Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

рис. 104—4

Две другие схемы (рис. 104—2, 3) представляют собой простейшие однокаскадные усилители НЧ, работающие от угольного микрофона. Микрофон включен так, что необходимый для его питания постоянный ток получается прямо от элементов усилительной схемы. В первой схеме необходимую величину этого питающего тока подбирают с помощью резистора R3, во второй схеме — с помощью резистора R3. Каждый из резисторов шунтирует микрофон, и чем меньше такое шунтирующее сопротивление, тем меньшая часть общего тока достается микрофону.

рис. 104—2, 3

Чтобы перейти к следующей группе усилителей НЧ — к двухтактным усилителям, — нам придется остановиться на одном недостатке, общем для всех усилителей, с которыми мы встречались раньше. Если пользоваться житейской терминологией, то этот недостаток следовало бы назвать расточительностью.

До сих пор мы не говорили о том, в каких количествах расходуется энергия на создание усиленного сигнала, на создание «мощной копии». У нас, собственно говоря, и не возникало такого вопроса. Еще в самом начале своего пути, когда только искали скульптора, который мог бы вылепить мощный сигнал по образцу слабого, мы договорились, что поставщиком энергии для создания такого усиленного сигнала может быть батарея. При этом считалось очевидным, что батарея обладает большими запасами энергии и жалеть ее нечего — лишь бы создать усиленный сигнал.

Теперь же, когда цель достигнута, когда мы научились с помощью транзистора усиливать слабый сигнал, попробуем выяснить, какую энергию должен отдавать ее поставщик — коллекторная батарея. Попробуем выяснить, сколько стоит ватт усиленного сигнала, сколько ватт мощности постоянного тока должна за него заплатить батарея.

Сделав ряд допущений — предположив, что прямолинейный участок входной характеристики начинается прямо от «нуля», что на выходной характеристике тоже нет загибов, что в качестве коллекторной нагрузки включен элемент (например, трансформатор), на котором не теряется постоянное напряжение, — мы придем к выводу, что в лучшем случае только половина потребляемой от батареи мощности переходит в усиленный сигнал. Об этом можно сказать иначе: к. п. д. (коэффициент полезного действия) транзисторного усилителя не превышает 50 %. За каждый ватт мощности выходного сигнала приходится платить двойную цену — два ватта мощности коллекторной батареи (рис. 105).

Рис. 105. Чем выше коэффициент полезного действия усилителя, тем меньшую мощность он потребляет для создания заданной выходной мощности.

Доказать справедливость этого вывода довольно просто. Чтобы подсчитать мощность, потребляемую от батареи, нужно умножить ее постоянное напряжение Ек на потребляемый ток, то есть на коллекторный ток покоя Iк-п (рис. 106).

Рис. 106. Выходная мощность однотактного усилителя, работающего в классе А, ограничена искажениями, а его к. п. д. не превышает 50 процентов.

С другой стороны, амплитуда переменной составляющей коллекторного тока никак не может быть больше тока покоя, иначе транзистор будет работать с отсечкой. В лучшем случае амплитуда переменной составляющей равна току Iк-п и при этом эффективное значение переменной составляющей коллекторного тока равно Iк~ ~= 0,7·Iк-п.

Точно так же и амплитуда переменного напряжения на нагрузке не может быть больше напряжения батареи, иначе в какие-то моменты на коллекторе будет появляться не «минус», а «плюс». А это в лучшем случае приведет к сильнейшим искажениям. Таким образом, эффективное значение выходного напряжения Uн~ не может превышать 0,7·Ек. Теперь остается только перемножить 0,7·Iк-п на 0,7·Ек и получить, что наибольшая эффективная мощность, которую может отдать усилитель, не превышает 0,5·Iк-п·Ек, то есть не превышает половины потребляемой мощности.

Решение это окончательное, однако оно подлежит обжалованию. Есть возможность ценой определенных жертв повысить коэффициент полезного действия усилителя, перейти рубеж пятидесяти процентов к. п. д.

