V.3. Трансформаторный каскад.
Вследствие большей стоимости, размеров и веса, а также из-за худших частотных и переходных характеристик трансформаторный каскад предварительного усиления в транзисторных усилителях используется гораздо реже резисторного. В основном его используют в качестве инверсного каскада для работы на двухтактный транзисторный каскад в режиме В. Кроме того, трансформаторный каскад широко используется в качестве входного устройства, а также часто используется как выходное устройство для связи с каскада мощного усиления с нагрузкой.
Принципиальные схемы трансформаторных каскадов показаны на рис.5.5а,б.
а)
б)
Рис. 5.5. Трансформаторные каскады.
В транзисторных каскадах мощного усиления, работающих на следующий каскад (рис.5.5а), использование трансформатора для межкаскадной связи позволяет примерно на порядок повысить усиление мощности сигнала, применить транзистор меньшей мощности и снизить расход энергии питания. В транзисторных усилителях широко используются трансформаторные выходные каскады, где трансформатор служит выходным устройством, связывающим выходную цепь последнего УЭ с внешней нагрузкой и позволяющим получить для УЭ оптимальное сопротивление нагрузки, согласовать выход с сопротивлением нагрузки, а также симметрировать выходную цепь (рис.5.5б). Часто трансформатор используют в качестве входного устройства; это позволяет добиться хорошего согласования источника сигнала с входной цепью УЭ, что снижает необходимую величину усиления и увеличивает динамический диапазон усилителя, а также даёт возможность симметрировать входную цепь.
Транзисторы в трансформаторных каскадах обычно включают с ОЭ или с ОБ. Включение с ОБ применяют для уменьшения нелинейных искажений, а также для стабильности свойств каскада при замене транзистора. Включение с ОК применяется редко.
Контрольные вопросы:
Для какой цели используются каскады предварительного усиления?
В каком режиме работы целесообразно использовать каскады предварительного усиления и почему?
Объясните назначение элементов схемы резисторного каскада, изображённого на рис.5.1.
Начертите амплитудно-частотную характеристику резисторного каскада и объясните его форму.
Начертите фазо-частотную характеристику резисторного каскада и объясните его форму.
Нарисуйте трансформаторный каскад предварительного усиления, поясните назначение элементов схемы. В чём достоинства и недостатки трансформаторной схемы усиления по сравнению с резисторным каскадом?
Глава VI. Каскады мощного усиления
VI.1. Основные сведения об усилителях мощности.
Назначением каскада мощного усиления является отдача в нагрузку заданной мощности сигнала при допустимом уровне нелинейных и частотных или переходных искажений, а также при возможно наименьшем потреблении мощности от источника питания.
Поэтому режим работы, положение точки покоя на характеристиках УЭ, а если возможно, – и сопротивление нагрузки его выходной цепи у каскада мощного усиления выбирают, исходя из этих требований. При этом коэффициент усиления обычно оказывается много ниже, чем у каскада предварительного усиления с тем же УЭ. С этим приходится мириться, так как для усилителя мощности коэффициент усиления является второстепенным показателем.
Каскады мощного усиления сигналов произвольной формы могут работать как в режиме А, так и в режиме В (АВ). Режим В (АВ) применяется только в двухтактных схемах усилителей мощности. При усилении прямоугольных импульсов постоянной амплитуды наиболее выгодным является режим С.
На практике встречаются усилители мощности от милливатт до сотен киловатт. При очень малой мощности – до десятых долей ватта – в каскадах мощного усиления применяют маломощные приёмно-усилительные электронные лампы (триоды, экранированные лампы) или маломощные транзисторы. При средней мощности (единицы или десятки ватт) используют специальные выходные приёмно-усилительные лампы (триоды, лучевые тетроды, пентоды) или мощные транзисторы. При большой выходной мощности (киловатты и выше) в усилителях мощности применяют мощные генераторные и модуляторные лампы.
Наиболее употребительным в каскадах мощного усиления является включение транзисторов с ОЭ, дающее наибольшее усиление мощности сигнала, а поэтому требующее наименьшей выходной мощности от предыдущего каскада и наименьшее усиление от каскада предварительного усилителя. Включение с ОБ позволяет получить меньший коэффициент гармоник и очень малую зависимость параметров усилителя от дестабилизирующих факторов (окружающая температура, изменение напряжения питания, старение и замена транзисторов). Однако при таком включении выходной ток сигнала очень велик, что требует делать предыдущий каскад трансформаторным, а предварительный усилитель – с большим коэффициентом усиления. Схема с ОК используется в каскадах без выходного трансформатора, так как обеспечивает непосредственное согласование выхода усилителя с низкоомной внешней нагрузкой. Но эта схема во избежание теплового пробоя транзисторов нуждается в дополнительной температурной стабилизации и требует более тщательной регулировки.
У маломощных транзисторов тепло от коллекторного перехода передаётся корпусу, имеющему контакт с окружающей средой и охлаждающемуся в основном конвекцией. У мощных транзисторов поверхность корпуса для этой цели недостаточна, и корпус охлаждают при помощи специального радиатора или отводят от него тепло на металлическое шасси устройства. Радиатор обычно делают ребристым для увеличения поверхности теплоотдачи. Наиболее подходящим материалом для радиатора является алюминий или его сплавы, обладающие малым удельным весом, хорошей теплопроводностью и легко поддающиеся механической обработке. Радиатор иногда охлаждают струёй воздуха, прогоняемой через него предусмотренным для этой цели вентилятором. Поверхность радиатора в месте крепления транзистора шлифуют, и транзистор с помощью винтов или обоймы плотно прижимают к охлаждающей поверхности. Воздушную прослойку между транзистором и радиатором иногда заполняют веществом с более высокой теплопроводностью, чем воздух (кремнийорганическое соединение или эпоксидная смола).
Корпус мощных транзисторов обычно имеет электрический контакт с коллектором. Поэтому при использовании для охлаждения транзисторов металлического шасси устройства, а также при установке на общий радиатор транзисторов двухтактной схемы корпус электрически изолируют от теплоотвода с помощью слюдяной прокладки.