ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 29 страница
И, наконец, последнее замечание. При желании вы можете комбинировать схемы, элементы одной из них вводить в другую (рис. 103). В частности, можно ввести в любую из описанных схем экономичный и сравнительно мощный усилитель НЧ из последнего приемника или другой аналогичный усилитель, с которым вы познакомитесь в следующем разделе.
Рис. 103. При конструировании транзисторных приемников можно объединять узлы различных схем.
СКОЛЬКО СТОИТ ВАТТ?
Этот раздел полностью посвящен усилителям низкой частоты, которые входят составным элементом в приемники, а также используются в радиолах, радиоузлах, мегафонах, электронных музыкальных инструментах, магнитофонах и другой аппаратуре.
Для начала – несколько простейших и, если можно так сказать, вспомогательных схем. Первая из них (рис. 104–1 ) – это усилитель, позволяющий довольно просто построить электрогитару. Основа схемы – кристалл звукоснимателя (его можно купить в магазине в отделе запасных частей к приемникам), прикрепленный к верхней деке гитары с помощью клейкой ленты или простейшего зажима. Учитывая, что кристалл – это довольно нежный элемент, его стоит завернуть в клейкую ленту, выпустив лишь два аккуратно подпаянных к выводам проводничка. Электрический сигнал, возникающий на кристалле под действием механических колебаний деки, усиливается двухкаскадным транзисторным усилителем и подается на вход звукоснимателя какого‑либо «большого» приемника или на вход специально построенного транзисторного усилителя НЧ.
|
|
|
рис. 104 –1
Трудности включения кристалла звукоснимателя в транзисторный усилитель связаны с тем, что этот кристалл имеет очень большое внутреннее сопротивление, обычно несколько мегом. И если к такому высокоомному генератору – кристаллу подключить низкоомную нагрузку, например, входную цепь транзистора, включенного по схеме ОЭ, то на этой нагрузке будет действовать лишь ничтожная часть напряжения, развиваемого кристаллом. Основная часть этого напряжения останется на внутреннем сопротивлении кристалла.
Для согласования кристалла с усилителем его первый каскад (Т1 ) выполнен по схеме ОК, которая, как вы помните, имеет высокое входное сопротивление. Постоянное напряжение, которое неизбежно появляется на нагрузке R3 первого каскада, служит смещением для второго каскада, собранного по схеме ОЭ. Резистор R4 представляет собой элемент отрицательной обратной связи, которая повышает стабильность второго каскада.
Этот усилитель может быть использован в качестве входного блока транзисторной радиолы. С его помощью, например, можно включить кристаллический звукосниматель ко входу любого транзисторного усилителя НЧ, имеющего низкое входное сопротивление (рис. 104–7 ).
|
|
|
рис. 104 –7
Другая схема (рис. 104–5 ) – это так называемый микшер: простой блок, с помощью которого можно подключить к усилителю НЧ несколько микрофонов и звукосниматель. Микшер позволяет менять уровень сигнала от каждого из этих источников, не влияя на остальные.
рис. 104 –5
Весьма простой однокаскадный усилитель (рис. 104–4 ) позволяет подключить динамический микрофон ко входу звукоснимателя сетевого приемника. Если включить микрофон без такого усилителя, то он не обеспечит достаточной громкости звучания. Сигнал от микрофона значительно (обычно в двадцать – пятьдесят раз) меньше, чем сигнал от звукоснимателя, на который рассчитан усилитель НЧ приемника. Особенность схемы – питание коллекторной цепи от выпрямителя, к которому подводится напряжение 6,3 в с накальной обмотки приемника.
рис. 104 –4
Две другие схемы (рис. 104–2, 3 ) представляют собой простейшие однокаскадные усилители НЧ, работающие от угольного микрофона. Микрофон включен так, что необходимый для его питания постоянный ток получается прямо от элементов усилительной схемы. В первой схеме необходимую величину этого питающего тока подбирают с помощью резистора R3 , во второй схеме – с помощью резистора R3 . Каждый из резисторов шунтирует микрофон, и чем меньше такое шунтирующее сопротивление, тем меньшая часть общего тока достается микрофону.
|
|
|
рис. 104 –2, 3
Чтобы перейти к следующей группе усилителей НЧ – к двухтактным усилителям, – нам придется остановиться на одном недостатке, общем для всех усилителей, с которыми мы встречались раньше. Если пользоваться житейской терминологией, то этот недостаток следовало бы назвать расточительностью.
