Pojačavači snage niske frekvencije

Појачавачи снаге ниске фреквенције

Карактеристике појачавача снаге ниске фреквенције

Величина излазне снаге коју даје појачавач ниске фреквенције на корисном оптерећењу зависи искључиво од особина излазног степена.Због тога се овакав степен назива појачивачем снаге.Његова основна намена састоји се у ефективном претварању енергије једносмерне струје извора анодног напајања у енергију наизменичне струје звучне фреквенције,која се издваја на корисном оптерећењу.У излазном степену се користе триоде,пентоде и млазне тетроде.Ове цеви се по својим параметрима битно разликују од цеви које се примењују у појачавачима напона.Оне имају јачи катоду,мању унутрашњу отпорност и већу стрмину карактеристике.Решеткина карактеристика излазних цеви(лева) је у области негативних напона.Да би се добила лева карактеристика за напоне Еа реда ститине волти,цев мора имати мали коефицијент појачања.Овај податак такође је карактеристичан за излазне цеви.Главна разлика излазног степена у односу на предходне степене је та што се на решетку његове цеви доводи напон знатно веће вредности.Због тога се радна тачка на динамичкој карактеристици цеви помера у већим границамаи,као резултат тога,појачање степена је неизбежно праћено знатним нелинеарним изобличењима.Нелинеарна изобличења у појачавачима снаге могу бити несиметрична и симетрична(слика 1).У оба случаја долази до промене облика појачаваних осцилација.Ово значи да је у анодној струји цеви,па према томе и у струји на излазу појачавача постоје нове фреквенције(виши хармоници) којих нема на улазу појачавача.Амплитуде виших хармоника излазног напона зависе од степена нелинеарних изобличења која настају у појачавачу.Уколико су већа нелинеарна изобличења,утолико су веће амплитуде хармоника.Степен нелинеарних изобличења се квантитативно приказује коефицијентом нелинеарних изобличења γ(клир'фактора),који представља квадратни корен из односа снаге која се на оптерећењу издваја од свих виших хармоника Ph према сназикоју ствара први хармоник P1:

γ =sqrt(Ph/P1) (169)

Ако је анодно оптерећење цеви активна отпорност, онда је:

P1 = (Im1^2*Ra)/2

Ph=(Im2^2*Ra)/2+(Im3^2*Ra)/2+…=Ra/2*(Im2^2+Im3^2+….)

Од свих виших фармоника који се јављају у појачавачу,највећу снагу на оптерећење дају други и трећи хармоник.Снага коју дају остали хармоници не мора се узети у обзир. Због тога израз за коефицијент нелинеарних изобличења има следећи облик:

γ =[sqrt(Im2^2+Im3^2)] / Im1 (170)

или:

γ=sqrt[(Im2/ Im1)^2+ (Im3/ Im1)^2]= sqrt (γ2^2+ γ3^2)

где је :γ2- коефицијент нелинеарних изобличења за други хармоникγ3- коефицијент нелинеарних изобличења за трећи хармоник

Слика 1

У пракси обично нема потребе да се одређују амплитуде оба виша хармоника.Са довољном тачношћу се коефицијент нелинеарних изобличења може одредити према највише израженом хармонику.Ако се у појачавачу јављају несиметрична нелинеарна изобличења (слика 1а), у саставу анодне струје преовлађује други хармоник(слика 2) и коефицијент нелинеарних изобличења је γ≈ γ2 .Из слике 2 се може видети да је :

γ2= ½ *(ΔIa’-ΔIa’’)/( ΔIa’+ΔIa’’), (172)

где је :ΔIa’=Im1+Im2+ΔIa0=Im1+2Im2;ΔIa’’= Im1-Im2-ΔIa0=Im1-2Im2;ΔIa0= Ia0 –Io = Im2 - прираштај једносмерне компоненте анодне струје

Слика 2

Ако се у појачавачу јављају симетрична нелинеарна изобличења (слика 1б), у саставу анодне струје преовлађује трећи хармоник (слика 3),а други хармоник нема утицаја.У овом случају је коефицијент нелинеарних изобличења γ≈ γ3.

