УСИЛИТЕЛИ НЧ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ НА ТРАНЗИСТОРАХ

В. Носов, Радио №8/1965, ст. 35

В журнале «Радио» неоднократ­но помещались описания уси­лителей НЧ, использующих в выходном каскаде схему эмиттерного повторителя с дополнительной симметрией, выполненного на мало­мощных р-п-р и п-р-п транзисто­рах типов П13—П16 и П8—П11. Схема такого эмиттерного повтори­теля отличается от схемы обычного эмиттерного повторителя тем, что в ней каждый из двух транзи­сторов работает в режиме класса «В», тогда как эмиттерный повто­ритель на одном транзисторе рабо­тает в режиме класса «А»; тран­зистор типа п-р-п в этом усили­теле выполняет не только функ­ции усиления, но и осуществляет поворот фазы входного сигнала; по своим усилительным свойствам эта схема подобна двухтактному усили­телю, собранному на двух транзи­сторах одной проводимости по схеме с общим коллектором. Его к.п.д. теоретически может достигать 78%, а в обычном эмиттерном повторителе он не превышает 50%.

Являясь усилителем тока, эмит­терный повторитель с дополнитель­ной симметрией обладает очень ма­лым выходным сопротивлением (по­рядка 5—30 ом), что и дает воз­можность использовать его в каче­стве мощного выходного каскада для бестрансформаторных усилите­лей. Коэффициент усиления по току K1 такого эмиттерного повторителя примерно пропорционален коэффи­циенту усиления В применяемых транзисторов. Из-за больших ра­бочих коллекторных токов (порядка 10—100 ма) величина коэффициента усиления транзистора по току В уменьшается на 5—20 дб; становится меньше и коэффициент усиления кас­када по напряжению Кu состав­ляющий в этих условиях 0,4—0,8 вместо единицы. Коэффициент уси­ления по мощности Kp=Ku*K1 для эмиттерного повторителя с допол­нительной симметрией составляет 12—30 дб в зависимости от величины нагрузки R_H и В применяемых транзисторов.

Для того чтобы повысить отдава­емую полезную мощность выходного каскада, выполненного на эимттер- ном повторителе с дополнительной симметрией и получить максимум мощности в нагрузке, следует по­вышать напряжение входного сиг­нала в 1/Ku раз, и таким образом компенсировать потери усиления кас­када по напряжению, условно при­ближая значение Ku к единице. Для этого требуется увеличить мощность, отдаваемую предоконеч­ным каскадом. Применяемые в на­стоящее время в подобных усилите лях предоконечные каскады выпол­нены по реостатной схеме и могут обеспечить величину входного на­пряжения не более чем 0,4 от напряжения источника питания Е_б.

Однако сравнительно низкое вход­ное сопротивление выходного кас­када (порядка 100—500 ом) плохо согласуется с большим выходным сопротивлением предоконечного кас­када, и в итоге максимально воз­можное напряжение входного сиг­нала для раскачки выходного кас­када не превышает 0,1—0,2 Это обстоятельство ограничивает по­лучение максимальной выходной мощности и снижает эффективность усилителей, построенных с исполь­зованием эмиттерного повторителя с дополнительной симметрией. При­менение составных эмиттерных по­вторителей на четырех транзисторах в качестве выходного, каскада не дает ощутимого эффекта в увели­чении отдаваемой мощности, так как, имея большее усиление потоку, такой повторитель обладает меньшим усилением по напряжению. В ре­зультате усиление по мощности со­ставного эмиттерного повторителя с дополнительной симметрией не­сколько больше, чем у эмиттерного повторителя на двух транзисторах, рассмотренного выше.

С учетом вышесказанного были разработаны схемы транзисторных усилителей с повышенной выходной мощностью. На рис. 1 приведена схема усилителя повышенной мощ­ности, а на рис. 2 показана зави­симость величины выходной мощ­ности P_вых=f(Е_б) ^ПР^И разных ве­личинах сопротивления нагрузки R_н или звуковой катушки громкого­ворителя. Эта зависимость поможет радиолюбителю-конструктору пра­вильно выбрать напряжение питания и тип громкоговорителя при кон­струировании усилителя.

