Pojačavači napona niske frekvencije

Појачавачи напона ниске фреквенције

Отпорни појачавачки степен

Отпорни појачавaчки степен је такав појачавачки степен код кога је анодно оптерећење цеви активна отпорност.Отпорни степен се нaјчешће изводи са триодом или пентодом.Шеме отпорних појачавачких степена су приказане на слици 1.Рад обе шеме је у принципу исти,тако да ће се за објашњење физичких појава које се догађају у појачавачу моше користити било која од њих.

Слика 1

Под дејством улазног напона се врши промена потенцијала управљачке решетке и анодна струја постаје пулзирајућа(слике 2 и 3).Према томе, у анодној струји се јавља наизменична компонента.При активном анодном оптерећењу цеви,ова наизменична компонента је у фази са напоном на решетки, а износи:

Ia~ = Sd*Ug =Sd*Uul

Слика 2

Слика 3

При појачању осцилација средњих фреквенција,отпорност анодног оптерећења цеви је једнака Ra(при услову да је Rsp>>Ra).Наизменични напон који се ствара на отпорности Ra у фази је са наизменичном компонентом анодне струје,а наизменични анодни напон Ua~ je супротан по фази са наизменичном компонентом анодне струје и једнак је :

Ua~ =Ia~ *Ra=Sd*Ra*Uul

Овај напон је, у ствари, излазни напон појачавача пошто је на средњим фреквенцијама 1/(ωsr*Csp)<<Rsp.На тај начин између улазног и излазног напона постоји фазни померај од 180º.Овде се сматра,условно,да излазни напон фазно предњачи улазном напону.Пошто је појачање степена А= Uiz/Uul,а на средњим фреквенцијама Uiz~ =Ua~ онда је:

Asr = Sd*Ra= (µ*Ug)/(Ri+Ra) (161)

Из обрасца

Arez*2Δf= S/(Cul+Ciz+Cv) (160)

Може се приближно закључити да коефицијент појачања отпорног степена не зависи од фреквенције и да је његов пропусни опсег бесконачно велики.Међутим, то није тако.Да би се објасниле фреквентне особине појачавача,потребно је саставити његову еквивалентну шему за наизменичну компоненту анодне струје,која у општем случају износи:

Ia~ =Sd*Ug =(µ*Ug)/(Ri+Za)

Где је Za-импенданса анодног кола за наизменичну струјуУ посматраном појачавачу Ug=Uul.Због тога се једначина за наизменичну анодну струју може написати у следећем облику :

Ia~ =(µ*Uul)/(Ri+Za)

У састав Za улазе,поред активне отпорности Ra, и други елементи појачавача кроз које се грана наизменична компонента анодне струје.Ту спадају:-излазна капацитивност цеви,-улазна капацитивност следећег степена,-капацитивна веза и коло за спрегу Csp,Rsp.Према томе,потпуна еквивалентна шема отпорног појачавачког степена,састављена на основу једначине (162),има облик приказан на слици 4.

Слика 4

Aко се знају величине отпорности и капацитивности које су приказане на еквивалентној шеми,може се прорачунати и нацртати фреквентна карактеристика појачавача.Ова карактеристика представља зависност његовог коефицијента појачања од фреквенције улазног напона.Пример фреквентне карактеристике отпорног појачавачког степена дат је на слици 5,.Ако се црта у линеарној размери,координатни почетак одговара нултој фреквенцији сигнала.Из слике 5а се види да фреквентна карактеристика отпорног појачавача у линеарној размери није погодна за коришћење,пошто је она у области нижих фреквенција јако збијена,а у области виших фреквенција јако развучена.У логаритамској размери,координатни почетак фреквентне карактеристике одговара некој произвољној вредности фреквенције за коју се коефицијент појачања степена разликује од нуле.Она се може приказати на два начина,као што је дато на средњем и доњем цртежу.Из слике 5б се види да,при логаритамској размери,у сваком наредном једнаком одсеку на хоризонталној оси има више фреквенције него у предходној за цели број пута.Овај број може бити произвољан,али је он сталан за дату карактеристику.У пракси се при изради фреквентне карактеристике отпорног појачавачког степена,обично примењује начин приказан на слици 5ц.

