14-12. Многокаскадные ламповые усилители

а) Усилители напряжения на сопротнвленних

Двухкаскадный реостатный усилительно триодами (рис. 14-37), применяется для усиления Переменного напряжения в широком диапазоне частот от нескольких герц до 100 кГц и выше.

Режим работы триода определяется напряжением источника питания анодной цепи и напряжением сеточного смещения которое создается автоматически постоянной составляющей анодного тока как это было показано в § 14-5.

Рис. 14-37. Схема двух каскадного реостатного усилителя напряжения с триодами.

При работе триода в схеме усилителя напряжения необходимо, чтобы при любом значении входного напряжения потенциал сетки по отношению к катоду был отрицателен, так как при положительном потенциале сетки возникает сеточный ток, а созданное им падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала вызовет искажение сигнала, что недопустимо.

Обычно к сетке подводится отрицательное напряжение смещения порядка нескольких вольт.

Резисторы обеспечивают передачу на сетки постоянного отрицательного потенциала напряжения относительно катода; кроме того, они обеспечивают стекание с сетки зарядов, попавших на них случайно.

Сопротивления имеют значение от 100 кОм до 1 МОм.

Сопротивления резисторов анодной нагрузки для триодов имеют значение порядка десятков килоом.

Конденсатор является разделительным. Он устраняет возможность прохождения постоянной составляющей тока нагрузки первого каскада через резистор включенный на входе второго каскада. Следовательно, напряжение на сетке второго триода не зависит от постоянной составляющей тока в анодной цепи первой лампы. Однако разделительный конденсатор должен обладать для переменных составляющих тока сопротивлением, во много раз (в ) меньшим, чем Емкость разделительного конденсатора обычно составляет тысячи или десятки тысяч пикофарад. Ее можно определить из соотношения

(14-26)

Рис. 14-38. Полная схема замещения усилителя.

Входное переменное напряжение вызывает в анодной цепи первой лампы пульсирующий ток. Постоянная составляющая этого анодного тока проходит через выходной резистор но не может пройти через разделительный конденсатор в сеточный резистор Часть переменной-составляющей анодного тока первой лампы проходит через конденсатор и сеточный резистор второй лампы, создает на нем напряжение, представляющее собой выходное напряжение первого каскада . Это напряжение в то же время является входным для второго каскада которое после усиления второй лампой поступает на выходные зажимы второго каскада

При изучении процесса усиления переменного напряжения полезно рассмотреть эквивалентную схему (рис. 14-38). При этом усилительную лампу можно заменить генератором с и внутренним сопротивлением (см. § 14-5). При рассмотрении эквивалентной схемы цепи для переменного тока источники питания постоянного тока можно замкнутыми накоротко.

Учитывая сказанное, анодное сопротивление следует подключить непосредственно к этому генератору. Напряжение на резисторе является выходным для первого каскада. Оно через конденсатор подается на входной резистор второго каскада Параллельно сопротивлению резистора включена емкость представляющая собой сумму выходной емкости каскада входной емкости лампы и емкости проводов сеточной цепи первой лампы т. е.

Таким образом, на рис. 14-38 дана полная схема замещения двухкаскадного усилителя. В диапазоне средних частот (200 — 2 000 Гц) влиянием емкости разделительного конденсатора и емкости можно пренебречь и эквивалентная схема может быть упрощена (рис. 14-39).

Рис. 14-39. Схема замещения усилителя для средних частот.

Заменив сопротивление двух параллельных ветвей одним эквивалентным, получим:

Коэффициент усиления каскада на средних частотах можно определить, учитывая (14-13):

Усилители на резисторах получили широкое применение вследствие ряда положительных свойств: незначительные искажения сигнала, хорошая частотная характеристика, простота схемы, малые габариты, масса и низкая стоимость.

Из недостатков усилителя необходимо отметить большое падение напряжения на резисторе от постоянной составляющей анодного тока большое напряжение источника питания.