Как видно из рис. 2, при Eб=4,5 в усилитель может отдать в нагрузку 175 мет мощности при к.п.д. 50— 55%, что вполне достаточно для хо­рошего переносного устройства (при­емника или проигрывателя).

Усилитель по схеме, приведенной на рис. 1, имеет четыре каскада. Его чувствительность 16 мв. Первый и второй каскады усиления напряже­ния собраны по схеме с общим эмиттером на транзисторах T1 и T2. Они охвачены отрицательной обратной связью по току за счет наличия в цепи эмиттеров сопро­тивлений R₄ и R₈, не зашунтированных емкостью. Стабилизация ра­бочего режима по постоянному току транзистора T1 осуществляется с по­мощью параллельной обратной свя­зи через сопротивление R₁. Кроме того, с выхода усилителя через сопротивление R₅ в цепь эмиттера транзистора Т1 подается напряжение обратной связи для уменьшения нелинейных искажений. С коллек­тора транзистора Т₂ на его базу через сопротивление R₇ и конден­сатор С₄ осуществляется параллель­ная обратная связь по напряжению, которая уменьшает усиление на выс­ших частотах. Частотная характе­ристика усилителя изображена на рис. 3. При желании иметь регу­лятор тембра в области высших частот последовательно с конден­сатором С₄ включается переменное сопротивление величиной 220 ком, а емкость конденсатора С₄ выбира­ется равной 0,01 мкф. Оконечный, предоконечный каскады и второй каскад предварительного усиления имеют между собой гальваническую связь. Для уменьшения нелинейных искажений эти три каскада охвачены отрицательной обратной связью, ко­торая подается на базу транзистора Т₂ через цепочку R₆С₈. Эта же цепь жестко стабилизирует рабочий режим последних трех каскадов.

Цепочка R₂C₂ и конденсатор С₇ предохраняют усилитель от само­возбуждения при частичном разряде источника питания усилителя НЧ.

Выходной и предоконечный кас­кады собраны по схеме эмиттерного повторителя с дополнительной сим­метрией на транзисторах Т₃, Т₄, Т₅ и T₆. Связь между каскадами осу­ществляется посредством повыша­ющего автотрансформатора Amp с коэффициентом трансформации 1:2,5, что вполне достаточно для компен­сации уменьшения усиления по на­пряжению обоих каскадов. Выход усилителя бестрансформаторный. Выходной каскад охвачен отрица­тельной обратной связью по на­пряжению, осуществляемой через сопротивление R11 Ввиду того, что коэффициент усиления каскада по напряжению Кu меньше единицы, самовозбуждение отсутствует.

Из-за низкого выходного сопро­тивления предоконечного каскада (Rвых=20—30 ом) выбор параметров согласующего автотрансформатора не очень критичен. Применяемый в усилителе автотрансформатор имеет следующие данные: сердечник из пермаллоя ШЗХ4 мм; обмотка ав­тотрансформатора содержит 1000 вит­ков провода ПЭВ 0,1 с отводом от 400-го витка. Можно применить ав­тотрансформатор и с другими дан­ными, например имеющийся в про­даже выходной трансформатор от карманных приемников, соединив его обмотку II последовательно с обмоткой I; средний вывод обмотки I соединяется с предоконечным кас­кадом, а конец обмотки II—со входом усилителя мощности (с базой тран­зистора T₆). При перепайке концов необходимо соблюдать фазировку обмоток, иначе такой автотранс­форматор не даст достаточного по­вышения напряжения НЧ. Все при­меняемые в усилителе транзисторы имеют коэффициент усиления В не менее 30.

Если требуется еще большая вы­ходная мощность усилителя, то вы­ходной каскад следует собрать по мостовой схеме (см. рис. 4). Каждый из четырех транзисторов (T₃, T₄, T₅ Т₆) выходного каскада работает в режиме класса «В» и теоретически напряжение НЧ на нагрузке R_H удваивается, а выходная мощность по сравнению с обычными однотакт­ными схемами учетверяется. В дей­ствительности выходная мощность усилителя, собранного по мостовой схеме с применением эмиттерного повторителя, увеличивается в 2—3.5 раза. Это происходит из-за того, что последовательно с сопротивле­нием нагрузки R_H включено внут­реннее сопротивление транзисторов T₃, Т₄, T5 ^и T6 соизмеримое с величиной R_H. Этот недостаток менее ощутим при величине сопротив­ления нагрузки более 10 ом в случае применения маломощных- транзисто­ров типов П13—П16 и П8—П11. Если же в мостовой схеме приме­няются транзисторы мощной серии, например П201—П203 или П4, то величину сопротивления нагрузки не рекомендуется брать ниже 3—5 ом

