щения и стабилизации рабочей точки, развязывающими фильтрами и регулятором усиления изображена на рис. 2.5. После ее составления распределяем допущенные на весь усилитель частот-

Рис 2 5 Принципиальная схема усилителя, к прнмерх п 20

ные искажения на низшей рабочей частоте (M s 3 о'б) по отдельным цепям, вносящим эти искажения (табл. 2.5), ла основанш! рекомендаций § 2.5.

Т \ Б л U U \ 1

Наимеионанне пепси каскадов усилители

Выходной трансформатор Tpi

Конденсатор межлукаскадцон связи Сс инверсного каскада Конденсатор междукаскаднои связи Сс во втором каскаде Блокпровочиьщ конденсатор С< во втором каскаде

Конденсатор междукаскаднои свя ;и

в первом каскаде

Входное vcTpoHcfBO (конденсатор связи с источником cnniaid

И т о I о

I 2 03 0,3 0G О 1

5 <)(->

Заданный коэффициент гармоник Кг<7% весь отводи >; на оконечный каскад.

Расчет каскадов мощного усиления

3.1. Задачи расчета

Для расчета транзисторного каскада мощного усиления необходимо иметь следующие данные: выходную мощность Рвых , сопротивление нагрузки /? . допустимый коэффициент гармоник , низшую и высшую рабочие частоты f и /в , допустимые коэффициенты частотных искажений каскада М^а Мв , низшую и высшую температуры окружающей среды 7 крмакс и Гокрмип . Кроме того, должен быть известен тип источника питания (сеть переменного тока, сухие батареи, аккумуляторы).

В расчет каскада мощного усиления входит: выбор напряжения источника питания, если оно не задано, выбор точки покоя (тока покоя выходной цепи), тока и напряжения смещения входной цепи, сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току, проверка по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отдаваемой каскадом мощности Р^, определение амплитуды тока и напряжения входного сигнала (входной мощности) и входного сопротивления каскада, расчет коэффициента гармоник каскада Кг, расчет сопротивлений, задающих смещение, и цепи стабилизации, если она необходима. К расчету каскада мощного усиления также относится расчет электрических данных выходного трансформатора (L\, Ls, п, Г\, Гг), его конструктивный расчет (если это необходимо) и расчет радиатора, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.

Конструкция радиаторов, охлаждающих транзисторы каскадов 1Мощиого усиления, может быть различной. Примеры наиболее употребительных конструкций радиаторов изображены на рис. 3.1. Радиатор выполняют из металл.а с высокой теплопроводностью, обычно из алюминия. Необходимая поверхность охлаждения радиатора 5охл может быть рассчитана по следующей приближенной формуле'

12001500

-- Г. - - , см\ (3 1)

1 П w8kc 1 окр макс

где 5охл- вся поверхность радиатора с обеих сторон, вклю-

чая охлаждающие ребра, если таковые имеются; 7 п макс - максимальная температура коллекторного перехода в условиях эксплуатации; 7 окр макс-максимально возможная температура окружающей среды;

/?-г-г - величина теплового сопротивления транзистора (между коллекторным переходом и корпусом транзистора), определяемая конструкцией транзистора и указываемая в справочных данных транзисторов мощного усиления; Р - мощность, выделяемая в транзисторе.

Рпс 3.1 Конструкции радиаторов, охлаждающих транзисторы в каскадах мощного усиления

а) металлический уголок, отводящий тепло на шасси,

б) и s) радиатор, частично отводящий тепло на шасси

Если значение 5 хл , найденное из ф-лы (3.1), оказывается равным или меньше полной поверхности корпуса транзистора, то радиатор не нужен, так как его роль будет выполнять корпус транзистора.

Радиатор нли теплоотвод на шасси делают такой толщины, чтобы разность температур в точке крепления транзистора и на краю радиатора не превышала нескольких градусов Цельсия; при выделяемой в транзисторе мощности в сотни милливатт обычно достаточна толщина порядка 1 -1,5 мм\ прн мощности в десятки ватт - 3-4 мм.