Слика 5

За објашњење облика фреквентне карактеристике отпорног појачавача се може користити слика 6.У свим дијаграмима је размера на оси фреквенције иста.Она је логаритамска.Из слике 6 се види да,при повећању фреквенције појачаваних сигнала,долази до смањења анодне импедансе Za и цев постепено прелази из динамичког у статички режим рада.Последица тога је повећање стрмине радног дела решеткине динамичке карактеристике Sd,која се постепено приближава статичкој карактеристици(слика 6б)

Слика 6

Ако се узме стална величина улазног напона(слика 6ц),може се прорачунати зависност величине наизменичне анодне струје и наизменичног анодног напона од фреквенције појачаваног сигнала.Ове зависности су приказане на сликама 6 д и 6е.Из њих се види да се,повећањем фреквенције повећава наизменична компонента анодне струје Ia~,тежећи величини SUul.Без обзира на то,наизменичан напон U a~ се постепено смањује до нуле.Из шеме појачавача се види да његов излазни напон Uizl представља известан део наизменичног анодног напона,који је расподељен на капацитивности Csp и активној отпорности Rsp.Међутим,отпорност кондензатора се повећава снижавањем фреквенције.Због тога се у области нижих фреквенција напон на излазу појачавача знатно разликује од наизменичне компоненте анодног напона(слика 6 ф).На основу свега тога,фреквентна карактеристика отпорног појачавача има облик приказан на слици 6г.На овој карактеристици су приказане граничне условног пропусног опсега појачавача fd и fg.На овим фреквенцијама напонско појачање степена износи 0,707 Asr.Граничне фреквенције пропусног опсега fd и fg се највише користе при теоријским прорачунима за одређивање потребних величина основних елемената отпорног степена(Ra, Rsp,Rg2,Csp,Ck,Cg2).У отпорном појачавачу однос fd/fg обично износи хиљаду.На основу тога се отпорни појачавач убраја у широкопојасне појачаваче.У пракси је радни опсег фреквенција које појачава отпорни појачавач обично нешто ужи од његовог условног пропусног опсега,али је шири од опсега средњих фреквенција појачавача.Орјентационо,средње фреквенције отпоног појачавачког степена леже у интервалу од (2-4) fd до (1/2- ¼) fg.За објашњење облика фреквентне карактеристике отпорног појачавача коришћена је његова потпуна еквивалентна шема,која је размотрена у области горњих,доњих и средњих фреквенција.

Средње фреквенције појачавача

На средњим фреквенцијама се еквивалентна шема отпорног појачавача може знатно упростити.Због тога треба узети у обзир величине отпорности и капацитивности које улазе у анодно оптерећење цеви.Ове отпорности су Ra,Rsp, а капацитивност шеме је Сš.Ова капацитивност износи:

Cš=Cizl+Cul+Cv

Она је обично реда десетине пикофарада.При средњим фреквенцијама,ова капацитивност има знатно већу отпорност од Ra.Због тога се ова капацитивност не приказује на еквивалентној шеми з асредње фреквенције.Код појачавача са триодом је увек Rsp>>Ra.У појачавачима са пентодом је овај услов такође испуњен.На тај начин еквивалентна шема отпорног појачавача за средње фреквенције има облик какав је приказан на слици 7.

Слика 7

На основу ове шеме се лако изводи образац (161).Ако се узме у обзир отпорност кола за спрегу,која је на слици приказана цртицама,појачање има следећи облик:

Asr=Sd*Rp=(µ*Rp)/(Ri+Rp)

Где је:

Rp=(Ra*Rsp)/(Ra+Rsp)

Горње фреквенције појачавача

Повећањем фреквенције појачаваних осцилација,отпорност свих капацитивности се смањује,тако да у области горњих фреквенција реактивна отпорност капацитивности шеме постаје сразмерна отпорности Ra.Због тога еквивалентна шема отпорног појачавача у области горњих фреквенција има облик приказан на слици 8.

Слика 8

На овим фреквенцијама је величина анодног оптерећења цеви знатно смањена,па се услед тога смањује и појачање.Образац за појачање отпорног појачавача у области горњих радних фреквенција може се написати у следећем облику:

Ag=Sg*Zа

Где је:Zа- апсолутна вредност импендансе анодног оптерећења цеви,која се састоји од отпорности Ra и капацитивности Сš, спојених паралелно.У овом случају се,обзиром да је Ra<<Rsp ,добија :

Za=1/ sqrt[ (1/Ra)^2+(ωCš)]= Ra/ sqrt[1+(ωCšRa)^2]

Због тога је :

Ag=(Sd*Ra)/ sqrt[1+(ωCšRa)^2]

Из слике 6б види се да при Ra<<Ri(неколико пута) , стрмина динамичке карактеристике Sd не зависи од фреквенције.Тада се на горњој граничној фреквенцији појачавача добије :

ω*Cš*Ra=1

Међутим, пошто је ωg=2πfg, то је

fg=1/(2πCšRa) (163)

Практично образац(163) важи само код појачавача са пентодом.Ако је појачавач са са триодом, онда је Ra>Ri (неколико пута) и Sd знатно порасте са повећањем фреквенције.Може се показати да за било који отпорни појачавач важи образац :

fg=1/(2πCšRizl),

Где је :Rizl- излазна отпорност појачавача на средњим фреквенцијама.Она износи:

