ТРИ ЭЛЕКТРОДА В ОДИН ТАКТ
Однотактный выходной каскад на триоде
Д. Андронников
В прошлом номере я вкратце рассмотрел основные моменты
расчета каскада усиления напряжения на триоде. Продолжая тему,
отмечу особенности проектирования выходного триодного каскада с
анодной нагрузкой.
Основная задача выходного каскада - развить в нагрузке требуемую
мощность по возможности с минимальными (или не превышающими
заданных) искажениями и максимальным КПД. Наивысшие значения последнего
параметра обеспечивают тетродные (пентодные) двухтактные каскады в классе В2
(с учетом отсечки анодного тока в 90° и токами управляющей сетки). Но поскольку тетроды и
пентоды нынче не в моде, да еще в двухтакте, к тому же в классе В, тема
КПД не актуальна и в статье касаться ее не будем.
При усилении в классе А1 точка покоя усилительного элемента располагается в
средней части динамической характеристики, то есть лампа за период сигнала нигде не запирается
полностью, и ток в цепи выходного электрода не испытывает отсечки (Рис. 1).
Расчет каскада, см. Рис.2, как и каскада усиления напряжения, удобно производить
методом динамической характеристики [1]. При расчете предполагаем, что анодная нагрузка
чисто активна (что в трансформаторном каскаде, нагруженном на акустическую систему,
верно для области средних частот). Основное отличие от реостатного каскада состоит в том, что
в трансформаторном напряжение на аноде лампы практически равно напряжению источника питания,
т.к.падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки
трансформатора можно пренебречь.
В классических трудах ([2], [3]) приведено основное условие получения максимальной выходной
мощности от триода в однотактном каскаде:
Ra~=Ri (1)
где: Ra~- внутреннее сопротивление триода в рабочей точке,
Ri - сопротивление анодной нагрузки по переменному току
Однако, при данном условии искажения, вносимые каскадом, достаточно велики (10% и более).
Мирясь с потерями мощности (10 - 30%), сопротивление анодной нагрузки выбирают,
как правило, большей величины (2,5 -5) Ri, зато резко снижаются искажения.
Расчет выходного каскада рассмотрим на примере лампы RB300, семейство
статических характеристик которой приведено на Рис. 2 в статье "SE на
RB300". Внутреннее сопротивление этого триода Ri - около 650 Ом. Из соображений
удобства организации фильтра (последовательно соединенные конденсаторы 300 - 350 В),
выберем напряжение на аноде 535 В и сопротивление анодной нагрузки
Ra=7Ri~4500 Ом (трансформатор с таким сопротивлением довольно часто применяется
в двухтактных усилителях на пентодах/тетродах).
Ток покоя в рабочей точке выберем равным 100 мА, что соответствует напряжению
смещения на сетке Uco = -50 В. При этом динамическая характеристика пройдет через точку О
и точку В. Мощность, рассеиваемая на аноде лампы в режиме покоя составит:
Pa0=Ua0*Ia0 (2)
где Ua0 - напряжение на аноде триода в режиме покоя
Ia0 - анодный ток покоя.
В данном случае Рао = 53,5 Вт, что много меньше допустимых 300 Вт.
В режиме усиления сигнала максимальный ток анода достигнет 190 мА
при напряжении на аноде 138 В (пересечение ДХ с характеристикой Uc =0В), а минимальный
ток анода - 30 mА при напряжении на аноде 845 В (пересечение ДХ с характеристикой
Uc =2Uco = -100B).
Отдаваемая каскадом мощность всех гармонических составляющих выходного сигнала составит:
0.9(Uao-Uamin)(Iamax.- Iao)
Рвых= ____________________________
2
где Uamin - минимальное напряжение анода при Uc = О В,
Iamax - максимальный ток анода при Uc = О В,
при расчете получается Рвых = 16 Вт
Определение коэффициента гармоник каскада для оценки его линейности удобно производить
известным методом пяти ординат, основанном на работе А.И. Берга по гармоническому
анализу. Для этого нужно найти значения токов анода при напряжениях
на сетке, равных О В, 1/2Uco, Uco, 3/2Uco, 2 Uco.
В рассчитываемом каскаде они составят:
Imax(Uco =OB) = 190мА
I1(Uc = 1/2Uco = -25 В) = 140 мА
Io (Uc = Uco = -50 В) = 100 мА
I2 (Uc = 3/2Uco = -75 В) = 65 мА
I3 (Uc = 2Uco = -100 В) = 30 мА
а гармонические составляющие анодного тока вычисляются по формулам:
I1M=( Imax+Imin+I1-I2 )/3 (4.1)
I2M=( Imax+Imin-2Io )/4 (4.2)
I3M=( Imax-Imin+2(I1-I2) )/6 (4.3)
I4M=( Imax-Imin-4(I1+I2)+6Io )/6 (4.4)
где I1M , I2M , I3M , I4M - амплитуды
токов 1, 2, 3, 4-й гармоник соответственно.