3.2. Трансформаторные каскады мощного усиления

Каскады мощного усиления в большинстве случаев выполняются трансформаторными, так как при этом:

а) для транзистора можно получить нагрузку переменному току, при которой он отдает максимальную мощность сигнала;

б) постоянная составляющая выходного тока не проходит через сопротивление нагрузки усилителя, что уменьшает потери энергии питания и увеличивает кпд каскада.

От потери энергии питания в сопротивлении нагрузки можно избавиться и применением специальных двухтактных бестрансформаторных схем (§ 3.6).

Рассмотрим несколько схем трансформаторных каскадов мощного усиления и особенности их применения.

На рис. 3.2 изображена принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления звуковых частот с транзистором, вклю-

Рис. 3.2. Принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления с транзистором, включенным с общим эмиттером

ченным с общим эмиттером и реостатной схемой междукаскадной связи. Указанная схема проста и экономична с точки зрения общего количества нужных деталей. Однако ее можно использовать при работе каскада мощного усиления только в режиме А, а поэтому схема имеет малый коэффициент полезного действия. Усиление мощности при таком включении транзистора наибольшее, но и коэффициент гармоник наибольший. Для уменьшения изменения коллекторного тока, вызывающего снижение кпд каскада и перегрев транзистора, в схеме использована эмиттерная стабилизация. Внутреннее сопротивление источника сигнала переменному току /? , необходимое для построения сквозной динамической характеристики и расчета коэффициента гармоник, здесь равно параллельному соединению выходного сопротивления /?выхоэ транзистора сопротивления в цепи коллектора Rk и сопротивлений делителя R\

и /?2- Обычно /?выхоэ> i?k , /?2 И внутреннее сопротивление источника сигнала для схемы рис. 3.2 можно найти по формуле

нст

(3.2)

Здесь ?дел равно параллельному соединению сопротивлений, образующих делитель R\ и R2:

R]R2

R1+R2

На рис. 3 3 изображена принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления звуковых частот с транзистором, вклю-

Рис 3 3. Принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления с транзистором, включенным с общей базой

ченным с общей базой и трансформаторной схемой междукаскадной связи. Эта схема дает малые нелинейные искажения вследствие большой линейности характеристик транзистора при включении с общей базой. Она позволяет применить транзистор малой мощности в предыдущем каскаде, обеспечивает очень малые частотные искажения предыдущего каскада на верхних частотах, коэффициент усиления и характеристики каскада мало меняются при замене транзистора. Схема рис 3.3 может применяться, как и схема рис. 3.2, только в режиме А. Так как транзистор Тп каскада мощного усиления здесь включен с общей базой, входным током его является ток эмиттера /э, превосходящий по величине /к Для уменьшения тока сигнала, снимаемого с транзистора Т, предыдущего каскада, последний включен через понижающий трансформатор Tpi с очень малым коэффициентом трансформации Предоконечный каскад здесь обычно приходится рассчитывать как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для подачи во входную цепь оконечного каскада. Для уменьшения изменения коллекторного тока в каскаде используется эмиттерная

стабилизация. Здесь сопротивлением эмиттерной стабилизации Rt. является активное сопротивление вторичной обмотки Га трансфер матора Тр\\ если оно оказывается недостаточным для заданной стабилизации режима, в цепь эмиттера можно включить дополнительное сопротивление /?э, зашунтировав его емкостью С, расчет которой производится обычным образом.

Для схемы рис. 3.3 внутреннее сопротивление источника сигна л а R CT равно

Рнст ~ (/?выч<,э --ri)rt2,

(3.3)

где

R вых ОЭ

выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада Ti переменному току в рабочей точке; г. - активное сопротивление первичной обмотки тран.

сформатора Tpi; п- его коэффициент трансформации.

