Рис. 52. Чем выше к. п. д. усилителя, тем больше выходная мощность при неизменной потребляемой мощности.
В усилителях НЧ главная арена борьбы за повышение к. п. д. — это анодные цепи ламп выходного каскада. Уменьшить мощность, потребляемую накальными цепями, мы не можем: для данного типа лампы напряжение и ток накала ни при каких обстоятельствах уменьшать нельзя. Экономить энергию, потребляемую в анодных и экранных цепях усилителя напряжения, не имеет особого смысла: на долю этих каскадов приходится сравнительно небольшая часть общего анодного тока, а значит, и небольшая часть мощности выпрямителя. Таким образом, остается единственная возможность заметно повысить к. п. д. всего усилителя — нужно уменьшить мощность, потребляемую в анодной цепи выходной лампы, точнее, повысить соотношение между выходной мощностью и потребляемой. Сейчас нам предстоит выяснить, какие существуют пути для того, чтобы улучшить это соотношение, и в какой степени повышение к. п. д. повлечет за собой рост (а может быть, и уменьшение?) искажений сигнала в выходном каскаде.
А, В и
АВ с единицами и двойками
В этой странной, шифрованной записи скрыт секрет повышения к. п. д. усилителя. Ключ к шифру можно узнать, познакомившись с работой усилительного каскада, с теми событиями, которые происходят при изменении анодной нагрузки, смещения, напряжения сигнала, анодного и экранного напряжения— одним словом, при изменении режима лампы.
Еще раз нарисуем упрощенную схему выходного каскада и запишем, чему равна его выходная мощность Рвых и мощность, потребляемая в анодной цепи Рао (рис. 53, 1, д, е). Теперь прямо в «лоб» начнем атаку на к. п. д. — попробуем увеличить полезную мощность, повышая переменное напряжение Uа~ и переменную составляющую анодного тока Iа~.
Рис. 53, 1
Если увеличить сопротивление нагрузки Rа, а это несложно сделать, изменив коэффициент трансформации Трв (рис. 49), то одновременно возрастет и напряжение Uа~ (закон Ома: U = I·R!). Казалось бы, найден путь повышения выходной мощности Рвых. Но, к сожалению, по этому пути мы далеко не уйдем.
Переменное напряжение на нагрузке Uн, складываясь с постоянным анодным напряжением Uaо, определяет напряжение на аноде лампы Uа. Во время положительных полупериодов результирующее напряжение на аноде равно сумме Uа0 и Uа~, а во время отрицательных полупериодов — их разности (рис. 53, 2). Поэтому вместе с напряжением на нагрузке Uн растет максимальное напряжение на аноде (Uмакс = Uа0 + Uн. ампл) и уменьшается минимальное напряжение (Uмин = Uа0 — Uн. ампл). Если в погоне за большой мощностью увеличить Uн до такой степени, чтобы оно стало больше чем Uа0, то в некоторые моменты времени напряжение на аноде окажется отрицательным (рис. 53, 2, б, интервалы 1–2 и 3–4). При этом, естественно, и анодный ток станет равным нулю: при отрицательном напряжении на аноде он не притягивает электроны и они летят на управляющую, а в тетроде — на экранную сетку.
Прекращение анодного тока, пусть даже кратковременное, — это не что иное, как искажение формы сигнала, а его мы допустить не можем. Таким образом, и устанавливается предел повышения напряжения на нагрузке Uн — оно не может быть больше чем Uа0. Об этом можно сказать и иначе, если ввести коэффициент использования анодного напряжения ζ. Искажений кривой тока можно избежать, если коэффициент ζ будет меньше единицы (рис. 53, 2, в, г).