Слика 3

Из слике 3 се може видети да је:

γ 3 = ½ *(ΔIa’-2ΔIa’’’)/( ΔIa’+2ΔIa’’’) (173)

где је: ΔIa’ = Im1-Im3,ΔIa’’’ = ½ Im1+ Im3 –ордината струје која је одређена у односу на струју почетне радне тачке Io,при фазном углу ωt=30º.Тачност образаца (172) и (173) лако се може проверити ако се у њих уврсте одговарајуће величине.Знак коефицијента γ 3 за криву на слици 3 је негативан.Међутим ово нема значаја за одређивање коефицијента неилинеарних изобличења.Коефицијент нелинеарних изобличења је увек доста мањи од јединице.Он се често изражава у процентима.Дозвољена величина γ зависи од намене појачавача и обично не треба да прелази 3-5 %.Величина нелинеарних изобличења расте са повећањем улазног напона.Постојање знатних нелинеарних изобличења у излазним степенима захтева да се примене специјалне мере за њихово смањење.Најефикаснији начин борбе са нелинеарним изобличењима је примена негативне повратне спреге која је добила широку примену у појачавачима ниске фреквенције.

Појачавач снаге са триодом

Највише примењивана шема излазног степена је приказана на слици 4.У анодно коло цеви ( у овом случају триоде) укључен је примарни намотај излазног трансформатора.Секундарни намотај трансформатора је везан на потрошач,чија се отпорност у области средњих звучних фреквенција може сматрати активном. Због тога је излазни уређај представљен на слици 4 као отпорност Rp.У електротехници се доказује следеће:Ако се секундарни намотај трансформатора затвори активном отпорношћу Rp, а његов примарни намотај представља извор електричне енергије такође активну отпорност која је једнака Rp(N1/N2)^2,где су N1 и N2 –бројеви намотаја примарног и секундарног намотаја трансформатора.Ова отпорност је анодно оптерећење цеви Ra.На тај начин се добије :

Ra= Rp/n^2 (174)

где je: n=N2/N1 – коефицијент трансформације излазног трансформатора.Отпорност Ra је прикључена паралелно са примарним намотајем излазног трансформатора,који има индуктивност L1.При томе је на средњим звучним фреквенцијама увек испуњен услов ωL1>>Ra .Према томе је анодно оптерећење цеви чисто активно и једнако Ra.

Слика 4

За једносмерну компоненту анодне струје је активна отпорност примарног намотаја трансформатора врло мала и она се обично занемарује.Отпорност Ra има такву величину(бира се променом коефицијената трансформације излазног трансформатора) при којој цев даје корисну снагу довољну за нормалан рад излазног степена, а нелинеарна изобличења не премашују дозвољене вредности.Избор најпогоднијег режима рада излазног степена врши се помоћу радне праве која се црта у дијаграму фамилије анодних статичких карактеристика излазне цеви(слика 5).Ако се у анодно коло укључи излазни трансформатор са активном отпорношћу,радна карактеристика представља праву линију која кроз почетну радну тачку(Еа,Еg) пролази под углом Ψ=arctg1/Ra према хоризонталној оси.Из радне карактеристике се лако одређује величина излазне снаге степена као и њего ККД,а такође и коефицијент нелинеарних изобличења за одабрани режим рада.

Слика 5

Узимајући различите вредности Ea,Eg,Ra ,Umg, може се наћи услов за најбољи режим рада излазног степена.Врло често су неке од ових величина раније познате и не мењају се.Објаснимо поступак избора најпогоднијег режима рада излазног степена са триодом.Овде су размотрена три карактеристична случаја која се срећу у пракси.При томе се предпоставља да излазни степен ради у класи А(рад са малим нелинеарним изобличењима).

Први случај

Добијање највеће излазне снаге и највећег ККД излазног степена при познатој величини улазног напона.У овом случају је амплитуда решеткиног напона задата.Њена величина се одређује коефицијентом појачања свих предходних степена.Потребно је одредити напон извора напајања Еа,преднапона Eg и отпорност Ra,тако да корисна излазна снага и ККД буду највећи.При томе не сме бити нелинеарних изобличења.Ради добијања најмањих нелинеарних изобличења,увек се препоручује да се одабере Eg=Umg .У том случају се тренутне вредности напона на решетци мењају од 0 до 2 Eg (слика 5).Избор анодног напона је започет од произвољне вредности Еа’.При Eg=Umg ,средина радне праве(радна тачка) налази се у тачки А’,а њене крајње тачке на анодним статичким карактеристикама за Ug=0 и Ug=-2Eg.Нагиб радне праве је одређен величином отпорности Ra. На слици 5 кроз тачку А’ пролазе 3 радне праве за разне вредности Ra.Свакој вредности Ra одговара њена величина излазне снаге Pizl при једнакој вредности снаге Po која се узима из извора анодног напајања,а одређује се површином правоугаоника A’D’O’E’.Објаснимо карактер зависности величине излазне снаге од отпорности Ra.Про томе се користи образац:

Pizl=½*ImaRa (175)

Пошто је код А класе амплитуда наизменичне компоненте анодне струје Ima одређена по образцу