Риг 3 4 Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включенными с общим эмиттером

На рис 3.4 приведена принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включенными с общим эмиттером н предыдущим инверсным каскадом с разделенной нагрузкой Здесь по сравнению со схемами рис. 3.2 и 3.3 нелинейные искажения меньше за счет компенсации четных гармонических составляющих в выходном сигнале, а также меньше размеры, вес и стоимость выходного трансформатора вследствие отсутствия в нем постоянного подмагничивания. Ввиду наличия эмиттерной стабилизации н реостатной схемы междукаскадной связи изображенный на рис 3.4 каскад мощного усиления может работать только в режиме А. Выходная мощность вследствие наличия в каскаде двух транзисторов вдвое больше, чем у однотактного. Сопротивление R э в общем эмиттерном проводе двухтактного каскада обеспечивает эмиттерную стабилизацию режима, а также симметрирует

транзисторы двухтактного каскада, если их статические коэффициенты усиления тока различны. Однако наличие общего стабилизирующего сопротивления для обоих транзисторов при различных их температурных коэффициентах иногда приводит к разба-лансировке токов покоя плеч после прогрева или старения схемы. Для уменьшения такой разбалансировки в эмиттер каждого из транзисторов можно включить небольшие сопротивления /?% и /? э (изображены пунктиром). Раздельные делители смещения на каждый из транзисторов двухтактного каскада позволяют подобрать одинаковые токи покоя плеч при различных статических коэффициентах усиления тока транзисторов.

Симметричное относительно общего провода напряжение сигнала подается на вход двухтактного каскада от инверсного реостатного каскада с разделенной нагрузкой, имеющего хорошую частотную характеристику. Верхний и нижний выходы инверсного каскада представляют собой источники сигнала с различными внутренними сопротивлениями. Для верхнего плеча двухтактной схемы

RkR.

где

R яел -

(3.4)

R1 + R2

У нижнего плеча двухтактной схемы /? получается меньше вследствие шунтирующего действия эмиттерного выхода транзистора Т\. Для выравнивания сопротивлений источника сигнала для верхнего и нижнего плеч в схему инверсного каскада иногда включают сопротивление R (изображено пунктиром).

На рис. 3.5 приведена принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включенными с общим

Рцс. 3.5. Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включенными с общим эмиттером и трансформаторным инверсным каскадом

эмиттером и предыдущим трансформаторным инверсным каскадом. Эта схема даже при большой выходной мощности каскада мощного усиления благодаря трансформаторной схеме междукаскадной связи позволяет применить в предыдущем каскаде маломощный транзистор. Предоконечный инверсный каскад здесь рассчитывается как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для подачи во входную цепь двухтактного каскада. Для упрощения схемы оконечный каскад снабжен одним делителем напряжения смещения RiR2- Вследствие того, что в схеме имеется одно сопротивление эмиттерной стабилизации Ra , з общем эмиттерном проводе при различных параметрах транзисторов в плечах двухтактной схемы токи покоя плеч будут различными. Для выравнивания токов покоя плеч здесь можно или подбирать транзисторы в плечах схемы, или, кроме общего сопротивления R, включить в один из эмиттерных проводов небольшое сопротивление Ra (или R a ), выравнивающее токи покоя при различных параметрах транзисторов в плечах схемы (изображены пунктиром). Введя в схему как сопротивление Ra , так и сопротивление R a , можно, как и в предыдущем случае, уменьшить разбаланси-ровку тока покоя при прогреве и старении схемы. В виде, изображенном на рис. 3.5, вследствие наличия сопротивления эмиттерной стабилизации Rb двухтактный каскад может работать только в режиме А. Однако схема рис. 3.5 пригодна и для работы в режиме В, если исключить (закоротить) стабилизирующие сопротивления Rs, /?эИ R 3 . В этом случае транзисторы в плечах двухтактного каскада необходимо брать с возможно близкими значениями р; необходимое начальное смещение на транзисторы в этом случае задается делителем RiR2- Сопротивление источника сигнала переменному току для одного плеча двухтактной схемы, при работе каскада в режиме В, равно:

Ruc. (/?выхоэ + /-1)л2п , (3.5)

где Rbhxob -выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада переменному току в рабочей точке; Г1 - активное сопротивление первичной обмотки траНх сформатора Три

й„ = -fJL - коэффициент трансформации по отношению к по-

ловинке вторичной обмотки (i и w-zn - число витков первичной и половинки вторичной обмоток).

