ТАБЛИЦА 3

Найдя из сквозной динамической характеристики /i=3,8 о и взяв для включения с общим эмиттером при подборе транзисторов в плечах коэффициент асимметрии й=0,15, найдем: /м8кс=6,32а, Л =4,37 а,/о=0,105 о, /2=-3,23а, / = = -4,68 о. Гармонические составляющие выходного тока, найденные по ф-лам (1.10), будут равны: А =6,2а, /2т=0,3575 а, /зт=-0,7а, /, =-0,!91 а, что даст значение Кг =13%.

Так как значение коэффициента гармоник не должно превышать 8%, для снижения к г до допустимой величины в каскаде можно применить отрицатель н>ю обратную связь нлн включить транзисторы каскада мощного усиления с общнм коллектором (см. пример 3.6). Снизить коэффициент гармоник каскада можно также, включив транзистор инверсного каскада с общим коллектором; при этом сопротивление источника сигнала /?нст составит примерно 1,5 ом. Для этого значения Ran сквозная динамическая характеристика на рнс. 3.32 изображена пунктиром; значение Кт каскада в этом случае составляет 7,46%, что по условию допустимо.

Расчетная амплитуда тока входного сигнала составит

- /б макс -

5,5 15

= 0,367 а

Взяв /дел=/бмакс , рассчитаем сопротивления делителя подачи смещения и потребляемую нмн мощность:

и

вхО бэО яел б макс

--к вх О к - и бэо

/дел + 2/бо т 10

6 макс т

0,367

21-0,2

= 0,545 ом,

= 50,3 ом.

0,367+2

0,35 15

Рдел /дел к =0,367 . 21 = 7,7 вГП.

Ток, потребляемый каскадом от выпрямителя прн максимальном сигнале, н требуемое напряжение источника питания составят

/ер=0,637/к„акс+/дел = 0,637 5,5 + 0,367 = 4,14 а; Е^ U = 21 в. 104

Входная мощность сигнала н входное сопротивление плеча каскада с учетом делителя смещения:

Рвх^ 0,5 /б акс ( бэ макс h макс г) =

=0,5 . 0,367(0,61+0,367 . 0,545) =0,149 вт.

Р и бэ макс ~h макс 2

---- 7.

6 макс

0,61+0,367 0,545

Радиатор для каждого нз транзисторов рассчитываем, задавшись максимальной температурой перехода Тц =80°С:

С 1200-г-1500 1350 2

П макс окр макс о 1

-р---ТзД--*

Расчет электрических данных выходного трансформатора производится для

и\ък Эфф 602

/?и= -р-= 5о =2 ом; расчет не приводим, так как он аналогичен предыдущему примеру.

пример З.в. Для иллюстрации расчета каскада мощного усиления в режиме В с общим коллектором пересчитаем каскад с данными примера 3.5 на включение транзисторов с общим коллектором. Схема двухтактного каскада в режиме В с общим коллектором и общим делителем подачи смещения дана на рис. 3.7.

Так как отдаваемая каскадом мощность Р остается равной 55,5 вт, используем в каскаде те же транзисторы типа П210А. Ввиду того, что для П210А при включении с общим эмиттером н общим коллектором Укалоп =60 в, напряжение питания t/кэо останется равным 21 в. Определив тем же методом, как и в примере 3 5, t/oS=0,75e, найдем, что R останется равным 3,68 ол. Нагрузочную прямую плеча для 6кэ0=21 в и /?з^п=3,68 ом проводим на семействе выходных характеристик П210А, для включения с общим эмиттером (рнс. 3.30). Максимальное значение тока выходной цепи определяется так же, как в прнме-

/le 3.5, и остается равным 5,5 а; но это уже не ток коллектора, а ток эмиттера э макс . Отдаваемая каскадом мощность и максимальная мощность, выделяемая на коллекторе транзистора Рк , определяются, как н в примере 3.5, и останутся равными 55,5 вт и 13,2 вт соответственно. Ток покоя цепн коллектора /кО практически равный току покоя эмиттера / эО , оставим равным 0,35 а; поэтому напряжение смещения Убап и амплитуда напряжения база-эмнттер Об такс составят по-прежнему 0,2 в и 0,61 в. Расчетная амплитуда тока входного сигнала прн включении с общим коллектором, составит

= /б макс = = -rrV =0.344 а.