Рис. 53, 2
Потерпев неудачу с увеличением Uн, попробуем подступиться к задаче с другой стороны — увеличим переменную составляющую анодного тока Iа~. Сделать это довольно просто — достаточно увеличить переменное напряжение на сетке Uвх, под действием которого меняется анодный ток. На рис. 53, 3, а вы видите встречавшийся раньше (рис. 30, 21) тройной график, на котором ламповая характеристика (динамическая) совмещена с графиками напряжения Uc и тока Iа. На графиках показан случай, когда амплитуда переменного входного напряжения Uвх (ампл) равна постоянному отрицательному смещению на сетке. Ну, а что будет, если в погоне за большим переменным током увеличивать напряжение входного сигнала? Графики для этого случая показаны на рис. 53, 3, б. Присмотритесь к этим графикам и вы увидите, что результаты увеличения Uвх оказались весьма печальными — форма графика тока сильно искажена. За счет захода в положительную область напряжений на сетке срезаны верхушки на графике тока (интервалы 1–2 и 5–6). Как только на сетке появляется «плюс», она перехватывает часть электронов и ток Iс резко уменьшает входное сопротивление лампы.
Рис. 53, 3
Кроме того, анодный ток искажен и в области его минимальных значений. Отрицательное напряжение на сетке «перестаралось» — оно зашло слишком далеко, в ту область, где лампа оказывается запертой и анодного тока вообще нет. Из-за этого происходит так называемая отсечка анодного тока — напряжение на управляющей сетке меняется, а анодный ток равен нулю (интервал 3–4). Из графиков ясно видно, что во избежание искажений амплитуда переменной составляющей анодного тока Iа~(ампл) не должна превышать постоянной составляющей Iао, а для этого напряжение на сетке Uc не должно заходить ни в положительную область, ни в область, соответствующую запиранию лампы. Если ввести коэффициент использования анодного тока γ (рис. 53, 5, в), то можно сказать, что неискаженное усиление возможно тогда, когда у не превышает единицы. Работа усилителя при этих условиях называется классом усиления А.
Максимальная неискаженная мощность, которую можно получить в классе А, соответствует коэффициентам ζ = 1 и γ = 1, то есть Uн (ампл) = Uа0 и Iа~(ампл) = Iа0. Таким образом, амплитуда наибольшей выходной мощности Pвых (ампл) равна мощности Ра0, потребляемой в анодной цепи от выпрямителя. Не забудьте, что здесь речь идет об амплитуде выходной мощности, а ее эффективное значение будет в два раза меньше (рис. 30, 9). Иными словами, эффективная выходная мощность Pвых не превышает половины потребляемой мощности Ра0. Это значит, что максимально возможный к. п. д. анодной цепи в классе А не превышает 50 %. Практически к.п.д. для этого класса усиления составляет 20–30 %.
рис. 30, 9
Сейчас вам предстоит стать свидетелями того, как будет найден выход из, казалось бы, безвыходного положения. Мы познакомимся со схемами усиления, в которых к. п. д. анодной цепи выше и даже значительно выше, чем 50 %. При этом мы пойдем по только что забракованному пути повышения мощности Рвых — будем увеличивать переменную составляющую анодного тока. Как и раньше, этот путь приведет нас к недопустимым нелинейным искажениям. Но для схем, о которых пойдет речь, — это не слишком большое зло. Искажая форму анодного тока, они (чудеса, да и только!) дают на выходе неискаженный сигнал. Правда, это относится не ко всем искажениям, а лишь к некоторым их видам. Вот почему прежде, чем рассматривать «чудесные» схемы, нам целесообразно подробнее познакомиться с самим механизмом искажений.
На рис. 53 и 54 показаны тройные графики основных режимов работы усилителя, основных классов усиления. Переход из одного класса в другой можно осуществить, изменяя напряжение входного сигнала и отрицательное смещение на сетку.
График рис. 53, 3, а относится к классу А, для которого характерны низкий к. п. д. и малые искажения.
Класс усиления АВ (рис. 54, 55 и 56, 1, б, в) характеризуется отсечкой анодного тока.
В отличие от класса А, рабочую точку (начальное отрицательное смещение Ucм) выбирают не в середине прямолинейного участка ламповой характеристики, а сдвигают ее влево — в сторону больших отрицательных напряжений. Проще говоря, отрицательное смещение Ucм в классе АВ больше, чем в классе А (рис. 55).