Ima=(µUmg)/(Ri+Ra)

то је :

Pizl=½ [(µUmg)/(Ri+Ra)]^2 * Ra (176)

Затим се бројилац и именилац овог обрасца поделе са Ri^2,означи се однос Ra/Ri са α и узме у обзир да је µ^2/Ri= µS .Тада образац (176) има следећи облик:

Pizl=½µSUmg^2* [α/(1+ α)^2] (177)

Ако је по услову амплитуда Umg стална,излазна снага појачавача зависи само од величине коефицијента [α/(1+ α)^2] . Његове вредности за различите величине α су дате на слици 6

Слика 6

Пошто вредност коефицијента [α/(1+ α)^2] постаје највећа за α=1,то се највећа корисна снага излазног степена добија при услову да је Ra=Ri;У овом случају радна права пролази тако да је угао Ψ=Θ,док је величина највеће излазне снаге једнака:

Pizl max=(1/8 )*μSUmg^2 (178)

На слици 5 је ова снага приказана исцртаном површином троугла A’B’K’. Зависност излазне снаге излазног степена од отпорности анодног оптерећења,при услову да је Umg сталан дата је на слици 7

Слика 7

Промена корисне снаге је праћена сличном променом ККД степена,пошто снага Po која се узима из извора анодног напајања остаје непромењена.Она је приказана у облику површине правоугаоника A’D’O’E’.На тај начин се при одабраном напону највећа вредност излазне снаге и највећи ККД излазног степена добија при Ra=Ri.Ради даљег повећања коефицијента корисног дејства,потребно је смањити напон анодног напајања. При томе се радна права В’C’ помери улево и надоле.При напону Еа она зауме гранично дозвољени положај,пошто се тачка С нађе на колену анодне статичке карактеристике и при даљем смањивању анодног напона нагло почињу да расту нелинеарна изобличења.Смањење напона извора анодног напајња до величине Еа(слика 6) не изазива смањење корисне снаге(површина исцртаног троугла остаје непромењена),а снага Po се прилично смањује,Због тога ККД знатно порасте.Положај радне праве ВС одговара најпогоднијем режиму рада за дати случај.Излазна снага и ККД излазног степена су највећи,а нелинеарних изобличења практично нема.Цеви које се употребљавају у овом режиму рада морају да имају велики фактор доброте(μS).

Други случај –

Добијање највеће излазне снаге излазног степена при задатој величини извора анодног напајања.У овом случају задата величина представља напон извора анодног напајања Еа.При том услову треба одабрати такве вредности Ra,Umg и Eg, за које излазна снага и ККД степена имају највеће вредности,а нелинеарних изобличења практично нема.Избор најпогоднијег режима рада за дати случај је извршен на конкретном примеру.У ту сврху је кориштена фамилија анодних статичких карактеристика излазне цеви приказане на слици 8.

Слика 8

Предпоставимо да је дат напон Еа=300V.У почетку се бира произвољна вредност напона Eg=-10V и ,сматрајући да је Umg=10V,нацрта радна права ВС за Ra=Ri.За овај случај је корисна снага представљена у облику површине труогла АВК. Ово је највећа снага за одабрану вредност Umg=10V.Међутим ,ово није највећа снага која се може добити са одабраном цеви при напону Еа=300V.Ако се повећају амплитуде решеткиног напона Umg,преднапон Eg и отпорност Ra,онда порасте корисна снага,док се снага која се узима из извора анодног напона смањи.Као резултат тога,ККД степена такође порасте.На слици 8 је радна права B”C” нацртана за случај Umg=12V, a Ra=2Ri.У овом случају је корисна снага представљена у облику површине троугла A”B”K”,која је нешто већа од површине троугла АВК.Доња радна права одговара још већим вредностима Ra,Umg и Eg, а корисна снага је знатно мања него у претходним режимима.Сада је објашњено при којим вредностима Ra,Umg и Eg корисна снага постаје највећа ако се при том сматра да је напон Еа сталан.За то је коришћена радна права B”C”,нацртана под произвољним углом Ψ.Из слике 8 следи да је :

Ea+Uma = μ*2Eg+eo (179)

Где је: eo- условни напон који одређује степен искоришћења цеви по струји,избором напона eo,одређује се најмања дозвољена величина анодне струје ia min;μ*2Eg –анодни напон при коме се врши отварање цеви ако је напон на њеној решетки једнак 2Eg.Пошто се увек бира Eg=Umg, то је,

Ea+Uma=2μUmg+ eo (180)

Амплитуда наизменичне компоненте анодног напона једнака је :

Uma=Ima*Ra=[(μUmg)/(Ri+Ra)]*Ra=μUmg[(Ra/Ri)/(1+Ra/Ri)]= μUmg(α/1+ α)

Ако се ова вредност за Uma уврсти у образац (180),добије се једначина:

Ea+ μUmg*(α/1+ α)=2 μUmg+ eo.