1э макс 5,5

1+Р ии~ 1 + 15 Расчет делителя подачи смещения при /дел =/бмакс , проведенный так же, как и в примере 3 5, даст: /?2=0,582ол, /?, =53,зол1 н Рдел =/дел'б к =0,344-21 = = 7,22 вт. Входная мощность сигнала н входное сопротивление плеча с учетом делителя подачн смещения прн включении с общим коллектором определятся выражениями:

Рвх~ ~ 0,5 /fl jkc ( бэ макс + h макс 2 + -э макс /?э ~ П ) =

= 0,5 0,344(0,61+0,344 0,582 + 5,5 3,68) =3,62 вт,

п 6э макс + б макс R 2 1 э макс э~П

Квх~ ~ г -

6 макс

0,61 + 0,344 0,582 + 5,5 . 3,68 =---61.2 ом.

При такой мощности входного i игнала инверсный трансформаторный каскад целесообразнее сделать двухтактным Если в нем применить транзисторы П202 в режиме А включенные с общнм эмиттером, то сопротивление источника сигнала /?ист Д1Я рассчитанного каскада составит примерно 800 ои

Сквозную характеристику строим для тех же семи точек нагрузочной пря мой, как и в примере 3,5 (табл 3 4), но для /? lt = 800 о и, расчет коэффициента гармоник по этой характеристике даст значение Кг =14% Такой коэффициент гармоник получился бы при включении транзисторов с общим эмнттером, при включении же с общнм коллектором обратная связь снизит коэффициент гармоник до величины

/ э макс /? э~ П Ra

бэ макс -- /б макс 2 ист вх ~

---=5,04%,

5,5 3,68 61,2

0,61-0,344 0,582 800 f 61,2

что по условию допустимо

Такой высокий коэффициент гармоник прн вк1ючении е общим коалектором получится ттому чго сопротивление исто ,шка гьгпа1а/?ист (выходное сопро тивление предыдущего каскада) во много раз превысило входное сопротивление плеча /?вх- Однако коэффициент гармоник рассчитанного каскада легко снизить, включив на половинки вторичной обмотки ВХ0Д1ГОГ0 трансформатора шуи тирующие сопротивления, если, например, эти сопротивленит взять по 400 of, то Ruci уменьшится до 160 ои Входная мощность сшнала прн этом возрастет лишь до 4,73 вт, а коэффициент гармоник как нерудно найти по приведенной выше формуле, снизится до I 78%

Расчет тока, потребляемого каскадом от источника питания напря%\ення источника питания, радиатора и расчет электрических данных выходного тран сформатора производятся так же как в примере 3 5

3.6. Бесгрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления

Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь транзисторов без выходного трансформатора позволяет устранить вносимые постедним частотные, фазовые и нелинейные искажения, уменьшить размеры, вес, обьем и стоимость каскада, повысить его кпд и избавиться от нелинейных искажений, вызывае мых отсечкой тока в режиме В

Однако в обычных схемах непосредственное вктючепие на грузки оказывается невозможным из-за прохождения через на грузку постоянной составляющей тока, вызывающего резкое уменьшение отдаваемой каскадом мощности и его коэффициента полез ного действия

Прохождение постоянной составляющей тока через нагрузку и связанное с этим снижение кпд, а также вносимые трансформатором искажения и потери отсутствуют в схемах бестрансформаторных двухтакных каскадов, имеющих несколько разновидностей Одной из таких равновидностей является беотоансформа-торный двухтактный каскад с параллельным (несимметричным)

)Ыходом, два варианта схемы которого изображены на рис 3 33 1ЛЯ упрощения рисунка цепи подачи смещения на управляющие >лектроды транзисторов здесь не показаны Напряжения сигнала, :мсщенные по фазе на 180°, как и в обычной двухтактной схеме, юдаются во входные цепи транзисторов и / г от инверсного саскада Питание коллекторных цепей транзисторов в варианте

с) б)

- НН

Рис 3 33 Схемы бестрансформаторпых двухтачт ных каскадов с параплс;1ьным (несимметрлчным) выходом

а) с двумя источниками питания (или одним не точником со средней очкой), б) с одним чсточни юч питания без средней точки, но с разделитель иым конденсатором

