16. Оконечные и предоконечные каскады - усилители мощности

Формально предоконечные каскады (драйверы, от английского слова drive - возбуждать, задавать, раскачивать) относятся к усилителям напряжения, т. е. к предварительным каскадам, однако мы умышленно говорим о них в этом, а не в предыдущем параграфе, чтобы подчеркнуть, что по характеру работы и по режимам использования драйверы значительно ближе к оконечным усилителям, т. е. усилителям мощности.

Для Hi-Fi усилителей характерна значительная величина выходной мощности порядка 15-50 вт. Это значит, что для возбуждения (раскачки) оконечного каскада без заметных нелинейных искажений уже требуется мощность порядка 1-5 вт, при напряжении до 25-35 в, а если учесть требования к уменьшению нелинейных искажений, то становится ясным, что обычные маломощные триоды не могут обеспечить возбуждения мощных оконечных ламп. Поэтому логичным и оправданным становится использование в последнем каскаде усиления напряжения мощных ламп.

Еще в большей мере сказанное относится к транзисторным усилителям, так как для мощных транзисторов коэффициент усиления по мощности редко превышает цифру 10. Для таких схем оправдано включение не одного, а двух предоконечных каскадов с последовательным возрастанием мощности в отношении от 5:1 до 8:1.

Возможно, что теоретически более правильно предоконечные каскады во всех случаях делать трансформаторными или дроссельными, чтобы получить наибольшую величину коэффициента использования по анодному напряжению ξ, однако есть несколько соображений, почему этого делать не следует.

Трансформаторный каскад всегда вносит заметные частотные искажения, а при мощностях свыше 1-2 вт и ощутимые нелинейные искажения. К тому же трансформаторы относительно дороги, сложны и трудоемки в изготовлении, тяжелы и громоздки, чувствительны к магнитным наводкам и одновременно являются источником наводок звуковой частоты для других цепей усилителя (в первую очередь входных).

В то же время в распоряжении радиолюбителей сейчас имеются отличные лампы и транзисторы средней мощности, широкополосные и экономичные, позволяющие без труда получить неискаженную мощность порядка 2-4 вт на активном сопротивлении нагрузки. К ним в первую очередь нужно отнести лампы типов 6П15П, 6Э1П, 6Ф3П, 6Ф4П, 6Ф5П, 6Ж5П, 6Ж9П и транзисторы серий П601 - П603, 1Т403-А - 1Т403, П701 - П702, КТ801-А и др.

Впрочем, если для ламповых предоконечных усилителей мы за реостатные схемы, то в транзисторных усилителях к этому вопросу нужно подходить более осторожно. В ряде случаев по соображениям более простого согласования целесообразно использовать трансформаторную связь. На рис. 28 и 29 приведены схемы предоконечных усилителей на лампах и транзисторах.

Рис. 28. Предоконечные каскады для возбуждения мощных оконечных ламп (35-100 вт). а - на лампе 6Ж5П (Р_вых = 0,7 вт); б - на лампе 6П15П (Р_вых = 1,5 вт); в - двухтактный драйвер на лампе 6Н6П с балансировкой по постоянному и переменному току

Рис. 29. Предоконечные каскады на транзисторах. а - трансформаторный каскад с индуктивной линеаризирующей обратной связью; б - эмиттерный повторитель на транзисторе 1Т403 А; в - 'двухэтажная' двухтактная схема с трансформаторным входом и однотактным выходом

Оконечные усилители мощности целесообразно разделить на высокочастотные и низкочастотные. Такое разделение имеет смысл потому, что в двухканальных усилителях соотношение мощностей НЧ и ВЧ каналов не должно быть равно единице, а поэтому и схема и конструкция более мощных НЧ каскадов, рассчитанных на номинальную мощность 25-50 вт, будут иными, чем для ВЧ каскадов с выходной мощностью 4-10 вт. И хотя в ряде случаев можно сделать одноканальный широкополосный УНЧ мощностью 10-15 вт с разделением спектра на выходе индуктивно-емкостными фильтрами, более высокие качественные показатели обеспечивает система с разделением каналов на входе и самостоятельными выходами на разные акустические системы. При этом удается устранить так называемые интермодуляционные искажения - искажения, обусловленные паразитной модуляцией высокочастотных составляющих сигнала низкочастотными.

Для оконечных НЧ каскадов мощностью до 10-12 вт радиолюбители в подавляющем большинстве случаев используют лампы тира 6П14П отчасти потому, что эти лампы довольно легко обеспечивают получение указанной мощности, но в основном потому, что других подходящих для этой цели ламп у нас, к сожалению, нет. Такую устаревшую, хотя и очень неплохую лампу, как 6П3С (6L6) в наше время рекомендовать нельзя, а более мощных специальных ламп для оконечных каскадов УНЧ по типу немецкой EL-34 наша промышленность не выпускает.

