Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы - Сворень Рудольф Анатольевич - Страница 41

В блоке питания третьего и четвертого усилителей используются силовые трансформаторы от приемника «Байкал» и дроссели, намотанные проводом ПЭ-0,15 на сердечнике III 18 X 20.

Все усилители, с которыми мы познакомились, относятся к группе однотактных. Смысл этого слова станет понятным, когда мы узнаем, как работают представители другой группы — двухтактные усилители.

До сих пор при выборе схемы и конструкции усилителя низкой частоты мы обращали главное внимание на то, чтобы он усиливал электрический сигнал с минимальными искажениями. Это требование будет оставаться главным и в дальнейшем, когда мы займемся конструированием сравнительно мощных усилителей, например для радиоузлов. Однако по мере увеличения выходной мощности все большее значение приобретает еще один показатель работы усилителя — его к. п. д.

Этот коэффициент говорит о том, насколько продуктивно усилитель использует электроэнергию для создания мощной копии сигнала. Так, например, если к. п. д. равен 50 %, то это значит, что только половина потребляемой энергии превращается в мощную копию сигнала, а вторая половина безвозвратно теряется в различных цепях усилителя, в итоге превращаясь в тепло.

Чем меньше к. п. д., тем большую мощность нужно подвести к усилителю для создания каждого ватта выходной мощности. В нашем примере (к. п. д. = 50 %) на каждый ватт выходной мощности расходовалось 2 вт. При к. п. д. = 25 % этот расход увеличивается уже до 4 вт, а потери возрастают до 3 вт. Ясно, что с увеличением мощности усилителя пропорционально возрастает и мощность потерь. Вот почему борьба за высокий к. п. д. приобретает особое значение при разработке мощных усилителей. Важно также повышать к. п. д. и в электронных устройствах небольшой мощности, если они выпускаются большим тиражом. Так, например, если всего на 10 % уменьшить мощность, потребляемую каждым телевизором, то в целом по стране это даст гигантскую экономию электроэнергии — примерно 10 миллионов рублей в год! Этой суммы хватит на то, чтобы построить благоустроенные квартиры на 1000–1500 человек.

Наряду с экономией энергии повышение к. п. д. имеет еще одно важное достоинство. Уменьшается потребляемая мощность, и вместе с этим упрощается устройство анодного выпрямителя, фильтров, силового трансформатора. Для радиолюбителя это может иметь первостепенное значение. Так, например, если в вашем распоряжении есть силовой трансформатор мощностью 60 вт, то с его помощью можно питать усилитель мощностью 15 вт, если его к. п. д. составляет 25 %, или усилитель мощностью 30 вт с к. п. д. = 50 %. Иными словами, при ограниченной потребляемой мощности выходная мощность усилителя будет тем больше, чем экономнее мы научимся расходовать энергию, чем более высокий к. п. д. сумеем получить (рис. 52).

Рис. 52. Чем выше к. п. д. усилителя, тем больше выходная мощность при неизменной потребляемой мощности.

В усилителях НЧ главная арена борьбы за повышение к. п. д. — это анодные цепи ламп выходного каскада. Уменьшить мощность, потребляемую накальными цепями, мы не можем: для данного типа лампы напряжение и ток накала ни при каких обстоятельствах уменьшать нельзя. Экономить энергию, потребляемую в анодных и экранных цепях усилителя напряжения, не имеет особого смысла: на долю этих каскадов приходится сравнительно небольшая часть общего анодного тока, а значит, и небольшая часть мощности выпрямителя. Таким образом, остается единственная возможность заметно повысить к. п. д. всего усилителя — нужно уменьшить мощность, потребляемую в анодной цепи выходной лампы, точнее, повысить соотношение между выходной мощностью и потребляемой. Сейчас нам предстоит выяснить, какие существуют пути для того, чтобы улучшить это соотношение, и в какой степени повышение к. п. д. повлечет за собой рост (а может быть, и уменьшение?) искажений сигнала в выходном каскаде.

В этой странной, шифрованной записи скрыт секрет повышения к. п. д. усилителя. Ключ к шифру можно узнать, познакомившись с работой усилительного каскада, с теми событиями, которые происходят при изменении анодной нагрузки, смещения, напряжения сигнала, анодного и экранного напряжения— одним словом, при изменении режима лампы.

Еще раз нарисуем упрощенную схему выходного каскада и запишем, чему равна его выходная мощность Р_вых и мощность, потребляемая в анодной цепи Р_ао (рис. 53, 1, д, е). Теперь прямо в «лоб» начнем атаку на к. п. д. — попробуем увеличить полезную мощность, повышая переменное напряжение U_а~ и переменную составляющую анодного тока I_а~.

Рис. 53, 1

Если увеличить сопротивление нагрузки R_а, а это несложно сделать, изменив коэффициент трансформации Тр_в (рис. 49), то одновременно возрастет и напряжение U_а~ (закон Ома: U = I·R!). Казалось бы, найден путь повышения выходной мощности Р_вых. Но, к сожалению, по этому пути мы далеко не уйдем.

Переменное напряжение на нагрузке U_н, складываясь с постоянным анодным напряжением U_aо, определяет напряжение на аноде лампы U_а. Во время положительных полупериодов результирующее напряжение на аноде равно сумме U_а0 и U_а~, а во время отрицательных полупериодов — их разности (рис. 53, 2). Поэтому вместе с напряжением на нагрузке U_н растет максимальное напряжение на аноде (U_макс = U_а0 + U_{н. ампл}) и уменьшается минимальное напряжение (U_мин = U_а0 — U_{н. ампл}). Если в погоне за большой мощностью увеличить U_н до такой степени, чтобы оно стало больше чем U_а0, то в некоторые моменты времени напряжение на аноде окажется отрицательным (рис. 53, 2, б, интервалы 1–2 и 3–4). При этом, естественно, и анодный ток станет равным нулю: при отрицательном напряжении на аноде он не притягивает электроны и они летят на управляющую, а в тетроде — на экранную сетку.

Прекращение анодного тока, пусть даже кратковременное, — это не что иное, как искажение формы сигнала, а его мы допустить не можем. Таким образом, и устанавливается предел повышения напряжения на нагрузке U_н — оно не может быть больше чем U_а0. Об этом можно сказать и иначе, если ввести коэффициент использования анодного напряжения ζ. Искажений кривой тока можно избежать, если коэффициент ζ будет меньше единицы (рис. 53, 2, в, г).

Рис. 53, 2

Потерпев неудачу с увеличением U_н, попробуем подступиться к задаче с другой стороны — увеличим переменную составляющую анодного тока I_а~. Сделать это довольно просто — достаточно увеличить переменное напряжение на сетке U_вх, под действием которого меняется анодный ток. На рис. 53, 3, а вы видите встречавшийся раньше (рис. 30, 21) тройной график, на котором ламповая характеристика (динамическая) совмещена с графиками напряжения U_c и тока I_а. На графиках показан случай, когда амплитуда переменного входного напряжения U_{вх (ампл)} равна постоянному отрицательному смещению на сетке. Ну, а что будет, если в погоне за большим переменным током увеличивать напряжение входного сигнала? Графики для этого случая показаны на рис. 53, 3, б. Присмотритесь к этим графикам и вы увидите, что результаты увеличения U_вх оказались весьма печальными — форма графика тока сильно искажена. За счет захода в положительную область напряжений на сетке срезаны верхушки на графике тока (интервалы 1–2 и 5–6). Как только на сетке появляется «плюс», она перехватывает часть электронов и ток I_с резко уменьшает входное сопротивление лампы.