рис 3 33а производится от двух одинаковых источников, соедн пенных последовательно, или or очного источника со средней точ кои Если дра источника питання исполыовать нежелательно, прнменчкет схем}, рнс 3 336, имеющую один источник питания без средней точки, с удв^рнным напряжением, нагрузку зтесь включают через ра i 1елительный конденсатор Ср Для тою чтобы разделите^льный конденсатор не влиял на частотную характерн тику каскада, сопротивление этою конденсатора на низшей рабочей частоте до шно быть в 3 5 раз меньше сопротивления нагрузки Прн одинаковых верхней и нижней половинках схемы рис 3 33а постоянная составляющая тока через нагрузку вклю чснную в средний npiuoi источника питания, не про<одит, так как средние значения токов питания плеч / 1 и /с|,2, равные по величине, в этом провозе и трав юны в противоположные стороны, а поэтому взаимно \иичтожаются Переменные составляющие токов плеч /1 и / npoxoiHT через нагрузку в одном нанравле НИИ и складываются

В схемах рис 3 33 траитсторы по отношению к источнику (или источникам) питання, т е по постоянному ток\, включены последовательно, а по отношению к нагр> е (или по переменному току) - параллельно, последнее снижает расчелную величину

сопротивления нагрузки и приближает ее к сопротивлению обычных электродинамических громкоговорителей.

Бестрансформаторные каскады могут работать как в режиме А, так и в режиме В; сопротивлением нагрузки каждого из транзисторов при работе каскада в режиме А является сопротивление 2i? , а при работе в режиме В - сопротивление /?

Напряжение питания и режим работы каскада выбирают такими, чтобы заданная величина сопротивления нагрузки /? обеспечивала полное использование транзисторов как по току, так и по напряжению. В транзисторных бестрансформаторных каскадах, работающих на громкоговоритель, так подбирают напряже ние питания Ек и режим работы каскада, чтобы сопротивление стандартного громкоговорителя оказалось равным расчетному сопротивлению коллекторной нагрузки.

Бестрансформаторные двухтактные каскады наиболее часто применяют в режиме В; в цепи эмиттеров здесь иногда включают небольшие сопротивления , стабилизирующие работу плеч каскада и создающие в нем отрицательную обратную связь.

Для бестрансформаторных каскадов, как и для обычных двухтактных, желательно в плечах подбирать транзисторы, мало отличающиеся по величине р, так как в противном случае максимальная выходная мощность каскада снижается и растет коэффициент гармоник.

В качестве инверсного каскада для бестрансформаторных двухтактных схем типа рис. 3.33 можно использовать как трансформаторный, так и реостатный инверсный каскады, например инверсный каскад с разделенной нагрузкой.

Еще более простым по устройству является бестрансформаторный двухтактный каскад с параллельным выходом и параллельным входом, два варианта схемы которого даны на рис. 3.34; цепи

Рис. 3.34 Схемы бестрансформаторных двухтактных каскадов с параллельным входом и параллельным выходом:

а) с двумя источниками питания, б) с одним источником питания н разделительным конденсатором

подачи смещения здесь также не показаны. В таком каскаде используют транзисторы с одинаковыми параметрами и характеристиками, но противоположным характером проводимости; в одном плече - транзистор типа р-п-р, в другом - транзистор типа п-р-п. Питание выходных цепей, как и в предыдущем случае, здесь можно производить от двух последовательно соединенных источников, одного источника со средней точкой, или источника без средней точки с разделительным конденсатором. В схемах рис. 3.34 так же, как и в схемах рис. 3.33, выходные цепи транзисторов по постоянному току включены последовательно, а по переменному - параллельно. Каскад с параллельным выходом и параллельным входом не нуждается в инверсном каскаде, так как транзисторы в его плечах имеют противоположную проводимость, а поэтому и противоположную полярность питающих напряжений; при подаче одного и того же напряжения сигнала на управляющие электроды обоих плеч ток в одном плече растет, а в другом падает, и схема работает как двухтактная. Поэтому в качестве предыдущего каскада для такой схем.ы применяют обычный несимметричный каскад.

Способ включения транзисторов в бестрансформаторпых двухтактных каскадах может быть любым, однако далеко не всегда просто получить любое включение. Для того чтобы на предварительные каскады не поступало выходное напряжение бестранс-форматорною каскада и пе нарушалась симметрия схемы, общий провод предварительных каскадов, а также инверсного, если последний имеется, следус! подключать к точке А (рис. 3.33, 3.34); это позволяет также использовать для питания предыдущих каскадов вес напряжение источника питания. Если предыдущий каскад выполнить реостатным, то при питании его от полного напряжения источника пита1щя транзисторы схем рис. 3.34 оказываются включенными с общим коллектором и на вход оконечного каскада приходится подавать напряжение сигнала, превышающее напряжение сигнала иа нагрузке. Столь большое напряжение сиг-пала обычный реостатный предыдущий каскад не может отдать даже при питании от полного напряжения источника, в результате напряжение питания бестрансформаторного каскада оказывается недоиспользованным, и кпд последнего получается низким.