Одатле је :

Umg=[(Ea- eo)/ μ]*[( 1+ α )/( 2+ α)] (181)

При прорачуну појачавача снаге са триодом, обично се бира eo=0,1Ea.У том случају практично нема нелинеарних изобличења,а цев је најбоље искориштена по струји.Тада је потребна амплитуда решеткиног напона једнака:

Umg=(0,9Ea/μ)* [( 1+ α )/( 2+ α)] (182)

Ако се добијена вредност за Umg уврсти у општи образац (177).добије се зависност излазне снаге појачавача за разматрани режим рада:

Pizl= 0,4(Ea^2/Ri)* α /[( 2+ α)^2 ] (183)

Пошто је по услову напон Еа сталан,то излазна снага зависи само од величине множитеља α / ( 2+ α)^2 ,чије су вредности за различите величине α дате на слици 9.

Слика 9

Пошто се највећа вредност коефицијената α / ( 2+ α)^2 добија за α=2,то је највећа корисна снага излазног степена остварена при услову Ra=2Ri.У овом случају радна права има нагиб Ψ=1/2Θ.Величина највеће корисне снаге једнака је :

Pizl=(1/2)(Ea^2/Ri) (184)

Да би се добила таква излазна снага,напон на решетки мора,на основу образца)182=, да има амплитуду:

Umg≈0,7 Ea/μ (185)

Ову вредност мора да има и преднапон Eg.У пракси се,ради смањења нелинеарних изобличења,често узима да је Ra>2Ri.Обзиром на то,повећава се Umg(по обрасцу 182).При томе је корисна снага нешто мања од највеће могуће при датој величини Еа.Зависност излазне снаге (183) од отпорности анодног оптерећења приказана је на слици 10. При томе се има у виду да свакој вредности α одговара њена величина напона Umg која се одређује обрасцем (182).Смањивање нелинеарних изобличења са повећањем Ra објашњава се исправљањем решеткине динамичке карактеристике.

Слика 10

Електронска цев оваквог степена мора имати малу унутрашеу отпорност(184).

Трећи случај –

Добијање највеће дозвољене снаге коју може дати излазна цев.Излазни степен даје граничну неизобличену снагу када је напон анодног напајања једнак највећој дозвоњеној вредности Eamax(наводи се у приручницима за цеви),а почетна радна тачка А се налази на линији највеће дозвољене снаге анодне дисипације (слика 11).Отпорност анодног оптерећења Raза овај режим бира се у зависности од задате величине нелинеарних изобличења.Она знатно премашује 2Ri.

Слика 11

Појачавач снаге са пентодом или млазном тетродом

У излазном степену често се примењују пентоде или млазне тетроде.Шема таквог појачавача је приказана на слици 12.Она се,практично ,не разликује од шеме појачавача са триодом.Појачавач са пентодом или млазном тетродом има три основне предности:1. Знатна излазна снага у таквом појачавачу се добија при малој амплитуди улазног напона.Ово се објашњава великим фактором доброте пентоде μS.2. За нормалан рад излазног степена са пентодом,потребна је мања вредност напона извора анодног напајања у односу на степен са триодом.Ово се објашњава утицајем заштитне решетке на величину анодне струје.3. Коефицијент корисног дејства ККД појачавача са пентодом је већи од ККД појачавача са триодом(при једнаким вредностима снаге која се узима из извора анодног напајања)

Слика 12

Основни недостатак излазног степена са пентодом је велика вредност нелинеарних изобличења у односу на степен са триодом(при истој величини излазне снаге).У појачавачу са триодом величина коефицијента нелинеарних изобличења износи 5%,а у појачавачу са пентодом(или млазном тетродом),она достиже 10%.Сложени облик анодних статичких карактеристика пентоде и млазне тетроде спречава да се добију просте једначине за најпогодније вредности Ra и Umg-као што је урађено за триоде.Због тога се режим рада пентоде која ради у излазном степену бира графички,што је релативно једноставно и омогућава довољну тачност.Начин конструкције радне праве пентоде или млазне тетроде не разликује се од раније описаног начина степена са триодом.Величине Ea,Ra,Eg и Umg бирају се тако да се добије највећа излазна снага при нелинеарним изобличењима мањим од дозвољених.Када је познат напон анодног напајања Еа и напон на решетки Umg ,задатак се своди само на одабир отпорности Ra,пошто је преднапон Eg у степену са пентодом обично једнак Umg.Пример конструкције радне праве излазне пентоде дат је на слици 13.Из слике се види да је угао Ψ знатно већи од угла Θ(нагиб карактеристика према оси О-Ua на слици13).То значи да је најпогоднија отпорност анодног оптерећења излазне пентоде Ra знатно мања од унутрашње отпорности цеви Ri.Oбично се узима Ra=(0,05-0,2)Ri.