Работу мощного каскада, собран­ного по мостовой схеме, поясняет рис. 5. Индексами R_т3, R_т4, R_т5, R_т6 обозначены внутренние сопро­тивления транзисторов Т₃, Т₄, Т₅, T₆ схемы рис. 4. Усилитель работает в классе «В». При отсутствии входного сигнала транзисторы почти полно­стью закрыты. Если на левое плечо моста подается положительное на­пряжение, а на правое отрицательное, то транзисторы Т₃ и будут за­крыты, а транзисторы и Т₅ от­крыты. Коллекторный ток пойдет так, как показано на рис. 5. При обратной полярности входного сиг­нала ток через нагрузку изменится на противоположный за счет того, что транзисторы Т₃ и откроются, а транзисторы Т₅ и T₄ будут закрыты. Таким образом, схема усилителя двухтактна, и входное напряжение сигнала должно подаваться на вхо­ды плеч в противофазе. Задачу переворачивания фаз и повышения входного напряжения для оконеч­ного каскада выполняет повышающий автотрансформатор Amp.

Конденсатор С₅ принципиально может отсутствовать, если постоян­ное напряжение между точками «а» и «б» равно нулю.

При применении маломощных тран­зисторов типов П13—П16 и П8—П11 схему мостового усилителя мощности, изображенного на рис. 4, удобно использовать при низковольтных ис­точниках питания (3,5—6 в), так как при повышении питающего на­пряжения выходная мощность и коллекторные токи транзисторов мо­гут возрасти до недопустимо большой величины, что повлечет за собой выход транзисторов из строя.

Усилитель, выполненный по схеме рис. 4, может обеспечить выходную мощность порядка 350—500 мBт при напряжении источника питания 4.5 в, сопротивлении нагрузки R_H~ — 10 Om и к.п.д. 60%. Такой усилитель очень удобно применить в кадровой или строчной развертке транзистор­ного телевизора. Данные автотранс­форматора: сердечник из пермаллоя Ш4Х6 или ШбХб, число витков обмотки 1000, с отводами от 300-го и 500-го витков. Провод ПЭВ 0,1 — 0,12.

Радиолюбители, желающие постро­ить усилитель с выходной мощ­ностью 5—10 вт, могут применить мостовую схему выходного каскада, изображенную на рис. 6. Усилитель работает в режиме класса «В». Осо­бенностью схемы этого усилителя является то, что напряжение воз­буждения для транзисторов Т₃ и Т₄ снимается с диагонали моста и тран­зисторы работают в режиме пере­ключения (в ключевом режиме). Поэтому при налаживании усили­теля величины сопротивлений R₁ и R₂ необходимо подобрать так, чтобы транзисторы Т₃ и T4 работали в режиме переключения, в противном случае на них будет рассеиваться большая мощность, а полезная мощ­ность в нагрузке уменьшится. Пе­реворот фазы и повышение входного напряжения, как и в предыдущей схеме, осуществляется автотрансфор­матором Amp. Описанный выходкой каскад рассчитан на подключение к усилителю, имеющему мощность, достаточную для раскачки. Для получения выходной мощности 8 вт предварительный усилитель должен обеспечить мощность входного сиг­нала не менее 500 мBт-, напряжение источника питания должно быть не менее 12 в и ток порядка 1,0—1,2 а. К.п.д. такого выходного каскада — 68%. Автотрансформатор Атр намо­тан на сердечнике из трансформатор­ной стали Ш12Х 12 мм и содержит 700 витков провода ПЭВ 0,15—0,2, с отводами от 210-го и 350-го витков. В выходном каскаде по схеме рис. 6 использованы транзисторы типа П203, причем транзисторы T1 и Т₂ укреплены на радиаторах.