Rizl=(Ri*Ra*Rsp)/(Ri*Ra+Ri*Rsp+Ra*Rsp)≈(Ri*Ra)/(Ri+Ra)

Фазни односи за струје и напоне у појачавачу на фреквенцији fg су на слици 9 приказани помоћу векторског дијаграма.Из ове слике се види да између улазног и излазног напона на горњој граничној фреквенцији отпорног појачавача постоји фазни померај од 135 º.Образац (163) показује па пропусни опсег отпорног појачавача у области горњих фреквенција зависи од капацитивности веза и величине отпорности анодног оптерећења цеви.Када је појачавач уграђен,онда је већ одређена величина капацитивности веза.У том случају се повећање пропусног опсега појачавача у области горњих фреквенција може вршити само смањивањем отпорности Ra,односно смањивањем појачања на средњим фреквенцијама.

Слика 9

Доње фреквенције појачавача

При снижавању фреквенције појачаваних осцилација,отпорност свих капацитивности расте и капацитивност шеме Cš нема утицаја на рад појачавача.Због тога расте негативна улога спрежног кондензатора Сsp.Еквивалентна шема отпорног појачавача за доње фреквенције је приказана на слици 10.

Слика 10

Из овог кола се види да је :

Uizl =Ua*Rsp / sqrt[Rsp^2+(1/ωCsp)^2] = Ua~/sqrt[1+(1/ωCspRsp)^2]

Ова зависност између излазног и улазног напона и наизменичне компоненте анодног напона важи за све фреквенције појачаваних сигнала.Али ,у области средњих и горњих фреквенција ова два напона су,практично,међусобно једнака.У области доњих фреквенција појачавача постоји разлика између ових напона.Због тога једначина за појачање отпорног степена у области доњих фреквенција има следећи облик:

Ad= (Sd*Ra)/ sqrt[1+(1/ωCspRsp)^2]

Из ове једначине је јасно да је на доњој граничној фреквенцији испуњена једнакост:

1/ωdCspRsp=1,

Одатле је :

fd= 1/2πCspRsp. (164)

Фазни односи за струје и напоне у појачавачу на фреквенцији fd приказани су такође на слици 10 вектрорским дијаграмима.Из ове слике се види да на доњој граничној фреквенцији отпорног појачавача између улазног и излазног напона постоји фазни померај од 225 º.Образац (164) показује да доња гранична фреквенција отпорног појачавача зависи од временске константе кола за спрегу (τsp=CspRsp).Ради проширења пропусног опсега појачавача у области доњих фреквенција,потребно је повећати производ CspRsp. Међутим ,горња граница за отпорност Rsp је вредност од 0,5 до 1МΩ, а капацитивност Csp такође не сме да буде веома велика.Ово се објашњава тиме што при повећању капацитивности Csp долази до смањења отпорности губитака кондензатора и на отпорности Rsp ,поред наизменичног напона,постоји и једносмерни напон,који повећава потенцијал решетке следећег степена,што није пожељно.Ако се знају граничне фреквенције fg и fd ,лако се може наћи пропусни опсег појачавача:

Δf=(1/2π)*(1/CšRa-1/Csp-Rsp)≈1/2πCšRa (165)

На основу дате анализе се види да се еквивалентна шема појачавача која је приказана за наизменичну компоненту анодне струје користи за објашњење његових фреквентних особина.Да би се изабрала величина отпорности анодног оптерећења цеви отпорног појачавача,коришћен је образац за појачање на средњим фреквенцијама,који се може написати у следећем облику:

Asr= µ/(1+Ri/Ra) (166)

Повећањем отпорности Rа,појачање степена се приближава коефицијенту појачања цеви.Ова зависност је приказана на слици 11.Из ње се види да повећањем Rа,појачање степена у почетку брзо расте,а затим споро.Због тога,се у пракси, у појачавачима са триодама обично узима:

Ra=(3-5)Ri (167)

При томе појачање степена у области средњих фреквенција постаје за 15 до 25 % мање од коефицијента појачања триоде.

Слика 11

За отпорни појачавач са пентодом се величина отпорности Ra не сме бирати по обрасцу (167),пошто пентоде имају врло велику унутрашњу отпорност(0,5 до 2 МΩ).Ако је отпорност анодног оптерећења цеви неколико мегаома,појачавач има веома узан пропусни опсег у области горњих фреквенција.

Пример:

У отпорном појачавачу са пентодом је капацитивна веза(шеме) Cš+50 pF(оваква капацитивност се сматра малом).Колика је горња гранична фреквенција која улази у пропусни опсег појачавача ако је отпорност анодног оптерећења Ra=2MΩ,Ri=1 MΩ,Rsp=2MΩ?