Нередко пытаются путем форсирования режима получить большую мощность от тех же ламп 6П14П, однако такой путь совершенно недопустим из-за резкого ухудшения надежности усилителя и возрастания нелинейных искажений при появлении сеточного термотока.

Учитывая сказанное, мы рекомендуем радиолюбителям применять лампы 6П14П в любых двухтактных схемам только при мощностях, не превосходящих 10 вт. При большей выходной мощности надо переходить на такие явно не "низкочастотные" лампы, как 6П31С, 6П36С, 6П20С, ГУ-50, 6Н13С (6Н5С) как в классических двухтактных и ультралинейных схемах, так и в менее знакомых радиолюбителям мостовых схемах, называемых также двухтактно-параллельными.

Первые три из указанных ламп предназначены для использования в оконечных каскадах строчной развертки телевизоров и позволяют снимать с двух ламп мощность не менее 25 вт, генераторная лампа ГУ-50 при анодном напряжении 500-750 в (а она по паспорту имеет U_а.раб = 1000 в) легко отдает в двухтактной схеме мощность 40-60 вт; двойной триод 6Н13С, сконструированный специально как управляющая лампа в схемах электронных стабилизаторов напряжения, имеет очень низкое внутреннее сопротивление и при сравнительно небольшом анодном напряжении позволяет получить в обычной двухтактной схеме мощность не менее 15 вт (на один баллон), а при включении в каждом плече по два триода параллельно (два баллона) в обычной двухтактной и в мостовой схемах обеспечивает выходную мощность 25-30 вт. Используя перечисленные лампы, радиолюбитель получает большой выбор для творческой деятельности. На рис. 30 приведены несколько схем оконечных каскадов с указанными лампами.

Рис. 30. Мощные оконечные каскады низкочастотного частичного тракта УНЧ. а - на лампах 6П36С в ультралинейном включении; б - на лампах ГУ-50 в двухтактно-параллельной схеме; в - на лампах 6Н13С с балансировкой в цепи фиксированного смещения

Поскольку все эти схемы мы рассматривали как низкочастотные, т. е. рассчитанные на ограниченную полосу пропускания (не свыше 5-8 кгц), ничего не говорилось о выходных трансформаторах, дросселях, и автотрансформаторах. Все они - самые обычные, собранные на Ш-образных или ленточных сердечниках из простой трансформаторной стали толщиной 0,35 мм.

К конструкции каркаса и обмоткам не предъявляется повышенных требований, за исключением высокой степени симметрии отдельных половин первичной обмотки. Это требование особенно существенно для ультралинейных схем включения оконечных ламп. Величины индуктивности рассеяния и емкости первичной обмотки не существенны.

Вторичные обмотки при мощностях свыше 10 вт надо наматывать возможно более толстым проводом для уменьшения активных потерь. Желательно сделать несколько отводов, чтобы подобрать наилучший режим работы оконечного каскада. Подробнее мы рассмотрим этот вопрос в следующем параграфе.

Высокочастотные оконечные каскады двухканальных Hi-Fi усилителей существенно отличаются от низкочастотных, поэтому и рекомендации относительно них будут другими. Прежде всего это относится к типам ламп и транзисторов.

Поскольку мощность высокочастотных каналов даже в усилителях экстра-класса лежит в пределах 10-12 вт, наиболее подходящими будут лампы 6П14П и 6Н13С. Наилучшие схемы включения - двухтактная ультралинейная, мостовая на 6П14П в триодном включении и "двухэтажная" на 6Н13С.

Относительно последней схемы, наиболее часто встречающийся вариант которой приведен на рис. 31, можно сказать, что хотя она и не нова в теоретическом смысле, однако массовое распространение в радиовещательной аппаратуре получила только в 1960-1965 гг. Как это нередко бывает, схема стала очень распространенной, причем, говоря о достоинствах схемы, обычно умалчивали о ее недостатках. Попробуем объективно оценить и те и другие.

Рис. 31. Одна из наиболее распространенных схем оконечного каскада с последовательным включением ламп по постоянному току

Последовательное включение двух ламп по постоянному току равносильно тому, что по переменному току обе они относительно нагрузки включены параллельно, в силу чего их общее внутреннее сопротивление фактически вчетверо меньше, чем у обычного двухтактного каскада. Если для такой схемы взять лампы, внутреннее сопротивление которых ниже обычного, а в качестве нагрузки использовать сравнительно высокоомные громкоговорители, то оказывается, что выходной трансформатор по расчету имел бы в этом случае коэффициент трансформации, близкий к единице или, во всяком случае, измеряемый единицами.

Тогда оказывается возможным подключить нагрузку к лампам непосредственно, без выходного трансформатора. Это, разумеется, является безусловным достоинством схемы.