Для устранения этого недостатка верхний конец сопротивления R к предыдущего реостатного каскада присоединяют к нижнему концу сопротивления нагрузки оконечного, как это сделано на рис. 3.35; это увеличивает амплитуду напряжения питания предварительного каскада примерно в 1,5 раза, так как па сопро-тивлснни /? имеется полное выходное напряжение сигнала, приближенно равное половине напряжения источника питання. Это дает вО)мо;кность полностью использовать напряжение питания и транзисторы оконечного каскада. На рис. 3.35 изображена полная принципиальная схема двухкаскадного усилителя, имеющего бестрансформаторный дчухтактный выходной каскад с па-

раллельным выходом и параллельным входом, работающий в режиме В, и реостатный каскад предварительного усиления, работающий в режиме А. Напряжение смещения, необходимое для устранения нелинейных искажений оконечного каскада при работе его в режиме В и слабых сигналах, здесь снимается с делителя из сопротивлений /?2, /?з, Ri и Rs; конденсаторы Сг и Сд устраняют падение напряжения сигнала на сопротивлениях Rs и Rt. В аредварительном каскаде сопротивление Ri осуществляет коллекторную стабилизацию точки покоя и рассчитывается обычным образом. Ток покоя коллектора транзистора этого каскада должен быть немного больше необходимой амплитуды входного тока оконечного бестрансформаторного каскада; при этом сопротивление Rk предварительного каскада берут таким, чтобы падение напряжения питания на нем в точке покоя составляло примерно 0,5

При известном сопротивлении нагрузки /? бестрансформаторного двухтактного каскада и заданной мощности сигнала в isa-грузке Рвых для полного использования напряжения питания и получения высокого кпд питающее напряжение должно быть строго определенным. Необходимую величину напряжения источника питания Ек и максимальное значение тока коллектора /мдкс для бестрансформаторного двухтактного каскада, работающего в режиме В, можно найти по формулам:

Рнс. 3.35. Двухкаскадный бестрансформаторный усилитель с оконечным каскадом по схеме 3 346, работающий в режиме В

Ек =-2[]/2Рвых Rh -f ост]

Г 1 / 2Рвы: /ма.с- /

(3.41)

Остаточное напряжение Ugn при включении транзисторов с общим эмиттером или коллектором находят по статическим выходным характеристикам выбранного транзистора для включения его с общим эмиттером; при включении транзисторов с общей базой его считают равным нулю. Значение /мак. не должно превосходить максимально допустимый ток коллектора взятого транзистора; полученное значение Ек не должно превышать 0,8-0,9 максимально допустимого напряжения между выходными электрода-

ми. Расчет остальных данных каскада производят- так же, как для обычного двухтактного каскада в режиме В.

Пример 3.7. Выберем транзисторы и напряжение питания для бестрансформаторного каскада с параллельным выходом, собранного по схеме рис. З.ЗЗб; сопротивление звуковой катушки электродинамического громкоговорителя, являющегося нагрузкой бестрансформаторного двухтактного каскада, задано равным 10 ом, отдаваемая в нагрузку мощность должна составлять 4 вт.

Подставив заданные значения Rk и Ярых в ф-лу 3 41, найдем максимальное значение тока коллектора

/ -

м я КС -

Подходящими в данном случае являются транзисгоры типа П201; если транзисторы каскада включены с общим эмиттером (или общим коллектором), то при /мла =0,895 о остаточное напряжение t/ocr . как нетрудно найти по семейству статических выходных характеристик этого транзистора для включения с общим эмиттером, составит примерно 1 в В этом случае необходимое напряжение источника питания каскада будет равно

что не превосходит допустимого напряжения между выходными электродами Г1201.

Ток. покоя транзисторов, как и в обычном двухтактном каскаде, в режиме В берем равным

/ко = (0,05 0,1)/ акс 0,07 0,895 = 0,0Ь2 а.

Напряжение 6вхо на.ходим по статической входной характеристике для полученного значения /ко ; делнге.чи подачи смещения рассчитываем обычным образом, исходя из почученного значения Ubxo Веннчину емкости разделительного конденсатора Ср определяем из выражения

если низшая рабочая частота каскада /н равна 100 гц.