Решење:

fg= 1/2πCšRizl=1/6,28*50*10^-12*0,5*10^6≈6400Hz

При овако узаном пропусном опсегу појачавача,фреквентна изобличења појачаваних сигнала су знатна.Поред фреквентних изобличења,при великој отпорности Ra су такође могућа знатна нелинеарна изобличења због кривине решеткине динамичке карактеристике.Ово се може објаснити на слици 12.Из ове слике се види да,при великој отпорности Ra,анодна струја пентоде достиже динамичко засићење при негативном напону на управљачкој решетки.Нелинеарна изобличења која се при томе јављају доводе до промена облика појачаваног сигнала.

Слика 12

Ако се ,на пример,на улаз појачавача доводи чисто синусни напон,онда он на излазу појачавача постаје несинусан.Ово значи да се на излазу појачавача јављају нове фреквенције којих нема на улазу.При томе се јако погоршава квалитет репродукције.У отпорном појачавачу са пентодом се нелинеарна изобличења могу избећи.Због тога је неопходно изабрати правилно режим рада појачавачке цеви.На слици 12 је приказан правилан положај радне праве и динамичке карактеристике(није дат дијаграм анодног напона).Правилан режим рада пентоде у појачавачком степену се постиже када је отпорност анодног оптерећења Ra=(0,1-0,3) MΩ. У овом случају је пропусни опсег појачавача у области горњих фреквенција потпуно довољан за неизобличено појачање сигнала звучног спектра.Као закључак се може рећи да,при испитивању фреквентних особина било ког појачавача(теоријски и експериментално),треба на улаз довести напон такве величине да при његовом појачању не настану нелинеарна изобличења.

Појачавачки степен са трансформатором

Ако је за појачавач напона ниске фреквенције потребно применити појачавач са малом излазном отпорношћу,онда се он изводи по шеми са слике 13.Такав појачавач се назива трансформаторских степеном.

Слика 13

У поређењу са отпорним појачавачем,трансформаторски степен има већа фреквентна,нелинеарна и фазна изобличења,што ограничава могућност његове примене.Поред тога,трансформаторски степен је скупљи и гломазнији.Међутим овај степен има и низ предности,као што су:-Појачање трансформаторског степена може да премаши коефицијент појачање цеви,-За нормалан рад трасформаторског степена је потребан мањи извор напајања него за отпорни појачавац са истом цеви.- У трансформаторском степену се лако постиже симетричан(двотактни )излаз,извођењем средње тачке са секундарног намотаја трансформатора-Фреквентна карактеристика трансформаторског степена врши издизање горњих звучних фреквенција,што је некад потребно за компензацију њиховог слабљења у предходним степенима-У трансформаторском степену се лако постиже мала излазна отпорност,што је неопходно ако наредни степен ради са решеткином струјом.Физичке појаве које се дешавају у трансформаторском степену јесу следеће:Под дејством напона доведеног на решетку цеви долази до промене анодне струје.Као резултат тога,мења се магнетни флукс у примарном намотају трансформатора.Променљиви магнетски флукс индукује у секундарном намотају трансформатора наизменичну ЕMS,чија величина зависи од односа намотаја трансформатора.У пракси је број навоја секундара трансформатора већи два до четири пута од броја навоја примара(мада може и обрнуто).Број навоја примарног намотаја иде око 3-8 хиљада,а његова индуктивност је реда десетина хенрија.Фреквентна карактеристика трансформаторског степена је приказана на слици 14.

Слика 14

Она има оштро издизање горњих звучних фреквенција,које настаје као резултат резонантих особина трансформатора.Појачање трансформаторског степена у области средњих звучних фреквенција може се са тачношћу довољном за праксу одредити по обрасцу :

Asr=(0,9-0,95)µn (168)

Где је:n=N2/N1 коефицијент трансформације трансформатора.Ради изравњавања фреквентне карактеристике трансформаторског степена,у области горњих звучних фреквенција врши се пригушивање секундарног намотаја активном отпорношћу.Међутим,при томе долази до смањења појачања степена и на средњим фреквенцијама (крива б на слици 14).Поред нелинеарних изобличења,која настају као последица кривине решеткине динамичке карактеристике,у трансформаторском степену настају још допунска изобличења због нелинеарности криве магнетисања језгра трансформатора(слика 150).Ова изобличења расту са повећањем једносмерне компоненте анодне струје цеви.

Слика 15

Смањење нелинеарних изобличења у трансформаторском степену постиже се применом цеви са малом анодном струјом и правилним избором преднапона.Поред тога,језгро трансформатора мора имати довољно велики пресек. У језгру трансформатора се ствара мали ваздушни зазор,који смањује вероватноћу магнетског засићења гвожђа.Осим тога врши се секционирано мотање примара и секундара итд.