До сих пор мы не говорили о том, в каких количествах расходуется энергия на создание усиленного сигнала, на создание «мощной копии». У нас, собственно говоря, и не возникало такого вопроса. Еще в самом начале своего пути, когда только искали скульптора, который мог бы вылепить мощный сигнал по образцу слабого, мы договорились, что поставщиком энергии для создания такого усиленного сигнала может быть батарея. При этом считалось очевидным, что батарея обладает большими запасами энергии и жалеть ее нечего – лишь бы создать усиленный сигнал.
|
|
|
Теперь же, когда цель достигнута, когда мы научились с помощью транзистора усиливать слабый сигнал, попробуем выяснить, какую энергию должен отдавать ее поставщик – коллекторная батарея. Попробуем выяснить, сколько стоит ватт усиленного сигнала, сколько ватт мощности постоянного тока должна за него заплатить батарея.
Сделав ряд допущений – предположив, что прямолинейный участок входной характеристики начинается прямо от «нуля», что на выходной характеристике тоже нет загибов, что в качестве коллекторной нагрузки включен элемент (например, трансформатор), на котором не теряется постоянное напряжение, – мы придем к выводу, что в лучшем случае только половина потребляемой от батареи мощности переходит в усиленный сигнал. Об этом можно сказать иначе: к. п. д. (коэффициент полезного действия) транзисторного усилителя не превышает 50 %. За каждый ватт мощности выходного сигнала приходится платить двойную цену – два ватта мощности коллекторной батареи (рис. 105).
Рис. 105. Чем выше коэффициент полезного действия усилителя, тем меньшую мощность он потребляет для создания заданной выходной мощности.
Доказать справедливость этого вывода довольно просто. Чтобы подсчитать мощность, потребляемую от батареи, нужно умножить ее постоянное напряжение Ек на потребляемый ток, то есть на коллекторный ток покоя Iк‑п (рис. 106).
Рис. 106. Выходная мощность однотактного усилителя, работающего в классе А , ограничена искажениями, а его к. п. д. не превышает 50 процентов.
С другой стороны, амплитуда переменной составляющей коллекторного тока никак не может быть больше тока покоя, иначе транзистор будет работать с отсечкой. В лучшем случае амплитуда переменной составляющей равна току Iк‑п и при этом эффективное значение переменной составляющей коллекторного тока равно Iк~ ~= 0,7·Iк‑п .
Точно так же и амплитуда переменного напряжения на нагрузке не может быть больше напряжения батареи, иначе в какие‑то моменты на коллекторе будет появляться не «минус», а «плюс». А это в лучшем случае приведет к сильнейшим искажениям. Таким образом, эффективное значение выходного напряжения Uн~ не может превышать 0,7·Ек . Теперь остается только перемножить 0,7·Iк‑п на 0,7·Ек и получить, что наибольшая эффективная мощность, которую может отдать усилитель, не превышает 0,5·Iк‑п ·Ек , то есть не превышает половины потребляемой мощности.
Решение это окончательное, однако оно подлежит обжалованию. Есть возможность ценой определенных жертв повысить коэффициент полезного действия усилителя, перейти рубеж пятидесяти процентов к. п. д.
Чтобы повысить коэффициент полезного действия, нужно, чтобы усилитель создавал более мощный сигнал при той же потребляемой мощности. А для этого нужно, не увеличивая тока покоя Iк‑п и постоянного напряжения Ек , повысить переменные составляющие коллекторного тока Iк~ и напряжения на нагрузке Uн~ .
Что же мешает нам повысить эти две составляющие? Искажения. Мы можем увеличить и ток Iк~ (для этого достаточно, например, повысить уровень входного сигнала), и напряжение Uн~ (для этого достаточно опять‑таки увеличить входной сигнал или увеличить сопротивление нагрузки для переменного тока). Но и в том и в другом случае исказится форма сигнала, окажутся срезанными его отрицательные амплитуды.
И хотя такая жертва кажется недопустимой (кому нужен экономичный усилитель, если он выдает бракованную продукцию?), мы все же пойдем на нее. Во‑первых, потому, что возникшие искажения удастся ликвидировать. И, во‑вторых, потому, что, допустив искажения (а потом избавившись от них), мы сумеем перевести усилитель в более экономичный режим и поднять его коэффициент полезного действия.
