Двотактні каскади - симетричні

Це каскади, що містять два підсилювальні елементи або дві групи паралельно включенних підсилювальних елементів, що працюють на загальне навантаження, при цьому вихідні струми ПЕ рівні по величині і протилежні за полярністю, тобто при синусоїдальному сигналі зсунуті на 180^{0 .}

Недоліки в порівнянні з однотактними:

Двотактактні каскади складніші однотактних і містять більше деталей.

Переваги:

1) компенсація парних гармонік, що вносяться підсилювальними елементами, що дозволяє використовувати в двотактних каскадах економічні режими (режим В, що дає великий відсоток парних гармонік і тому не вживаний в однотактних схемах);

2) компенсація перешкод і фону, що поступають на каскад від джерела живлення і інших джерел перешкод, що збільшує динамічний діапазон підсилювача і підвищує допустиму змінну складову напруги джерела живлення, що спрощує і здешевлює згладжуючі фільтри випрямлячів, що живлять двотактні схеми.

3) компенсація струмів сигналу в дротах, що знижує паразитний міжкаскадний зв'язок через джерела живлення і, дозволяє спростити і здешевити розв'язуючі фільтри підсилювача.

4) компенсація постійного подмагнічування осердя вихідного трансформатора, що дозволяє підвищити в ньому змінну складову магнітної індукції, що скорочує розміри, вагу і вартість трансформатора.

Двотактні схеми застосовують в транзисторних каскадах потужного підсилення (з вихідною потужністю 2-3 Вт и вище), в каскадах потужного підсилення широкосмугових підсилювачів і широкосмугових вихідних каскадах, що працюють на симетричне навантаження, коли використовування трансформаторів неможливе через обмежену смугу пропускання.

Фазоінверсні каскади

Двотактні схеми вимагають подачі на вхід симетричної напруги сигналу, яка може бути одержана від звичайного однотактного каскаду. Тому для передачі сигналу з виходу однотактних схем на вхід двотактних використовують спеціальні, фазоінверсні каскади, що мають несиметричний вхід і симетричний вихід.

Фазоінверсні каскади можуть бути трансформаторними, безтрансформаторними.

Простим фазоінверсним каскадом є однотактний каскад з вихідним трансформатором, що має симетричну вторинну обмотку (використовують в транзисторних ПЗЧ). Проте трансформаторний фазоінверсний каскад має високу вартість і обмежений діапазон робочих частот і на практиці використовуються рідко. В даний час застосовують безтрансформаторні інверсні каскади.

Схема однотактного безтрансформаторного фазоінверсного каскада зображена на рис.13.22 з розділеним навантаженням.

 

Фазоінверсний каскад повинен давати на виході дві напруги, рівні по величині і зсунуті між собою за фазою на 180⁰.

Напруги U_вих1 i U_вих2 Відповідно рівні:

U_вих1 = Е_К – І_КR_К, U_вих2 = І_ЕR_Е.

Оскільки струм колектора І_К майже не відрізняється по величині від струму емітера І_Е, то за умови R_К = R_Е напруги U_вих1 і U_вих2 виявляються рівними, але протилежними один до одного за фазою. Ці напруги і застосовуються для збудження двотактного каскаду.

Переваги: відсутність трансформатора по вхідному ланцюгу двотактного каскаду.

Недолік: малий коефіцієнт підсилення за напругою.

Найширшого використовування набули безтрансформаторні двотактні каскади на транзисторах.

 

Підсилювачами потужності (потужними або вихідними каскадами) називаються підсилювальні каскади, які забезпечують отримання в пристрої навантаження максимальної потужності підсиленого сигналу.

Основна особливість роботи вихідних каскадів – високий рівень сигналу.

Пристроями навантаження підсилювачів потужності є обмотки елетродвигунів, реле, гучномовці і інші елементи єлектричних ланцюгів, які мають порівняно невеликі опори (одиниці і десятки Ом).

На практиці зустрічаються каскади потужного підсилення з вихідною потужністю від мілліватт до сотень кіловат. Потужні каскади, як правило, вихідні, розраховують по заданих значеннях R_Н і Р_Н. Щоб оцінити, яку потужність повинен давати каскад попереднього підсилення, розраховують коефіцієнт підсилення каскаду за потужністю К_Р.