б) Усилители напряжения на трансформаторах

В усилителях с трансформаторной связью (рис. 14-40) в анодную цепь первой лампы включена первичная обмотка повышающего трансформатора . Под действием переменной составляющей анодного тока первой лампы во вторичной обмотке трансформатора индуктируется э. д. с., которая воздействует на потенциал сетки второй лампы .

В анодную цепь второй лампы также включена первичная обмотка повышающего трансформатора вторичная обмотка которого присоединена к нагрузке или к сетке лампы следующего каскада.

Естественно, при трансформаторной связи разделительный конденсатор не нужен, так как анодная цепь первой лампы электрически не связана с сеточной цепью второй лампы и поэтому постоянная составляющая анодного тока не может проникнуть из первой цепи во вторую.

Рис. 14-40. Схема двухкаскадного усилителя на трансформаторах.

Применение повышающего трансформатора позволяет коэффициент усиления напряжения К каждого каскада сделать больше статического коэффициента усиления лампы данного каскада.

Допустим ради упрощения, что ток холостого хода и потери в трансформаторе равны нулю. Следовательно, при входном напряжении трансформатора выходное напряжение, подведенное к сетке второй лампы, - а коэффициент усиления напряжения каскада

(14-28)

Таким образом, применение повышающего трансформатора позволяет получить увеличение коэффициента усиления напряжения каскада. Коэффициент трансформации междукаскадного трансформатора не превышает 3—5, так как увеличение его может вызвать увеличение магнитных потоков рассеяния и паразитных емкостей трансформатора, что в свою очередь может привести к снижению коэффициента усиления напряжения.

Эквивалентная схема одного каскада усилителя на трансформаторах дана на рис. 14-41, а.

Как и в схеме рис. 14-38, лампа заменена генератором с э. д. с. и с внутренним сопротивлением Первичная обмотка трансформатора представлена на схеме активным сопротивлением и реактивным сопротивлением рассеяния

Рис. 14-41. Схемы замещения трансформаторного усилителя: а — полная; б — для средних частот: в — для высоких частот.

Рабочий магнитный поток трансформатора обусловливает основную индуктивность и соответственно реактивное сопротивление Все элементы схемы вторичной цепи трансформатора пересчитаны согласно (9-10) на первичную обмотку и обозначены соответствующими буквами со штрихами. Вторичная обмотка на эквивалентной схеме определена активным сопротивлением и индуктивностью рассеяния Емкость аналогична таковой на схеме рис. 14-38 и учитывается только на высших частотах.

При средних частотах можно пренебречь влиянием индуктивностей вследствие чего схема упрощается (рис. 14-41, б).

При высших частотах (рис. 14-41, б) влиянием шунтирующей индуктивности можно пренебречь, а индуктивности рассеяния можно заменить одной эквивалентной

При повышении частоты в контуре с возможен резонанс напряжений, что приводит к увеличению коэффициента усиления (рис. 14-42).

Рис. 14-42. Частотная характеристика усилителя на трансформаторах.

Включение шунта (рис. 14-41, а) параллельно конденсатору выводит схему из резонанса и устраняет пик в частотной характеристике усилителя.

Уменьшение частоты в области низких частот сопровождается уменьшением индуктивного сопротивления что вызывает увеличение тока и падение напряжения на резисторе и соответственно уменьшение выходного напряжения и коэффициента усиления, так что частотная характеристика с уменьшением частоты падает (рис. 14-42).

Наряду с достоинствами усилителя на трансформаторах (больший коэффициент усиления напряжения и меньшее анодное напряжение по сравнению с усилителем на сопротивлениях) он обладает рядом следующих недостатков; сложность устройства, большие искажения сигнала, большие габариты, масса и стоимость. Поэтому усилители напряжения на трансформаторах применяются сравнительно редко.

в) Понятие об усилителях мощности

Усилитель мощности низкой частоты обычно является конечным каскадом усилительного устройства (например, радиоприемника).

Нагрузкой его может служить электромагнитное реле, репродуктор или телефон.

Схемы усилителя мощности и усилителя напряжения аналогичны друг другу, но требования, предъявляемые к ним, различны, так же как различны элементы схем и их параметры.

