Усилитель НЧ с мощным КПД

Д. Агеев, доктор технических наук
В. Маланов, кандидат технических наук
К. Полов, кандидат технических наук

Применяющийся в настоящее время метод усиления мощности колебаний звуковой частоты имеет чрезвычайно низкие энергетические показатели. Так, эксплуатационный КПД по анодной цепи, т. е. КПД при среднем уровне передачи, составляет примерно 15—18%.
В 1951 году Д. В. Агеев предложил идею импульсного метода усиления мощности низкой частоты, отличающегося высоким КПД. Им же был предложен путь технического осуществления этой идеи. Через несколько лет Р. Шарбонье предложил другой путь выполнения импульсного усилителя. Однако оба варианта осуществления идеи импульсного усиления мощности имеют существенные недостатки. Основным из них является сравнительно низкий эксплуатационный КПД, хотя он и значительно выше, чем при обычном методе усиления. Кроме того, в варианте Шарбонье принципиально необходим сложный импульсный трансформатор с высоким КПД. Авторами публикуемой ниже статьи предложен новый высокоэффективный импульсный усилитель мощности, который сохраняет преимущества усилителей Агеева и Шарбонье и не имеет их недостатков.

Упрощенная схема, позволяющая уяснить сущность импульсного усиления, приведена на рис. 1.

упрощенная схема импульсного усиления
Рис.1

При отсутствии усиливаемого сигнала все лампы заперты и анодные цепи усилителя не потребляют энергии от выпрямителя.
Предположим теперь, что усиливаемый сигнал U1 (рис. 2) изменяется по синусоидальному закону. Под воздействием сигнала U1 на сетки ламп Л1 и Л3 (здесь могут быть и пентоды) со специального генератора подаются импульсы напряжения U1 и U3, длительность которых пропорциональна абсолютной величине мгновенного значения усиливаемого сигнала. Это импульсное напряжение вырабатывается специальным устройством, которое подключается к управляющим сеткам ламп Л1 и Л3.
Рассмотрим работу левого плеча усилителя. Первый импульс напряжения U2 откроет лампу Л1 и через нее пойдет ток ia (рис. 2), нарастающий со скоростью

прирост тока i со скоростью

При этом диод Л2 заперт, так как на катушке индуктивности развивается ЭДС самоиндукции, полярность которой отрицательна относительно анода лампы Лг. В момент окончания импульса напряжения U2 ток i1, упадет до нуля.

граффик напряжения и силы тока
Рис. 2

С этого момента ток i3 (рис. 2) начнет уменьшаться с такой скоростью, при которой появившаяся на катушке индуктивности ЭДС самоиндукции (положительная по отношению к аноду лампы Л2) отопрет эту лампу н через нее потечет ток i2 (рис. 2), равный току i1 в момент запирания лампы Л1. Пока лампа Л1 будет оставаться запертой, ток i3 будет проходить через лампу Л2, нагрузочное сопротивление и емкость в том же направлении, что и при открытой лампе Л1. К моменту, когда лампа Л1 вновь окажется открытой, ток i3 полностью не прекратится, т. е. только часть энергии, запасенной в магнитном поле катушки индуктивности за время действия первого импульса тока г,, окажется израсходованной на покрытие потерь энергии в нагрузочном сопротивлении и лампе Л2 (в дальнейшем, с целью упрощения изложения, потерями энергии в лампах будем пренебрегать). При открывании лампы Л1 вторым импульсом напряжения U2 ток i1, скачком нарастает до значения, равного значению тока i3, а затем будет нарастать со скоростью, соответствующей напряжению па катушке L в момент открывания лампы Л1. При этом ток i3 вновь начинает нарастать (рис. 2) и диод Л2 оказывается запертым. В момент окончания второго импульса величина тока i3 будет больше, чем в момент окончания первого, т. е. происходит нарастание среднего значения тока i3, которое будет продолжаться в течение первой четверти периода усиливаемого сигнала. Одновременно с этим будет увеличиваться ток через сопротивление нагрузки. Во вторую четверть периода усиливаемого напряжения токи будут уменьшаться.
Если бы катушка индуктивности в анодной цепи лампы Л1 отсутствовала, то напряжение на открытой лампе было бы равно Eа—U4 и при малых уровнях сигнала было бы близким к Еa. Вследствие этого энергия, расходуемая в лампе за половину периода усиливаемого сигнала, была бы намного больше той энергии, которая расходуется в лампе за то же время при наличии катушки L. Действительно, при наличии катушки L напряжение на лампе при прохождении через нее тока весьма мало даже при малых уровнях сигнала, так как большая часть напряжения источника питания падает на катушке индуктивности, благодаря чему происходит накопление энергии в магнитном поле катушки. Эта энергия, в конечном итоге, передается в нагрузку.
Во время отрицательного полупериода усиливаемого сигнала аналогичные процессы происходят в правом плече усилителя.
Из вышеизложенного следует, что в рассматриваемом усилителе индуктивности L выполняют роль накопителей энергии. Эти накопители являются односторонне действующими, т. е. энергия из источника питания поступает в накопитель, а из него — в нагрузку. Накопитель энергии применяется и в варианте Шарбонье. Однако накопитель Шарбонье имеет существенные недостатки, которые заключаются в том, что он выполнен в виде импульсного трансформатора и является двухсторонне действующим. Последнее означает, что большая часть энергии, поступающей в накопитель из источника питания, возвращается обратно. При этом имеют место значительные потери энергии, вследствие чего понижается эксплуатационный КПД усилителя.
Не трудно видеть, что ток i3 приближенно равный току нагрузки i1, проходит поочередно через лампы Л1 и Л2. Следовательно, если пренебречь потерями энергии в катушке индуктивности н конденсаторе, а сопротивления ламп Л1 и Л2 в открытом состоянии считать равными одной и той же величине Rл, то КПД усилителя, независимо от уровня входного сигнала, будет приближенно определяться выражением

КПД усилителя

Это означает, что и эксплуатационный КПД усилителя по анодной цепи при достаточно малом отношении Rн/Rл будет близок к 100%.
С целью иллюстрации энергетических достоинств рассмотренного усилителя на рис. 3. приведены кривые зависимостей КПД от уровня сигнала.