Усиление без искажений, когда амплитуда переменной составляющей коллекторного тока не превышает тока покоя Iк‑п , называется классом усиления А. Одиночный усилитель, работающий в классе А, называется однотактным усилителем.
Если при усилении часть сигнала «срезается», если амплитуда переменной составляющей коллекторного тока больше, чем Iк‑п , и в коллекторной цепи происходит отсечка тока; то мы получаем один из классов усиления АБ, Б или С. При усилении в классе Б отсечка равна полупериоду, то есть в половине периода в коллекторной цепи есть ток, а в другой половине периода тока нет. Если ток есть больше, чем в половине периода, то мы имеем класс усиления АБ, если меньше – класс С. (Чаще классы усиления обозначают латинскими буквами А, В, С.)
Представьте себе, что у нас есть не один, а два работающих в классе Б одинаковых усилителя: один воспроизводит положительные полупериоды сигнала, другой – отрицательные. Теперь представьте себе, что оба усилителя работают на общую нагрузку. В этом случае мы получим в нагрузке нормальный переменный ток, получим неискаженный сигнал, как бы сшитый из двух половинок (рис. 107).
Рис. 107. Двухтактный каскад – это, по сути дела; два однотактных каскада, работающих на общую нагрузку.
Правда, для получения неискаженного сигнала из двух искаженных нам пришлось создать сравнительно сложную схему сшивания половинок (такая схема называется двухтактной), схему, по сути дела состоящую из двух самостоятельных усилительных каскадов. Однако, как это уже не раз бывало, наш проигрыш (в данном случае усложнение усилителя) приносит значительно больший выигрыш.
Общая мощность, которую развивает двухтактный усилитель, больше, чем мощность, которую дали бы в отдельности обе его половины. А «стоимость» одного ватта выходного сигнала оказывается значительно меньше, чем в однотактном усилителе. В идеальном случае (ключевой режим) один ватт выходного сигнала можно получить за такой же ватт потребляемой мощности, то есть в идеальном случае к. п. д. двухтактного усилителя может достигать 100 процентов.
Реальный к. п. д., конечно, меньше: практически он составляет 60–70 %. Но ведь в однотактном усилителе, работающем в классе А, мы получали к. п. д., равный 50 %, тоже только в идеальном случае. А реально однотактный усилитель позволяет получить к. п. д. не более 30–40 %. И поэтому в двухтактном усилителе каждый ватт выходной мощности обходится нам в два‑три раза «дешевле», чем в однотактном.
Для переносной транзисторной аппаратуры повышение к. п. д. имеет особо важное значение. Чем выше к. п. д., тем меньше расход энергии коллекторной батареи при одной и той же выходной мощности. А это, в свою очередь, означает, что чем выше к. п. д., тем реже нужно будет менять эту батарею или тем меньше может быть батарея при неизменном сроке службы. Вот почему в миниатюрной транзисторной аппаратуре, в частности в миниатюрных приемниках, где, казалось бы, нужно экономить вес и место, применяют двухтактные усилители, включая для этого в схему целый ряд лишних деталей.
Практическая схема двухтактного усилителя встречалась нам в одном из приемников (рис. 45). Здесь двухтактный выходной каскад работает на общую нагрузку – громкоговоритель Гр1 . Он включен через выходной трансформатор, имеющий отвод от средней точки. Благодаря этому каждое плечо двухтактного каскада как бы работает на свою половину выходного трансформатора и через нее наводит свою половинку тока (здесь полезно вспомнить хорошо известное вам примечание на стр. 26) во вторичной обмотке, то есть в цепи громкоговорителя.
С нижней части делителя R11R12 на базы обоих выходных транзисторов Т4 и Т5 подается очень небольшое смещение. Таким образом эти транзисторы почти заперты и потребляют в «режиме молчания» очень небольшой ток покоя. Это значит, что усилитель работает в классе АБ, Можно было бы повысить экономичность усилителя, переведя его в класс Б. Для этого нужно убрать смещение и запереть триоды, чтобы их отпирало лишь управляющее напряжение. Однако при работе в классе Б появляются некоторые трудно устранимые искажения (из‑за загиба входной характеристики), и этот класс в усилителях НЧ используется реже. Класс С в этих усилителях вообще не используется из‑за появления неустранимых искажений.
