Выбор схемы усилителя мощности НЧ

Возросший в последние годы интерес радиолюбителей к высококачественному звуковоспроизведению вызвал увеличение публикаций различных схем усилителей мощности низкой частоты. В предлагаемой статье сделана попытка систематизировать требования к схемам бестрансформаторных усилителей и помочь радиолюбителям критически подходить к выбору усилителя НЧ для повторения.

Основными эксплуатационными параметрами усилителей НЧ принято считать максимальную выходную мощность, диапазон рабочих частот при заданной неравномерности частотной характеристики, коэффициент нелинейных искажений. Эти сведения, как травило, приводятся во всех описаниях усилителей НЧ. Однако, как показывает

практика изготовления и эксплуатации усилителей, при выборе схемы усилителя мощности не меньшее значение имеют и такие параметры усилителей, как коэффициент полезного действия, температурная стабильность тока покоя и постоянного напряжения па выходе усилителя, выходное сопротивление, возможность питания от выпрямителя без стабилизатора, чувствительность к перегрузкам.

Для увеличения экономичности усилителя НЧ и уменьшения рабочей температуры выходных транзисторов желательно, чтобы коэффициент полезного действия усилителя был как можно больше. Этот параметр усилителей мощности тем выше, чем выше отношение амплитуды выходного сигнала к половине напряжения питания и чем меньше ток покоя выходных транзисторов. Поскольку ток покоя можно снижать только до определенного предела из-за необходимости устранения нелинейных искажений типа ступенька, для повышения к. п. д. следует стремиться, чтобы ток покоя мало менялся: при изменениях напряжения питания и

температуры окружающей среды, а также при нагреве выходных транзисторов. Наиболее полно этому требованию отвечает усилитель, в котором схема смещения транзисторов фазоинвертерного каскада состоит из одного или нескольких диодов или стабилитронов, включенных в прямом направлении, и делителя из подстроечного резистора и термистора. имеющего тепловой контакт с выходными транзисторами.

Для повышения амплитуды выходного напряжения следует применять выходные транзисторы с возможно меньшим значением сопротивления насыщения, а предварительный каскад строить по схеме, обеспечивающей наибольшую амплитуду сигнала на базах транзисторов фазоинвертерного каскада. Для этого в схеме предварительного каскада усилителя мощности должна обязательно присутствовать вольтодобавка, а сопротивление в эмиттериой цепи транзистора этого каскада должно быть минимальным или совсем отсутствовать. В то же время должны быть предприняты меры для жесткой стабилизации постоянного напряжения в точке соединения выходных транзисторов при изменении температуры.

Для обеспечения хороших демпфирующих свойств усилителей, их выходное сопротивление Н_вых должно быть по крайней мере в 3—5 раз меньше сопротивления нагрузки. Дальнейшее уменьшение R_вых не имеет особого смысла, так как в цепь демпфирующего тока, возникающего за счет э. д. с. катушки громкоговорителя, кроме выходного сопротивления входит сопротивление нагрузки.

Выходное сопротивление бестрансформаторного усилителя НЧ определяется выходным сопротивлением предварительного каскада усилителя, деленным на произведение коэффициентов усиления транзисторов фазоинверсного и выходного каскадов (одного плеча). Упоминавшаяся выше вольтодобавка обычно вводится с помощью положительной обратной связи, напряжение которой с выхода усилителя подается на отвод сопротивления нагрузки предварительного каскада усилителя. Положительная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления усилителя. Напротив, глубокая отрицательная обратная связь резко снижает выходное сопротивление и нелинейные искажения. Такие усилители, как правило, имеют меньшее выходное сопротивление, чем усилители без обратных связей.

Экспериментально выходное сопротивление усилителя НЧ можно определить, пользуясь методом предложенным И. Акулиничевым (см. Радио, 1974, № 1), или как отношение изменения величины выходного напряжения усилителя ДU_вых к изменению выходного тока ДI_вых при изменении сопротивления нагрузки и постоянной амплитуде входного сигнала. Определить выходное сопротивление усилителя, уменьшая сопротивление нагрузки до такой величины, при которой при фиксированном входном сигнале выходное напряжение падает вдвое (способ, широко применяемый для маломощных линейных устройств), обычно не удается, так как в этом случае до недопустимой величины возрастает коэффициент нелинейных искажений и транзисторы перегружаются по току.

Питание усилителя от нестабилизированпого источника питания со значительными пульсациями сильно упрощает конструкцию усилителя. Оно возможно в усилителях, в которых приняты меры для предотвращения прохождения пульсаций в предварительные каскады усилителей, а также в цепь отрицательной обратной связи. Чтобы напряжение пульсаций не попало в цепь обратной связи, один из выводов нагрузки должен быть непосредственно подключен к общему проводу, а сигнал обратной связи должен сниматься с другого вывода нагрузки. В случае симметричного питания транзисторов выходного каскада средняя точка, образованная двумя последовательно включенными конденсаторами, должна быть обязательно соединена с общим проводом, что практически эквивалентно двум отдельным источникам питания.

Усилители обязательно должны иметь защиту от перегрузок и коротких замыканий на выходе, в простейшем случае — плавкие предохранители.

Усилитель питается от двух нестабилизнрованных источников, общая точка которых заземлена. Низкое выходное сопротивление обеспечивается глубокой отрицательной обратной связью по переменному напряжению, для обеспечения высокого к, п. д. применена вольтодобавка и жесткая стабилизация постоянного напряжения за счет еще более глубокой обратной связи по постоянному напряжению. Недостатком схемы является невозможность раздельной подстройки тока покоя и постоянного напряжения на выходе усилителя. Для его устранения в схему целесообразно ввести дополнительные резисторы и конденсатор, показанные на рисунке.

Поэтому при питании от источника, имеющего большой уровень пульсаций, к нагрузке через емкостный делитель С7, С8 оказывается приложенной половина напряжений пульсаций источника (в точке 4 схемы пульсаций нет).

Усилитель, выполненный по схеме, опубликованный в журнале Радио N° 8 за 1973 г., стр. 60, отличается от только что рассмотренного в основном тем, что один вывод нагрузки заземлен, сигнал отрицательной обратной связи по переменному напряжению снимается непосредственно со второго вывода нагрузки и поэтому для питания усилителя может с успехом применяться источник со значительными пульсациями. Стабильность тока покоя в этом усилителе хуже, чем в предыдущих, поэтому для смещения транзисторов фазоинвертерного каскада целесообразно применить цепь диоды — резистор — термистор, как указывалось выше.

Эффективность схем защиты двух последних усилителей достаточно высока, но применение плавких предохранителей в них совершенно обязательно.

На основании изложенных выше положений можно сделать следующие выводы:

1) Для обеспечения максимального к. п. д. усилителя в схеме должна присутствовать вольтодобавка и осуществляться жесткая стабилизация тока покоя и постоянного ...напряжения на выходе усилителя.

2) Для получения низкого выходного сопротивления и малых нелинейных искажении необходима глубокая отрицательная обратная связь по переменному напряжению.

3) Чтобы усилитель можно было питать от простейшего выпрямителя со значительными пульсациями, один из выходных зажимов усилителя должен быть обязательно заземлен, а сигнал отрицательной обратной связи сниматься со второго выходного зажима усилителя.

4) Усилитель обязательно должен иметь защиту от перегрузок.