Вычисления дают результаты:
I1M = 78.5 mA
I2M = 5 mA
I3M = 1.5 mA
I4M = 0 mA
Соответствующие коэффициенты гармоник:
КГ2=( I2M / I1M )100% = 6.3%
КГЗ=( I3M / I2M )100% = 1,9%
Суммарная величина
KГ = Ц ( К2Г2+К2Г3 ) = 6.6%
Для определения входной динамической емкости каскада, нагружающей вместе с емкостью
монтажа, лампу предыдущего каскада, рассчитаем коэффициент усиления, равный:
Kу = ( Uamax - Uamin ) / Ucmin (5)
где Uamax - максимальное напряжение на аноде при Uc = 2Uco
Ucmin = 2Uco, равно 100 В для нашего случая
KУ=( 845-138)/100 = »7
Динамическая мощность определяется, как
Cвхдин = C ak ( 1 + KУ ) , (6)
где C ak - емкость сетка-анод (для RB300- 10 пФ).
Тогда Cвхдин = 10 (1+7) = 80пФ.
Полная входная емкость лампы составит:
Cвх =Cвхдин + Cвх CM (7),
где C вх - емкость сетка-катод (для RB300- 25 пФ).
СM - емкость монтажа (около 10 - 20 пФ),
СВХ = 80 + 25 + 15= 120 пФ (О влиянии входной емкости на величину тока драйвера
см. статью "...какая лампа нужна...", А.Белканова).
Определим основные требования к выходному трансформатору. Индуктивность первичной
обмотки, обеспечивающая спад на нижней граничной частоте, не более заданного, должна
превосходить значение:
где Fн - нижняя граничная частота (в герцах)
Мн - спад АЧХ на нижней частоте(в разах).
Если FH = 20 Гц и Мн = 1,4 (3 дБ),то L1 = 6,2 Гн
Однако на такое небольшое значение индуктивности можно ориентироваться только
при уверенности, что переменная составляющая индукции в магнитопроводе не превысит 3-4
тысяч Гаусс. Реально, такие значения индукции получаются при значительно большем
числе витков первичной обмотки, чем требуется для получения расчетной индуктивности,
т.е. действительная индуктивность должна быть гораздо больше расчетной.
Величина индуктивности рассеяния не должна превышать значение:
где - Fв верхняя граничная частота
Мв - спад АЧХ на верхней граничной частоте (в разах).
При Fв = 20000 Гц и Мв = 1 ,4 (3 дБ) получится Ls = 0,041 Гн.
Это значение весьма небольшое и добиться такой величины можно только при секционировании
трансформатора [5].
Если решено использовать в каскаде автоматическое смещение, то рассчитывается
величина катодного сопротивления:
RK = Uc0 / Ic0 ,(10)
его мощность должна быть не меньше:
Pк = Uc0 * Ic0(11)
и емкость шунта:
В нашем каскаде
RK = 500 Ом;
Рк=5 Вт,
СК=80- 160 мкФ
Напряжение анодного питания в каскаде с автоматическим смещением рассчитывается, как:
Ua = Uao + |Uco| + Uтр (13)
где Uтр - напряжение падения на активном сопротивлении первичной обмотки ;
принимается обычно в районе 5 - 10 В, т.е.
Ua = 535 + 50 + 10 = 595 В.
При фиксированном смещении составляющая |Uco| не суммируется,тогда
Ua = 535 + 50 = 545 В
Собственно расчет электрических режимов и основных параметров каскада на этом завершается.
По полученным данным рассчитывают выходной трансформатор и источник питания.
Хотя некоторые из приведенных расчетных формул не являются абсолютно точными
теоретически и изрядно упрощены, но достаточно удобныи неоднократно проверены на
практике. Детальный анализ работы однотактного каскада можно найти в [2],
[3], [5]. В этой статье я не касался особенностей работы ламп в режиме
класса А2 (с токами управляющей сетки) в связи с тем, что режим этот довольно
экзотический и весьма сложен с теоретической точки зрения (в частности гармонический
анализ с учетом токов, появляющихся в сеточной цепи).
Используя приведенную здесь методику, вы сможете априорно, до начала конструктивного
исполнения, получить довольно полную картину параметров и особенностей режимов работы
проектируемого усилителя. Надеюсь, это поможет избежать многих ошибок и тупиковых путей.
Литература:
1. Андронников Д. "О том, как правильно рассчитать каскад, и не только об этом" Вестник АРА №2,
1997 с 33-36
2. Войшвилло Г.В. "Усилители низкой частоты на электронных лампах" М, Связьиздат, 1963
3. Марк М.Г. "Усилители высокой и низкой частоты" Госэнергоиздат,1932
4. Берг А.И. "Теория и расчет ламповых генераторов" Госэнергоиздат,1932
5. Цыкин Г. С. "Трансформаторы низкой частоты" М, Связьиздат,1957