Управляющее напряжение на выходные транзисторы подается с так называемого фазоинверсного каскада, выполненного на транзисторе Т3 по трансформаторной схеме. Есть и другие схемы фазоинверторов, но все они выполняют одну и ту же задачу – создают два противофазных напряжения, которые необходимо подать на базы транзисторов двухтактной схемы.
Если на эти транзисторы подать одно и то же напряжение, то они будут работать не через такт, а синхронно, и поэтому оба будут усиливать только положительные или, наоборот, только отрицательные полупериоды сигнала. Чтобы транзисторы двухтактного каскада работали поочередно, нужно подавать на их базы противофазные напряжения. Тогда если во время одного полупериода отпирающий «минус» будет на базе Т4 , а на базе Т5 будет запирающий «плюс», то во время следующего полупериода картина изменится и на базе Т5 будет «минус», а на базе Т4 «плюс». Таким образом, два противофазных напряжения будут поочередно отпирать транзисторы двухтактного каскада.
В фазоинверторе с трансформатором два управляющих напряжения получаются благодаря разделению вторичной обмотки на две равные части. А противофазными эти напряжения становятся потому, что заземлена средняя точка вторичной обмотки. Когда на верхнем (по схеме) ее конце появляется «плюс» относительно средней точки, на нижнем конце относительно этой точки оказывается «минус». А поскольку напряжение переменное, то «плюс» и «минус» все время меняются местами (рис. 108).
Рис. 108. Фазоинвертор создает два переменных напряжения, сдвинутых по фазе на 180°.
Трансформаторный фазоинвертор прост и надежен, его практически не нужно налаживать. Двухтактный усилитель для транзисторного приемника или небольшой радиолы можно собрать не только по схеме рис. 45, но и по одной из схем усилителя НЧ промышленного приемника. Например, по схеме приемников «Альпинист», «Нева‑2», «Спидола» и др.
Желание избавиться от трансформаторов привело к созданию нескольких более сложных схем двухтактных усилителей. Одна из них приведена на рис. 104–6 .
рис. 104 –6
Как видите, на этой схеме нет ни выходного трансформатора, с помощью которого осуществляется «сшивание» двух половинок сигнала, ни трансформатора фазоинвертора (его часто называют согласующим трансформатором), с помощью которого на двухтактный каскад подаются два противофазных управляющих напряжения.
Как же решаются эти задачи в безтрансформаторном усилителе? В данном случае они решаются благодаря применению транзисторов с разной структурой – транзисторов типа n‑р‑n и р‑n‑р . Транзисторы n‑р‑n в сравнении с транзисторами р‑n‑р , если можно так сказать, делают все наоборот (рис. 104–6 , 109).
Рис. 109. Если в двухтактном каскаде работают транзисторы с разной структурой (проводимостью), то можно обойтись и без фазоинвертора.
В частности, на коллектор им нужно подавать не «минус», а «плюс». Отпирает эти транзисторы уже не отрицательное, а положительное напряжение. Это значит, что на таких разных транзисторах можно собрать двухтактный выходной каскад без всякого фазоинвертора и подавать на их базы одно и то же управляющее напряжение, один и тот же сигнал. Отрицательный полупериод этого напряжения будет отпирать транзистор р‑n‑р (Т3 ), а положительный полупериод будет отпирать транзистор n‑р‑n (Т4 ), и таким образом транзисторы будут работать поочередно.
В коллекторной цепи транзисторов с разной структурой токи тоже, движутся в разных направлениях. И благодаря этому один из транзисторов создает положительную «половинку» выходного сигнала, а второй транзистор – отрицательную.
Однако это еще не дает права исключить из схемы выходной трансформатор: кроме «сшивания» сигнала, у него есть еще одна функция – согласование высокого выходного сопротивления транзистора с малым сопротивлением громкоговорителя (рис. 83). Кто же берет на себя эту роль выходного трансформатора? Никто. Просто выходной каскад собран по схеме ОК, а одна из главных ее особенностей – низкое выходное сопротивление. Таким образом, в какой‑то степени пожертвовав усилением (схема ОК усиливает хуже, чем ОЭ), удается обойтись без выходного трансформатора.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 120; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!