Однако за это достоинство приходится дорого расплачиваться. Прежде всего непосредственное включение нагрузки все-таки оказывается невозможным из-за наличия в точках ее включения половины напряжения источника питания (120-150 в). Поэтому громкоговорители приходится включать через разделительный конденсатор, емкость которого прямо связана с активным сопротивлением нагрузки и нижней границей полосы пропускания.

Действительно, если допустимая потеря напряжения полезного сигнала на разделительном конденсаторе составляет 10% от величины самого сигнала, то при R_H = 20 ом и f_нижн = 40 гц реактивное сопротивление конденсатора не должно превышать 2 ом, откуда его емкость будет равна:

Ясно, что такую емкость может иметь только электролитический конденсатор, но при этом нужно помнить, что его рабочее напряжение должно быть по крайней мере не ниже полного напряжения источника питания, т. е. 300-350 в. И тогда оказывается, что стоимость такого конденсатора ничуть не ниже стоимости выходного трансформатора, тем более, что трансформатор в отличие от конденсатора радиолюбитель в случае необходимости всегда может изготовить сам.

Конечно, можно изготовить громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки не 20, а 200 ом, что позволит при тех же условиях уменьшить емкость разделительного конденсатора до 200 мкф, однако в этом случае резко возрастает стоимость громкоговорителя.

Впрочем, это не единственный недостаток данной схемы. Второй состоит в том, что при последовательном включении ламп по постоянному току к каждой из них оказывается приложена только половина напряжения анодного источника, поэтому схема может хорошо работать только на специальных лампах, номинальное анодное напряжение которых не превышает 100-150 в. Однако большинство ламп подобного типа имеют незначительную максимальную отдаваемую мощность, редко превышающую единицы ватт.

Кроме того, исследования показали, что при использовании пентодов эта схема принципиально несколько асимметрична, что делает ее мало пригодной для оконечных НЧ каскадов Hi-Fi усилителей.

В высокочастотных каскадах первый недостаток сразу же отпадает, поскольку при выбранных в предыдущем расчете величинах и нижней границе ВЧ канала f_нижн = 2000 гц величина емкости разделительного конденсатора становится равной

причем в этом случае десятипроцентная потеря сигнала будет иметь место только в самой худшей, практически нерабочей части полосы пропускания, а на f_верх = 20 кгц потери сигнала составят всего лишь 1%. Кроме того, требуемая выходная мощность для оконечного ВЧ каскада значительно меньше, чем для НЧ каскада, что позволяет использовать в этой схеме двойной триод 6Н13С, имеющий низкое внутреннее сопротивление и хорошо работающий при низких анодных напряжениях. Практическая схема такого каскада приведена на рис. 32.

Рис. 32. Практическая схема 'двухэтажного' оконечного каскада на двойном триоде 6Н13С (6Н5С)

Если мощность ВЧ канала не превышает 2-3 вт, можно собрать оконечный каскад по схеме рис. 33 на дампах типов 6Ф3П или 6Ф5П. Выходной трансформатор для этой схемы собирают на ленточном сердечнике при толщине ленты не более 0,2 мм либо на Ш-образном пермаллое. Для того, чтобы ультралинейная схема дала ощутимый результат и нелинейные искажения действительно были порядка 0,2-0,5%, точку отвода первичной обмотки нужно в каждом случае подбирать опытным путем непосредственно по результатам измерений к.н.и. в процессе налаживания усилителя. Для этого при намотке трансформатора у каждой половины первичной обмотки нужно предусмотреть по 4-6 отводов.

Рис. 33. Двухтактный высокочастотный оконечный каскад на лампах 6Ф3П или 6Ф5П (Р_вых = 2,5 вт)

Для транзисторных усилителей "двухэтажная" схема, напротив, оказывается предпочтительнее всех остальных. Это объясняется низкими величинами внутреннего сопротивления мощных транзисторов и коллекторного напряжения (по сравнению с лампами). Поэтому обеспечивается отличное согласование каскада с нагрузкой даже при использовании обычных низкоомных громкоговорителей, например, типа ВГД.

Кроме того, разделительный конденсатор оказывается небольших размеров даже при емкости 2000-5000 мкф, поскольку его рабочее напряжение не превышает 20-30 в. Такие схемы широко распространены и радиолюбителям хорошо известны, поэтому мы ограничимся приведением на рис. 34 одной из них. Напомним только, что привычные для этих схем типы транзисторов П201-П203, П4, МП214-МП217 оказываются непригодны для оконечных каскадов высокочастотных Hi-Fi усилителей из-за низкой граничной частоты усиления, поэтому мы рекомендуем при небольших мощностях использовать радиочастотные генераторные транзисторы типов П601-П603, П701-П702 и др.

Рис. 34. 'Двухэтажный' оконечный каскад на транзисторах типа 1Т403А (Рвых = 2,0 вт)

Так же хорошие результаты обеспечивают и мостовые схемы на четырех транзисторах, одна из которых приведена на рис. 35.

Рис. 35. Оконечный каскад по мостовой схеме на четырех транзисторах