1.5. Нелинейные искажения, вносимые выходным трансформатором

Первая разновидность таких искажений обусловлена нелинейностью кривой намагничивания магнитопровода. Часть тока первичной обмотки, называемая током намагничивания i_нам (или током холостого хода) и протекающая вследствие не бесконечно большого ее индуктивного со­противления , отстает по фазе на 90° от напряжения U₁ . Верхушки полуволн тока i_нам (рис.8,а) вытянуты из-за уменьшения магнитной проницаемости магнитопровода при больших токах.

Рис.8

Этот искаженный ток i_нам создает соответствующее падение напряжения на внутреннем сопротивлении R эквивалентного генератора. Из-за несинусоидальной формы U_r при синусоидальном U₁ будет искажена ЭДС е. В действительности мы задаем синусоидальное е. Поэтому искажено U₁, а значит, и напряжение на вторичной обмотке U₂. При уменьшении амплитуды входного напряжения либо при повышении частоты, ток i_нам а значит, и магнитный поток уменьшаются по амплитуде, нелинейная часть кривой намагничивания не используется эти искажения исчезают.

Для устранения описанных искажений надо уменьшать плотность магнитного потока (т.е. индукцию) в магнитопроводе. Этого можно достигнуть либо увеличением площади сечения магнитопровода, либо увеличением числа витков первичной обмотки (для сохранения прежнего коэффициента трансформации при этом придется увеличить и число витков вторичной обмотки), либо отказом от работы на очень низких частотах.

В трансформаторах, работающих с отсечкой тока в первичной об­мотке (каскада в режиме В или АВ), из-за паразитных колебательных контуров, образованных индуктивностями рассеяния и межвитковыми емкостями, в начале и в конце каждой полуволны тока коллектора возникают выбросы напряжения на первичной обмотке, как показано на рис.8б. В результате суммирования соседних полуволн полное выходное напряжение имеет выбросы в начале каждого полупериода (рис.8в). При повышении частоты амплитуда выбросов увеличивается. Но индук­тивность рассеяния первичной обмотки не сцеплена потоком с витками вторичной обмотки. Поэтому выбросы передаются в нагрузку значительно ослабленными.

Контрольные вопросы

1. Как нелинейность кривой намагничивания магнитопровода при­водят к нелинейным искажениям сигнала?

2. Какие искажения возникают из-за индуктивностей рассеяния первичной обмотки трансформатора?

1.6. Двухтактные каскады с бестрансформаторным выходом

Выходной трансформатор имеет высокую стоимость, большие размеры и массу, вносит частотные и нелинейные искажения и передает энергию в нагрузку с потерями: КПД выходного трансформатора обычно лежит в пределах 0,7 - 0,95. Кроме того, трансформатор вносит большие фазовые сдвиги на краях рабочего диапазона частот, что препятствует охвату оконечного каскада глубокой обратной связью, так как нарушает устойчивость (приводит к самовозбуждению). Поэтому широко применяются также бестрансформаторные двухтактные каскады усиления мощности. В них нагрузка подключается к транзисторам непосредственно или через разделительный конденсатор.

Одна из схем двухтактного каскада без выходного трансформатора приведена на рис. 9а.

Рис.9

С двух одинаковых вторичных обмоток фазоинверсного трансформатора TI на входы транзисторов подаются два взаимно противофазных напряжения (их противофазность достигается перекрещиванием выводов одной из обмоток). Это обеспечивает поочередную работу транзисторов (режим В), так как исходное смещение не подается. В каждом плече применен свой источник питания с напряжением Еп/2 . Для обеспечения в соседние полупериоды взаимопротиположных направлений тока нагрузки Rн один из ее выводов подключен к разнополярным выводам источников питания. Другой вывод подключен к транзисторам. Пути токов в разные полупериоды показаны стрелками . Форма токов коллекторов, протекающих через источники питания плеч, соответствует i_к1 и i_к2 на рис.3в и г. Транзисторы включены по схеме с ОЭ.

Здесь источники питания плеч соединены последовательно и образуют один источник со средней точкой. Но ее можно не выводить, если последовательно с Rн включить конденсатор С достаточно большой емкости (рис. 9б). Работа каскада от этого не нарушится, так как протекает только переменный ток. Цепь нагрузки с конденсатором можно подключить не к средней точке источника, а к одному из его полюсов (рис. 9б).