При работе каскада в режиме А

(/?вых оэ1 + /-l) Д^п вх ОЭ; + 2/-2п) iRsu. 0Э1 + г,) n\ + {R вх 0Э2 + 2/-2п )

где /?вых031 - выходное сопротивление транзистора Г, переменному току в рабочей точке;

Rb оэ2 -входное сопротивление транзистора двухтактного каскада переменному току в рабочей точке;

Ггп- активное сопротивление половинки вторичной обмотки междукаскадного трансформатора Tpi.

Рис 3 6 Принципиальная схема двухтактного выходного каскада мощного усиления с транзисторами, включенными с общей базой

При необходимости возможно более полно использовать транзисторы и получать с них наибольшую мощность целесообразно применять схему, изображенную на рис. 3.6. Здесь транзисторы двухтактного каскада включены с общей базой, что позволяет взять напряжение источника питания наибольшей величины и при больших токах коллекторов получить сравнительно малый коэффициент гармоник Кг Преимуществом этой схемы по сравнению со схемой рис. 3.5 является то, что при замене транзисторов коэффициент усиления и характеристики каскада почти не изменяются, и транзисторы в плечах двухтактного каскада не требуют тщательного подбора В виде, изображенном на рис. 3.6, двухтактный каскад используется при работе в режиме В. Этот каскад можио использовать и в режиме А, если в провод средней точки вторичной обмотки трансформатора Гр, включить сопротивление эмиттериой стабилизации (изображено иа рис. 3 6 пунктиром). Для выравнивания токов покоя плеч или симметрирования плеч в провода эмиттеров можно включить небольшие выравнивающие сопротивления и (изображены пунктиром). По сравнению со схемой рис. 3.5 схема рис. 3 6 имеет меньший коэффициент усиления мощности и требует каскад предварительного усиления с большей выходной мощностью. Сопротивление источника сигнала /?ист для одного плеча двухтактной схемы здесь определяется теми же формулами, что и для схемы рис. 3.5.

При необходимости получения очень малого коэффициента гармоник и высокого кпд усилителя целесообразно применение двухтактного каскада, работающего в режиме В с транзистора ,,и, включенными с общим коллектором. Схема такого каскада с предоконечный инверсным трансформаторным каскадом изобра-/кена на рис. 3.7. При желании точно сбалансировать токи покоя плеч в цепь базы (или эмиттера) транзисторов Т2 и можно включить небольшое балансирующее сопротивление Rв или R (изображены пунктиром) Сопротивление источника сигнала ? сг для одного плеча двухтактной схемы здесь определится так же, как для схем рис. 3.5 и 3.6.

Корпус мощных транзисторов обычно электрически соединен с коллектором, поэтому при использовании для охлаждения транзистора металлического шасси усилителя, соединенного с общим проводом схемы, а также при установке на один общий радиатор обоих транзисторов двухтактного каскада их корпус приходится электрически изолировать от теплоотвода, крепя транзисторы через слюдяную прокладку толщиной 0,03-0,05 мм. Эта прокладка ухудшает охлаждение транзисторов и уменьшает надежность схе

Рис. 3 7 Принципиальная схема двухтактного оконечного каскада, работающего в режиме В с транзисторами, включенными с общим

коллектором

МЫ ввиду возможности ее разрушения и пробоя. На рис. 3 8 при-псдсиа видоизмененная схема двухтактного каскада мощного усиления, допускающая крепление транзисторов па общем радиаторе чли шасси без изолирующих прокладок. Здесь коллекторы тран-исторов лучше охлаждаются, поэтому с транзисторов можно спять большую мощность; надежность схемы прн этом повыпктст