в таблице.

Для сравнения укажем, что в ана­логичном усилителе, не имеющем дополнительного компенсирующего транзистора, ток покоя мощных тран­зисторов достигал величины 100 ма уже после пятиминутного прогрева при температуре 55^оС и продолжал ускоренно расти до момента тепло­вого пробоя мощных транзисторов.

Налаживание усилителя заклю­чается в подборе величин резисторов R₂ и R₆. Величина резистора R₂ опре­деляет напряжение покоя выходного каскада (потенциал точки «Б»). На­пряжение покоя выходного каскада должно быть равно половине напря­жения источника питания. Резистор R6 определяет ток покоя мощных транзисторов. При нормальной тем­пературе величина тока покоя долж­на находиться в пределах от 10 до 20 ма.

На рис. 3 приведена схема транзи­сторного бестрансформаторного уси­лителя мощности с непосредственной связью, в котором стабилизация на­пряжения покоя выходного каскада осуществляется с помощью отдельного усилителя постоянного тока на тран­зисторе Т₇. Стабилизация тока покоя мощных транзисторов осуществляет­ся с помощью дополнительного ком­пенсирующего транзистора Т2, то есть так же, как и в усилителе, схе­ма которого изображена на рис. 2. Напряжение обратной связи сни­мается с конденсатора С₄. База тран­зистора T₇ имеет фиксированный потенциал, определяемый соотношением между сопротивлениями резисторов R11 R12

Резистор R₁₀ ограничивает ток базы транзистора T₇. Конденсатор С₅ служит для развязки по переменному току. Резистор R₉ обеспечивает ра­боту транзистора T₇ при достаточно большом коллекторном токе, по срав­нению с его неуправляемым током. Отрицательная обратная связь по переменному току осуществляется резисторами R₁, R₂ и конденсатором С₂. Через конденсатор С₃ осуществ­ляется положительная обратная связь по питанию.

Напряжение покоя выходного кас­када устанавливается равным поло­вине напряжения источника питания подбором величины резистора R₁₂. В дальнейшем любые изменения этого напряжения усиливаются транзисто­ром T7 и через резистор R₈ поступают в противофазе на базу транзистора T1, возвращая напряжение покоя выходного каскада к своему перво­начальному значению. Стабилизация получается настолько жесткой, что напряжение покоя выходного кас­када практически не меняется при увеличении окружающей темпера­туры до + 60°С„ В заключение следует отметить, что для удовлетворительной работы усиуси­лителей каждый из выходных тран­зисторов (T₈, T₇ на схеме рис. 2 и T₅, Т₆ на схеме рис. 3) должен иметь радиатор, способный рассеивать мощ­ность, составляющую 20% от мак­симальной мощности усилителя, а дополнительный компенсирующий транзистор (T₃ на схеме рис. 2 и Т₂ на схеме рис. 3) должен быть рас­положен в непосредственной близости от мощных транзисторов с тем, чтобы он имел одинаковую с ними темпера­туру.

Мощность, рассеиваемая выходны­ми транзисторами, зависит от амп­литуды усиливаемого сигнала и имеет максимум при амплитуде напряже­ния на нагрузке, составляющей 0,636 от напряжения источника питания, то есть при U_MaKC=0,636 Еб. При этом мощность, рассеиваемая каждым из выходных транзисторов, определяется следующим выраже­нием:

На эту мощность и должны быть рас­считаны выходные транзисторы и их радиаторы. При максимальном напряжении на нагрузке, то есть при максимальной выходной мощности, мощность, рассе­иваемая каждым из выходных транзи­сторов, уменьшается до 0,137 Р_маКс