Усилители мощности

Для борьбы с искажениями типа "ступенька" на базы транзисторов выходного каскада УМЗЧ подают небольшое начальное напряжение смещения, устанавливая режим класса В. или. чтобы гарантировать отсутствие искажений, класса АВ, пропуская небольшой начальный ток через транзисторы - ток покоя.

Другой способ - введение отрицательной обратной связи (ООС). снижающей искажения. Часто оба варианта используют совместно.

Поскольку делитель напряжения, предназначенный для создания начального смещения, потребляет некоторый ток. удобно использовать ток предоконечного каскада, усиливающего напряжение и работающего в режиме класса А.

Схема УМЗЧ с предоконечным усилительным каскадом и однополярным питанием приведена на рис. 38.

Рассмотрим его работу подробнее.

Входной сигнал через разделительный конденсатор С1 подается на базу транзистора VT1 предоконечного каскада. Смещение же поступает через резистор R1. Вообще-то, как мы видели ранее, этот резистор должен бы подключаться между базой и коллектором транзистора VT1. Однако, учитывая, что выходной каскад является эмиттерным повторителем, лучше все-таки подключить его к выходу, где напряжение по постоянному току такое же, но ООС будет охватывать и выходной каскад, снижая искажения сигнала.

В коллекторную цепь транзистора предусилительного каскада включен в прямом направлении диод VD1, падение напряжения на котором и создает начальное смещение на базах транзисторов выходного каскада. Можно было бы включить вместо диода резистор с небольшим сопротивлением, но диод обеспечивает лучшую температурную стабильность всего усилителя.

Дело в том, что с ростом температуры уменьшается напряжение база-эмиттер выходных транзисторов, необходимое для обеспечения выбранного тока покоя. Прямое напряжение на диоде также уменьшается с ростом температуры, что не дает току покоя возрастать. У мощных усилителей этот диод размещают на радиаторе выходных транзисторов. Для регулировки тока покоя подбирают число диодов, включенных вместо VD1 последовательно или параллельно. Можно добавить к диодам и подстроечный резистор.

Усиленный выходным каскадом по току сигнал поступает через разделительный конденсатор большой емкости С2 на динамическую головку ВА1. Конденсатор C3, также большой емкости, шунтирует источник питания. Он нужен, когда батарея питания частично разряжена и ее внутреннее сопротивление возросло. Тогда конденсатор, накапливая энергию батареи, обеспечивает отдачу больших импульсов тока в нагрузку на пиках громкости. При сетевом питании им может служить сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Обратите внимание на подсоединение резистора нагрузки предоконечного каскада - не к плюсу источника питания, а к выводу динамической головки ВА1. На режиме усилителя по постоянному току это не сказывается, так как сопротивление головки мало, но работа усилителя на звуковых частотах заметно улучшается в результате возникающей "вольтодобавки". Когда на входе усилителя действует положительная полуволна сигнала, ток транзистора VT1 увеличивается, а напряжение на его коллекторе падает, формируя отрицательную полуволну выходного сигнала. При этом часть коллекторного тока ответвляется в переход база-эмиттер транзистора VT3, открывая его.

Когда же на входе усилителя действует отрицательная полуволна входного сигнала, транзисторы VT1 и VT3 закрываются, a VT2 открывается током, текущим через резистор нагрузки R2. Если его сопротивление значительно, транзистор VT2 открывается хуже, чем VT3. что приводит к ограничению положительных полуволн выходного сигнала, т.е. к искажениям. Подсоединив резистор R2 к нижнему по схеме выводу динамической головки, мы в значительной мере устраняем эти искажения, поскольку мгновенное напряжение на этом выводе при положительной полуволне выходного сигнала становится больше напряжения питания. Это и обеспечивает лучшую "раскачку" транзистора VT2.

В заключение приведем ориентировочный расчет данного усилителя. Допустим, что напряжение питания составляет 6 В и сопротивление динамической головки 6 Ом (вы можете использовать и другие данные). Из осциллограмм видно, что амплитуда выходного сигнала не может превысить половину напряжения питания, т.е. 3 В. Максимальная амплитуда тока в головке составит, следовательно, 3 В/6 Ом = 0.5 А. Максимальная выходная мощность усилителя равна половине произведения амплитудных значений тока и напряжения и составит 0.75 Вт. Средний ток, потребляемый от источника питания в случае установки режима класса В. составляет 0,32 пикового значения, т.е. 175 мА, а потребляемая мощность - 1.05 Вт. В режиме класса АВ и ток. и потребляемая мощность несколько больше. Отсюда ясно, что в выходном каскаде надо использовать транзисторы средней мощности.

Расчет предоконечного каскада еще проще. Если мы зададимся статическим коэффициентом передачи тока выходных транзисторов (скажем, 50). то можем определить амлитуду переменного тока в их базах. Она составит 0.5 А / 50 = 10 мА. Таким же должен быть и ток коллектора предоконечного каскада. Поскольку на резисторе нагрузки R2 падает половина напряжения питания, определяем его сопротивление: 3 В / 0,01 А = 300 Ом.

Сопротивление резистора R1 находим, умножив сопротивление нагрузки на статический коэффициент передачи тока транзистора VT1. Если он равен, например, 100, то сопротивление составит 30 кОм. Этот резистор проще подобрать экспериментально, измеряя напряжение на эмиттерах выходных транзисторов - оно должно составлять половину напряжения источника питания.

Из такого приближенного расчета ясно, что для повышения экономичности и эффективности УМЗЧ выгодно применять транзисторы с высоким значением коэффициента передачи тока.