Различные варианты схем бестрансформаторных двухтактных каскадов мощного усиления и каскадов предварительного усиления к ним можно найти в специальной литературе [Л. 1, стр. 285- -302].

Создание бестрансформаторных двухтактных каскадов с применением транзисторов типа р-п-р и п-р-п на большую мощность в настоящее время осложняется отсутствием мощных транзисторов типа р-п-р и п-р-п с одинаковыми параметрами. Однако трудности, с которыми приходится встречаться при выборе напряжения коллекторного питания предварительного реостатного каскада (см. пояснения к схеме рис. 3.35) в мощных усилителях, собранных по схеме рнс. 3.34, практически отпадают, так как в этом случае оказывается целесообразным использовать трансформаторный предоконечный каскад

Расчет каскадов предварительного усиления

4.1. Задачи расчета

Назначением каскадов предварительного усиления является усиление сигнала до величины, необходимой для подачи на вход мощного усилителя. При расчете транзисторных каскадов предварительного усиления удобно пользоваться не коэффициентом усиления напряжения, а коэффициентом усиления тока

Для уменьшения количества каскадов коэффициент усиления каждого из них должен быть наибольшим при заданной частотной характеристике. Поэтому в каскадах предварительного усиления применяют транзисторы с высокими значениями р и включают их с общим эмиттером.

Реостатный каскад является основным типом каскада предварительного усиления ввиду простоты, дешевизны, малых размеров и хорошей частотной характеристики.

Трансформаторный каскад также применяют для предварительного усиления сигнала, несмотря на более высокую стоимость и худшую частотную характеристику; он дает более высокий коэффициент усиления и позволяет переходить от маломощных транзисторов к мощным. Если каскад мощного усиления двухтактный, то предварительный каскад делают инверсным - трансформаторным или бестрансформаторным (каскад с разделенной нагрузкой, каскад с эмиттериой связью и др.). Для расчета транзисторного каскада предварительного усиления необходимо знать: схему и данные последующего каскада, являющегося нагрузкой для рассчитываемого; полосу рабочих частот и допустимые частотные искажения; диапазон колебаний температуры окружающей среды; напряжение источника питания Як и данные используемого транзистора.

4.2. Расчет реостатного каскада предварительного усиления

Расчет транзисторного реостатного каскада предварительного усиления начинают с выбора принципиальной схемы, удовлетворяющей заданным условиям. При этом решают вопрос о при-

1енении той или иной схемы стабилизации, необходимости ведения цепочки фильтра CRa т. д. Один из употребительных 1ариантов схемы реостатного каскада изображен на рис. 4.1; здесь 7о - емкость, нагружающая каскад, /?вх сл - входное сопротив-:ение следующего каска-la с учетом цепей сме-цения.

После выбора схемы юдбирают транзистор, юдходящий по гранич-юй частоте и току покоя соллектора. Граничную [астоту транзистора же-гательно иметь frp мин об >3/вРср Максимальное tonycTHMoe значение то-са коллектора применяе-

ЛОГО транзистора /кОмакс

юлжно быть больше или )авно расчетному току юкоя цепи коллектора /ко . Расчетное значение тока покоя коллектора /ко должно обеспечить с достаточным запасом как по нелинейным искажениям, так и с точки зрения изменения положения точки покоя при колебаниях температуры окружающей среды и замене транзистора максимальную расчетную амплитуду переменной составляющей входного тока транзистора следующего каскада /вхш сл.

При наличии в каскаде стабилизации режима обычно достаточно иметь /ко-= (1,Зн-1,7) /вхтсл, или более точно:

/ко (1,054-1,2)/кт, (4.1)

где /кт - сумма амплитуд переменной составляющей входного тока /вхтсл и переменных составляющих токов, протекающих по другим цепям каскада (см пример 4.1). Если полученное значе^ ние /ко очень мало, его повышают до величины, обеспечивающей нормальный коэффициент усиления тока транзистора (обычно до /ко=1 ма). Для выбранного /ко определяют смещение по входным характеристикам транзистора для включения с общим эмиттером.

Сопротивления Rk , Рф.кэ рассчитывают, задавшись на них падением питающего напряжения:

(0,1 0,2) £к

Рис 41 Принципиальная схема транзисторного реостатного каскада с развязывающим фильтром и эмиттерной стабилизацией

/?к =

(0,30,6) £к

(0,1Ч-0.3)£, /эо

(0,14-0,3) £к

(4.2)