кривые зависимостей
Рис.3

для четырех случаев: 1 — обычный усилитель класса Б; 2 — импульсный усилитель Агеева; 3 — импульсный усилитель Шарбонье (приближенно); 4 — импульсный усилитель авторов.

В реальных усилителях передача энергии из анодных цепей ламп в нагрузку осуществляется при помощи трансформатора низкой частоты. Применение трансформатора в схеме рис. 1 возможно лишь при замене неуправляемых ламп — диодов Л2 и Л4 управляемыми лампами — триодами (или пентодами). Дело в том, что при работе левого плеча усилителя на правой секции первичной обмотки трансформатора разовьется напряжение, положительное по отношению к аноду диода Л4. Диод Л4 окажется открытым, что совершенно недопустимо. При работе правого плеча усилителя аналогичное явление наблюдается в его левом плече. Один из вариантов практической схемы усилителя приведен на рис. 4.

вариант практической схемы
Рис.4

Для того чтобы прн работе левого плеча усилителя триод Л4 был заперт, достаточно выполнить условие:

условие для заперания лампы Л4

где ес и еа — мгновенные значения напряжений на сетке и аноде триода Л4, а µ — его коэффициент усиления. При этом напряжение на сетке лампы Л2 будет положительным и близким к нулю независимо от уровня сигнала, что объясняется наличием сеточного тока и сеточного ограничительного сопротивления. Благодаря этому отпирание и запирание триода Л2 по анодной цепи осуществляется точно так же, как и диода Л2 в схеме рис. 1. При работе правого плеча усилителя будет заперт триод Л2, а триод Л4 будет выполнять роль коммутирующего диода. Рассмотренный вариант схемы усилителя не является единственным. Так, например, роль накопителей энергии в анодных цепях ламп могут выполнять индуктивности рассеяния плеч трансформатора. Вместо двух накопителей энергии может быть применен один накопитель, включенный в общую цепь обоих плеч усилителя. Ясно, что такие изменения анодных цепей усилителя должны сопровождаться соответствующими изменениями системы управления триодами Л2 и Л4.

упрощенная проактическая схема усилителя
Рис.5

На рис. 5 изображена упрощенная практическая схема усилителя, имеющего следующие параметры: тактовая частота управляющих импульсов 18 кгц; сопротивление нагрузки, отнесенное к половине первичной обмотки трансформатора, 4600 ом; общее сопротивление двух ламп 6П9, включенных параллельно в каждом плече, 400 ом; сопротивление коммутирующего триода 6Н5С 250 ом; индуктивность половины первичной обмотки трансформатора 5 гн.
Величины накопительных индуктивностей и емкости, шунтирующей первичную обмотку трансформатора, были рассчитаны по формулам:

формулы расчета трансформатора

Здесь F=(l, 15—1,2) FB, где FB — частота верхней границы полосы пропускания усилителя.
Режим работы ламп 6П9 был выбран таким образом, что динамическая характеристика лампы, построенная без учета влияния реактивных элементов схемы, пересекала статическую характеристику при Ес=0 немного ниже участка ее резкого перегиба, как это показано на рис. 6.

Статическая харакетристика

Если из соображений получения определенного КПД соотношение между Rн и Rл задано, то напряжение Еа можно определить по формуле:

Формула определения напряжения Еа

где формулаЗдесь Еа0 — максимальное остаточное напряжение на аноде лампы,Iа макс — максимальное значение ее анодного тока.
Измерения показали, что на частоте 1 кгц усилитель отдает мощность 2 Вт, прн этом КПД усилителя по анодной цепи, с учетом потерь в трансформаторе и накопительных индуктивностях, достигает расчетной величины порядка 84%. Общий КПД усилителя по анодной цепи определяется по формуле:

Общий КПД усилителя

где Rк — активное сопротивление катушки L, а nтр — КПД трансформатора. С понижением уровня сигнала КПД постепенно падал и, например, при уровне, составлявшем 30% от максимального, он был равен 70%. Основной причиной снижения КПД, очевидно, являлась неудовлетворительная работа генератора импульсов управляющего напряжения.
Измерение нелинейных искажений показало, что в полосе пропускания нх
уровень остается сравнительно низким (порядка 3—6%), причем большие значения коэффициента нелинейных искажений соответствуют краям полосы пропускания. Повышение уровня искажений на краях полосы пропускания, где начинают заметно проявляться реактивности схемы, вызвано периодически повторяющимися нестационарными процессами, возникающими вследствие поочередной работы плеч усилителя.
Испытание усилителя показало, что в случае применения в нем современных пентодов необходимо принимать специальные (схемные) меры для ограничения токов экранирующих сеток ламп, так как мощность, потребляемая цепями экранирующих сеток, составляет 20—30% от мощности, потребляемой анодной цепью усилителя.

 

РАДИО 1958,2