Усилитель мощности должен обеспечивать повышение мощности поступающего на его вход сигнала с фиксированным коэффициентом
усиления и передачу его с требуемой полезной мощностью в нагрузку, например, в громкоговорители. При этом в широком диапазоне
изменения нагрузки усилитель не должен вносить (сверх допустимого техническими требованиями и стандартами) помех и искажений,
таких как фон, шумы, паразитные автоколебания (осцилляции), линейные и нелинейные искажения усиливаемого аудиосигнала. Дополнительно
к этому усилитель мощности должен быть нечувствительным к таким нарушениям режима своей работы, как короткое замыкание или
холостой ход (обрыв) нагрузки. Ниже будет показано, что выполнение этих требований является далеко непростой задачей и
для ее достижения требуется как тщательность конструкторской проработки, так и точность ее воплощения на практике.
Определяющим звеном всего усилителя является его выходной (оконечный) каскад. Применяемые в нем решения зачастую задают
топологию всех остальных цепей усилителя, поэтому анализ усилителя начнется с выходного каскада.
Промышленные приемо-усилительные электронные лампы, предназначенные для работы в диапазоне звуковых частот, являются
приборами с высоким импедансом (высокими значениями входного и выходного сопротивления), при этом амплитуда выходного напряжения
усилительных каскадов может составлять несколько сотен вольт, но значение тока не будет превышать несколько десятков миллиампер.
Однако применяемый в качестве нагрузки громкоговоритель, имеющий, как правило, номинальное значение входного сопротивления
порядка 4—8 Ом, требует напряжения питания в несколько десятков вольт,
но значения токов при этом достигают нескольких ампер. Таким образом, необходимо согласование
выходного каскада лампового усилителя с громкоговорителями, как по сопротивлению, так и по току и напряжению. В противном
случае, возможен выход из строя как громкоговорителей, так и ламп. Очевидным решением данной проблемы является применение
выходного трансформатора, согласующего нагрузку в виде громкоговорителя с выходными характеристиками электронной лампы
или совокупности ламп выходного каскада (в случае, когда каскад образован не одной а несколькими лампами).
Необходимость применения выходного трансформатора является отправным моментом при решении проблемы разработки лампового
выходного каскада. Ранее уже указывалось, что характеристики трансформаторов слишком далеки от идеальных и, в итоге, качество
или эффективность работы лампового усилителя во многом определяется качеством его далеко не идеального выходного трансформатора.
Все же, вопреки данному факту выходной каскад с трансформаторной связью оказался превосходным инженерным решением и используется
в большинстве ламповых усилителей, за исключением ряда специфических (см. далее раздел: Разработка бестрансформаторных выходных
каскадов).
Электронные лампы, разработанные специально для работы в каскадах усиления мощности звуковой частоты, обладают оптимизированными
параметрами, которые приводятся в технических паспортах производителей. Разработка выходного лампового каскада, если исходить
лишь из самых общих и основополагающих принципов подобна попыткам заново изобрести велосипед, поэтому обзор используемых
на практике промышленных вариантов представляет несомненную пользу. В силу этого оказывается весьма полезным краткий анализ
наиболее часто используемых в настоящее время топологических схем.
Типовой выходной каскад усиления мощности с трансформаторной связью с нагрузкой представляет собой хорошо известный триодный
усилитель, в котором использована схема включения лампы с общим катодом, а смещение задается на катоде резистором автосмещения
(рис. 7.1).
При анализе усилителя напряжения уже использовался метод нагрузочной (динамической) прямой для выбора значения анодной
нагрузки, причем внимание обращалось на оптимизацию параметров с точки зрения получения линейной характеристики, а не по
значению размаха амплитуды анодного напряжения. В рассматриваемом же случае необходимо оптимизировать значение выходной мощности
(см. рис. 7.2). В приводимом ниже примере использован двойной триод Е182СС, который также может быть использован в усилителе
для головных телефонов. Естественно было бы задать рабочую точку пересечением линий максимального значения неизменного анодного
напряжения (Va= 300 В) и предельно допустимой мощности рассеяния на аноде (Ра =
4,5 Вт). На практике лучше не допускать достижения предельных параметров, в том числе предельного значения рассеиваемой
мощности, а обеспечивать
некоторый запас по этим параметрам для обеспечения надежной работы ламп. Однако, оконечные каскады усиления, работающие
с большими размахами выходного напряжения, зачастую допускают некоторое форсирование ламп по мощности (см. ниже). Вернемся
к динамической характеристике. Поскольку пересечение последней с одной из приведенных статических характеристик достигается
при значении Va = 295 В, то, из соображений удобства построений, рабочая точка была несколько смещена.
Из условия максимальной выходной мощности оптимальное значение нагрузки триода RL равно удвоенному значению
ra. В рассматриваемом примере ra составляет 3,57 кОм. Таким образом, сопротивление
нагрузки RL = 2 × ra = 7,14 кОм.
Значение напряжения между сеткой и катодом Vgk = — 1 В, является предельным максимальным
значением относительно точки смещения Vgk = —13 В по критерию отсутствия тока управляющей
сетки. Следовательно, предельное минимальное значение этого напряжения для симметричного значения входного напряжения Vgk
составит —25 В. Эти значения позволяют графически оценить размах амплитудных значений выходного напряжения: (430—85)
В = 345 В. Пересчет в среднеквадратическое или действующее (эффективное) значение дает величину напряжения 122 В, которое
будет соответствовать значению мощности 2,1 Вт, рассеиваемой в нагрузке. При условии, что мощность, рассеиваемая в лампе,
равна 4,5 Вт, энергетическая эффективность, или КПД каскада, по анодной цепи составит 32%.
Можно сделать несколько принципиальных замечаний относительно работы данного каскада:
• как видно из рис. 7.2, динамическая нагрузочная линия заходит в область,
в которой Ра > 4,5 Вт, то есть несколько превышается предельно допустимое значение рассеиваемой на аноде
тепловой мощности. Но, поскольку каскад работает с большим размахом выходного переменного напряжения, данное условие не является
критичным. Это объясняется тем, что хотя за один полупериод усиливаемого колебания рассеиваемая мощность на аноде превышает
допустимые 4,5 ватта, то во второй полупериод она будет значительно меньше, а тепловая инерционность анода приведет к усреднению
выделяемой мощности около значения, меньшего 4,5 ватта. Таким образом, если средняя тепловая мощность за период реального
сигнала не превышает предельного значения, кратковременные ее превышения не приведут к разрушению лампы. Таким образом, лампы
(в отличие от транзисторов, не выдерживающих даже кратковременные перегрузки) допускают форсирование по мощности;
• рабочая точка электронной лампы задана (в рассматриваемом примере) при значении
анодного напряжения 300 В. В случае идеального трансформатора в первичной обмотке трансформатора не должно быть падения напряжения
на постоянном токе и, следовательно, высокое напряжение на аноде лампы должно составлять 300 В, отдаваемые источником питания.
Однако оказывается возможным поднять значение анодного напряжения до примерно 430 В, что значительно превышает значение напряжения
питания. Это становится возможным благодаря тому, что трансформатор запасает энергию магнитного потока в своем сердечнике,
вызывая ЭДС самоиндукции. Теоретически для идеальной электронной лампы допустимый размах амплитуд Va
может составлять от нуля вольт до удвоенного значения высокого напряжения, что является очень привлекательной чертой
для их применения в усилителях мощности;