В последней схеме напряжение источника Еп делится между транзисторами поровну. Поэтому разделительный конденсатор С заряжен до напряжения Еп/2 . Он выступает в роли источника питания в полупериод работы транзистора VT2 . в полупериод работы VТ1 конденсатор включается последовательно с источником Еп, а их напряжения вычитаются, и итоговое напряжение питания верхнего плеча Еп-Ес=Еп/2, т.е. такое же, как и нижнего плеча. Пути коллекторных токов показаны стрелками. Если включить делители напряжений из резисторов R1 - R4 для подачи начального смещения на транзисторы, то последние будут работать в режиме АВ или даже А.

Недостатком бестрансформаторных каскадов является то, что если Rн мало, то усиление каскада по напряжению, а значит, и по мощности, оказывается малым. Аналогичные потери усиления наб­людаются и в фазоинверсном каскаде, если он бестрансформаторный. Из-за пониженного усиления в бестрансформаторных усилителях приходится делать большее число каскадов, чтобы общий коэффициент усиления был равен требуемому.

Рис.9

Если на рис. 9 транзисторы взять взаимно противоположных типов прово­димости, так чтобы они соединялись эмиттерами, то получим схему рис.10 , не требующую фазоинверсного трансфор­матора TI. Здесь обоими транзисторами управляют одним и тем же входным напряжением. По своей структуре такой каскад является эмиттерным повторителем, и поэтому коэффициент пере­напряжению меньше единицы. Резистивный делитель R1-R4 служит для подачи начального смещения на транзисторы с целью перевода их в режим АВ. В качестве суммарного напряжения смещения двух транзисторов используется падение напряжения на R2+R3. Конденсатор С1 (как и С2) является разделительным. Во время работы напряжение на нем не изменяется, так как входной ток каскада (он в основном состоит из токов баз транзисторов) протекает в разные полупериоды в различных направлениях.

Контрольные вопросы

1. Расскажите, как работает каскад по схеме рис. 9 ,б.

2. Каковы преимущества и недостатки каскадов усиления мощности с бестрансформаторным выходом?

Дополнительная литература

1. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства. - М.: Радио и связь, 1992. С.123 - 129.

2. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.: Радио и связь, 1997. Телеком, 2001, С.136-143.

3. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1989. С.245 - 268.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

I. Краткое описание схемы лабораторного макета

Двухтактный каскад усиления мощности выполнен на низкочастотных германиевых сплавных транзисторах средней мощности типа П214, включенных по схеме с ОЭ. На схеме Т1 - фазоинверсный, а Т2 - выходной трансформатор, нагруженный на сопротивление нагрузки Rн=4 Ом.

Рис. 11

По постоянному току транзисторы включены по схеме эмиттерной стабилизации. Стабилизирующие резисторы R7-R9 создают отри­цательную обратную связь.

Переключатель S1 устанавливает режим работы каскада. В первых двух положениях он работает в режиме АВ, но в зависимости от положения переключателя меняется эквивалентное внутреннее со­противление генератора (источника) Rг входного сигнала, которое составляет 50 или 200 Ом. Выходное сопротивление звукового генератоpa ГЗ-109 (подключаемого к зажимам 1-2), пересчитанное к половине обмотки Т1, очень мало. Поэтому Rг приблизительно равно сумме R5 и добавочного сопротивления в цепи базы одного транзистора. В первом и втором положениях переключателя S1 смещение на базах транзисторов регулируется потенциометром R3. В третьем положении каскад работает в режиме А.

Для измерения тока, потребляемого коллекторными цепями, включен миллиамперметр РА. Он расположен на передней панели источника штанин. Рядом с ним находится вольтметр, показывающий напряжение питания Еп . К зажимам 5-6 подключается электронный вольтметр B3-41, измеряющий переменное напряжение на половине ТI обмотки выходного трансформатора. К зажимам 3-4 подключаются измеритель нелинейных искажений типа C6-1 и электронный осциллограф. За­жим 7 позволяет подавать на осциллограф напряжение с резистора R9, совпадающее по форме с суммарным током питания двух транзисторов.