Слика 13

Знатна величина коефицијента γ при малим вредностима Ra објашњава се збијеношћу анодних статичких карактеристика за мале анодне струје,а резултат тога је да негативне полупериоде анодне струје постају изобличене.Ако се повећа Ra изнад оптималне вредности(при непромењеним осталим вредностима),изобличења расту због збијености анодних карактеристика при ниском анодном напону.Ово доводи до тога да величина нелинеарних изобличења зависи од фреквенције улазног напона.Обзиром да је оптерећење излазног трафоа звучник,онда отпорност анодног оптерећења расте са повећањем фреквенције(у границама звучног спектра),радна права се окрене(око тачке А) супротно кретању казаљке на сату,а резултат тога је повећање нелинеарних изобличења.Ради стабилизације отпорности анодног оптерећења цеви са излазним степенима са пентодом и млазном тетродом,паралелно примарном намотају излазног трансформатора,често се прикључе кондензатор Cf и отпорност Rf, који су везани редно као на слици 14.

Слика 14

Симетрични појачавач снаге

Ради повећања излазне снаге и смањења нелинеарних изобличења, излазни степен се често изводи по симетричној(двотактној) шеми.Шема симетричног појачавача снаге са триодама дата је на слици 15.

Слика 15

Пробаћемо укратко да објаснимо принцип рада:Из шеме се види да су употербљене две цеви са заједничким анодним напајањем и заједничким преднапоном решетки.Преднапон решетки се може добити из посебног извора или аутоматски.Наименични напон се доводи на решетке цеви у противфази.Цеви раде са осцилацијама друге врсте.Таласни облици у овом степену,када је Θ=90º,дати су на слици 16. Из слике се види да струја првог хармоника и све струје непарних хармоника теку у против фази.Ако у цеви V1 анодна струја првог харномика тече од аноде ка катоди,она у исто време у цеви V2 тече од катоде ка аноди.Према томе,струје кроз коло протичу у истом смеру и на њему стварају наизменичан напон.У заједничком проводнику напајања, тј између – и + Еа нема струја непарних хармоника.Парни хармоници анодних струја су синфазни.Према томе у примарном намотају излазног трансформатора они теку супротно један другом.Због тога од парних хармоничних компонената нема напона у излазном трансформатору.У заједничком проводнику за напајање се струје парних хармоника цеви сабирају,пошто оне овде теку у истом смеру,који се мења после сваке полупериоде.У заједничком проводнику се сабирају и једносмерне компоненте анодних струја обеју цеви.Протицањем кроз извор напајања Еа,ове струје одређују снагу коју узима излазни степен.Корисна снага се ствара на рачун наизменичног рада цеви.Ако се симетрична шема упореди са обичном,онда је,при једнаким променама анодних струја и једнаким амплитудама анодних напона,корисна снага симетричног појачавача два пута већа од обичног.

Слика 16

Неке особине карактеристичне за симетричне појачаваче:1. У излазном трансформатору нема једносмерног магнетисања гвозденог језгра,тако да је потребан пресек језгра мали и димензије трансформатора постају мале.2. При потпуној симетрији обе гране симетричне шеме,на излазу нема парних хармоника.Последица тога су мала нелинеарна изобличења у односу на обично коло.3. Ако је извор анодног напајања Еа усмерач,његове пулзације са фреквенцијом мреже не утичу на рад степена.Ово се објашњава тиме што пулзације напона Еа изазивају једнаке,али супротне по смеру,струје у анодним колима обе цеви.Резултат тога је да се магнетски флукс у излазном трансформатору не мења.Ово упрошћава филтер усмерача.4. У симетричном појачавачу снаге ниске фреквенције,цеви могу да раде са одсецањем анодне струје(режими класе В и класе АВ).Због тога се ККД излазног степена повећава.Ради већег искоришћења цеви за добијање јачих струја, у симетричном појачавачу се дозвољава рад са решеткиним струјама.Утом случају претходни степен мора имати малу излазну отпорност.Такве особине има трансформаторски појачавач.Ако симетрични степен ради без решеткиних струја,предходни степен може имати парафазни појачавач(фазни обртач).