Усилитель мощности должен развивать в заданной нагрузке наибольшую мощность (ток), причем коэффициент нелинейного искажения не должен выходить за допустимые границы.

Простейшая схема каскада усилителя мощности низкой частоты дана на рис. 14-43, а, а на рис. 14-43, б — его эквивалентная схема.

Мощность, развиваемая переменным током в нагрузке (14-13),

Умножив числитель и знаменатель дроби на величину получим:

заменив согласно (14-7) и и обозначив отношение — коэффициентом нагрузки, получим окончательно:

(14-29)

Рис. 14-43. Простейшая схема каскада усилителя мощности низкой частоты и его эквивалентная схема.

Из (14-29) следует, что выходная мощность каскада зависит от добротности лампы G, входного напряжения , коэффициента нагрузки а, точнее от функции

Таким образом, для получения наибольшей мощности от каскада усилителя необходимо 1) применение по возможности большего входного напряжения, по исключающего нелинейные искажения; 2) применение лампы с высокой добротностью или что то же с большими коэффициентом усиления и крутизной характеристики; 3) выбор наивыгоднейшей величины .

При коротком замыкании нагрузки, т. e. при , а также при отключении нагрузки, т. е. при мощность, развиваемая в нагрузке, равна нулю, так как в первом случае а во втором

Для нахождения сопротивления нагрузки при котором мощность нагрузки имеет наибольшее значение, возьмем первую производную и приравняем ее нулю:

отсюда получим:

и Следовательно, наибольшая мощность выделяется при

При более подробном анализе этого вопроса оказывается, что сопротивление нагрузки целесообразно повышать до двукратного значения внутреннего сопротивления триода, т. е. , что соответствует значению

Рис. 14-44. Схема усилителя мощности с выходным трансформатором.

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет равенству то его непосредственно включают анодную цепь (рис. 14-43).

На практике чаще встречается случай, когда например, сопротивление громкоговорителя имеет значение 3—20 Ом, а внутреннее сопротивление триода около 1 кОМ. В этом случае необходимо применить выходной понижающий трансформатор (рис. 14-44), для согласования нагрузки. Согласование состоит в том, что для каждой нагрузки подбирают такой коэффициент трансформации трансформатора, при котором мощность в, заданном сопротивлении будет наибольшей, т. е. такой же, как и в сопротивлении , при котором если его непосредственно включить в анодную цепь.

Если коэффициент трансформации трансформатора , то сопротивление нагрузки, приведенное к первичной цепи (9-10), .

Величина должна быть равна и при заданном необходимый коэффициент трансформации определяется из выражения

(14-30)

Пример 14-4. Определить коэффициент трансформации выходного трансформатора, если внутреннее сопротивление лампы Ом, а сопротивление нагрузки Ом.

Решение. Коэффициент, трансформации выходного трансформатора

г) Применение пентода для усилителя

Каскад усилителя на пентоде может дать большее усиление, чем на триоде (§ 14-8).

Схема реостатного усилительного каскада с пентодом дана на рис. 14-15.

Все сказанное в § 14-12, а в отношении каскада реостатного усилителя с триодом (рис. 14-37) в основном остается справедливым и в отношении каскада усилителя с пентодом.

Рис. 14-46. Схема реостатного усилительного каскада с пентодом.

В усилителях на триодах сопротивление анодной нагрузки составляет 2—5 внутреннего сопротивления триода а в усилителях на пентодах .

При применении пентода защитная сетка соединяется с катодом лампы, а в цепь питания его экранирующей сетки включаются резистор и конденсатор . В цепи экранирующей сетки проходит ток . Величина сопротивления резистора выбирается из условия создания необходимого, нормального для данного типа пентода, постоянного напряжения на экранирующей сетке — и обычно составляет сотни килоом.

При воздействии на вход усилителя переменного напряжения, подлежащего усилению, ток экранирующей сетки и анодный ток будут изменяться, что не должно вызвать изменения Это постоянство достигается применением конденсатора емкость которого должна быть достаточно большой .