Потужний вихідний каскад є основним споживачем енергії. Він вносить основну частину нелінійних спотворень і займає об'єм, порівнянний з об'ємом решти частини підсилювача.

Тому при виборі і проектуванні вихідного каскаду основну увагу звертають на можливість одержати найбільший к.к.д., необхідну вихідну потужність, малі нелінійні спотворення і габаритні розміри.

Отримання необхідної потужності в пристрої навантаження забезпечується перш за все вибором підсилювального елемента (транзистора)- тобто вибором робочого режиму підсилювального елемента, напруги живлення, опору навантаження вихідного ланцюга, зміщення у вхідному колі, амплітуди вхідного сигналу і інш.

Активні елементи в підсилювачах потужності можуть працювати в режимах А (однотактні), В або АВ (двотактні). При підсиленні прямокутних імпульсів постійної амплітуди найвигіднішим є режим Д.

У каскадах потужного підсилення можна використовувати будь-які підсилювальні елементи: транзистори, тріоди, тетроди або пентоди.

При дуже малій потужності – до десятих часток вата – в каскадах потужного підсилення застосовують малопотужні транзистори. При середній вихідній потужності (вати і сотні ватів) каскади потужного підсилення конструюють з потужними транзисторами або спеціальними вихідними лампами приймально-підсилювальної серії; при вихідній потужності від сотень ватів до сотень кіловат застосовують потужні генераторні і модуляторні лампи в режимі В (із струмами сітки).

На вхід каскаду потужного підсилення поступає велика амплітуда сигналу, захоплююча всю робочу область характеристик підсилювального елементу, унаслідок чого його параметри за період сигналу змінюються в широких межах. Тому розрахунок всіх показників каскаду потужного підсилення слід визначати графічно.

Спосіб розрахунку каскаду потужного підсилення залежить від схеми каскаду, типу використовуваного підсилювального елементу і режиму, в якому він працює.

Електрична енергія, що виділяється в підсилювальному елементі під час роботи перетворюється в теплову і нагріває підсилювальний елемент (головним чином, колектор транзистора і анод лампи). У малопотужних транзисторів тепло від колекторного переходу передається корпусу, що має контакт з навколишнім середовищем і охолоджується в основному конвекцією; у потужних транзисторів поверхня корпусу для цієї мети недостатня, і корпус охолоджують за допомогою спеціального радіатора або відводять від нього тепло на металеве шасі пристрою.

На розсіювання потужності Р₀ – потужність, яка споживається від джерела живлення, повинен бути розрахований радіатор транзистора.

Приблизна формула, що визначає необхідну поверхню радіатора (гладкої чистої вертикальної металевої пластини, що охолоджується з обох боків оточуючим її повітрям при нормальному атмосферному тиску):

П_Р≈1400 Р/ (Т_{П max} - Т_{С max} - РR_ПК) (1)

де П_Р – сумарна поверхня пластини радіатора в см² з обох боків;

Т_{П max} - максимальна температура колекторного переходу;

Т_{С max} - максимальна температура навколишнього середовища;

Р - потужність, що виділяється в транзисторі;

R_ПК - тепловий опір перехід – корпус.

Для зменшення розмірів радіатор роблять ребристим: найбільш відповідним матеріалом для нього є алюміній і його сплави, володіючі малою питомою вагою, хорошою теплопровідністю і що легко піддаються механічній обробці.

Для більшого зменшення розмірів і ваги радіатор іноді охолоджують струменем повітря, що проганяється через нього вентилятором.

Якщо значення П_Р, знайдене по формулі (1), рівне або менше поверхні корпусу транзистора, то радіатор не потрібний, оскільки його роль виконує корпус транзистора.

При вибраному транзисторі і заданому джерелі підсилюваного сигналу отримання максимальної потужності в пристрої навантаження можливо лише, коли його опір рівний вихідному опору підсилювального каскаду (R_ВИХ = R_Н).

Вихідний опір каскадів із СЕ і СВ складає звичайно сотні Ом і одиниці ком, а опір пристроїв навантаження в декілька десятків разів менше. Для узгодження опорів служать знижуючі трансформатори.

Транзисторні вихідні каскади виконують однотактними і двотактними.