Чтобы повысить коэффициент полезного действия, нужно, чтобы усилитель создавал более мощный сигнал при той же потребляемой мощности. А для этого нужно, не увеличивая тока покоя Iк-п и постоянного напряжения Ек, повысить переменные составляющие коллекторного тока Iк~ и напряжения на нагрузке Uн~.

Что же мешает нам повысить эти две составляющие? Искажения. Мы можем увеличить и ток Iк~ (для этого достаточно, например, повысить уровень входного сигнала), и напряжение Uн~ (для этого достаточно опять-таки увеличить входной сигнал или увеличить сопротивление нагрузки для переменного тока). Но и в том и в другом случае исказится форма сигнала, окажутся срезанными его отрицательные амплитуды.

И хотя такая жертва кажется недопустимой (кому нужен экономичный усилитель, если он выдает бракованную продукцию?), мы все же пойдем на нее. Во-первых, потому, что возникшие искажения удастся ликвидировать. И, во-вторых, потому, что, допустив искажения (а потом избавившись от них), мы сумеем перевести усилитель в более экономичный режим и поднять его коэффициент полезного действия.

Усиление без искажений, когда амплитуда переменной составляющей коллекторного тока не превышает тока покоя Iк-п, называется классом усиления А. Одиночный усилитель, работающий в классе А, называется однотактным усилителем.

Если при усилении часть сигнала «срезается», если амплитуда переменной составляющей коллекторного тока больше, чем Iк-п, и в коллекторной цепи происходит отсечка тока; то мы получаем один из классов усиления АБ, Б или С. При усилении в классе Б отсечка равна полупериоду, то есть в половине периода в коллекторной цепи есть ток, а в другой половине периода тока нет. Если ток есть больше, чем в половине периода, то мы имеем класс усиления АБ, если меньше — класс С. (Чаще классы усиления обозначают латинскими буквами А, В, С.)

Представьте себе, что у нас есть не один, а два работающих в классе Б одинаковых усилителя: один воспроизводит положительные полупериоды сигнала, другой — отрицательные. Теперь представьте себе, что оба усилителя работают на общую нагрузку. В этом случае мы получим в нагрузке нормальный переменный ток, получим неискаженный сигнал, как бы сшитый из двух половинок (рис. 107).

Рис. 107. Двухтактный каскад — это, по сути дела; два однотактных каскада, работающих на общую нагрузку.

Правда, для получения неискаженного сигнала из двух искаженных нам пришлось создать сравнительно сложную схему сшивания половинок (такая схема называется двухтактной), схему, по сути дела состоящую из двух самостоятельных усилительных каскадов. Однако, как это уже не раз бывало, наш проигрыш (в данном случае усложнение усилителя) приносит значительно больший выигрыш.

Общая мощность, которую развивает двухтактный усилитель, больше, чем мощность, которую дали бы в отдельности обе его половины. А «стоимость» одного ватта выходного сигнала оказывается значительно меньше, чем в однотактном усилителе. В идеальном случае (ключевой режим) один ватт выходного сигнала можно получить за такой же ватт потребляемой мощности, то есть в идеальном случае к. п. д. двухтактного усилителя может достигать 100 процентов.

Реальный к. п. д., конечно, меньше: практически он составляет 60–70 %. Но ведь в однотактном усилителе, работающем в классе А, мы получали к. п. д., равный 50 %, тоже только в идеальном случае. А реально однотактный усилитель позволяет получить к. п. д. не более 30–40 %. И поэтому в двухтактном усилителе каждый ватт выходной мощности обходится нам в два-три раза «дешевле», чем в однотактном.

Для переносной транзисторной аппаратуры повышение к. п. д. имеет особо важное значение. Чем выше к. п. д., тем меньше расход энергии коллекторной батареи при одной и той же выходной мощности. А это, в свою очередь, означает, что чем выше к. п. д., тем реже нужно будет менять эту батарею или тем меньше может быть батарея при неизменном сроке службы. Вот почему в миниатюрной транзисторной аппаратуре, в частности в миниатюрных приемниках, где, казалось бы, нужно экономить вес и место, применяют двухтактные усилители, включая для этого в схему целый ряд лишних деталей.