3.2.6.3. Двухтактные оконечные каскады

Существует два основных вида двухтактной схемы:

а) двухтактная схема с параллельным питанием усилительных элементов (рис. 6.9, а);

б) двухтактная схема с последовательным питанием усилительных элементов (рис. 6.9, б)^*).

В схеме с параллельным питанием усилительных элементов (УЭ) выход-ной трансформатор принципиально необходим, т.к. связь между плечами схемы осуществляется здесь только за счёт общего магнитного потока в сердечнике трансформатора. В схеме с последовательным питанием сопротивление нагруз-ки может быть включено непосредственно, как это показано на рис. 6.9, б.

Как видно из приведённых схем замещения, использование усилительных элементов в любом двухтактном каскаде имеет следующие особенности:

а) напряжения u₁ и u₁ подводятся к входным электродам 1 усилительных элементов в противофазе;

б) выходные электроды усилительных элементов 2 подключаются к про-тивоположным концам сопротивления нагрузки R_н при её непосредственном включении или к противоположным концам первичной обмотки при включе-нии нагрузки через трансформатор.

Этим включение усилительных элементов в двухтактной схеме отличает-ся от обычного параллельного (однотактного) их включения, при котором вы-ходные электроды, соединённые параллельно, подключаются к одному и тому же концу сопротивления нагрузки или первичной обмотки трансформатора, а напряжения на входных электродах изменяются синфазно.

Отсюда вытекают основные свойства двухтактной схемы.

Пусть усилительные элементы плеч двухтактной схемы возбуждаются гармоническими входными напряжениями u₁ и u₁, имеющими частоту  и одинаковые амплитуды U_m1, но находящиеся в противофазе и суммирующиеся с напряжением смещения U₀ (см. рис. 6.9) так, что

u₁ = U ₀ + U _1mcost; u₁ = U₀ + U_1mcos(t + ).

Тогда выходной ток i₂ первого плеча, получивший нелинейные искаже-ния вследствие кривизны динамической характеристики плеча, за счёт отсечки этого тока или по каким-либо другим причинам, может быть представлен сле-дующим образом при помощи ряда Фурье:

i₂ = I_ср + I_1mcost + I_2mcos2t + I_3mcos3t + I_4mcos4t+... .

При одинаковых параметрах плеч вследствие сдвига по фазе на  пере-менной составляющей напряжения u₁ по отношению к u₁, ток второго плеча

i₂ = I_ср + I_1mcos(t+) + I_2mcos(2t+) + I_3mcos(3t+) + I_4mcos(4t+) +… ,

так как сдвиг по фазе на  искажённой кривой тока i₂ равносилен сдвигу по фазе тока первой гармоники на , а тока n-ой гармоники на n.

Учитывая получившиеся сдвиги фаз, имеем

i₂ = I_ср  I_1mcost + I_2mcos2t  I_3mcos3t + I_4mcos4t ... .

Так как выходные электроды усилительных элементов подключаются к противоположным концам сопротивления нагрузки или первичной обмотки вы-ходного трансформатора, токи i₂ и i₂ в этом сопротивлении или в половинах обмотки трансформатора имеют всегда противоположные направления. Поэто-му при непосредственном включении нагрузки результирующий или разност-ный выходной ток

i_2d = i₂  i₂ . (6.7а)

При включении нагрузки через трансформатор токи i₂ и i₂, протекающие по половинам первичной обмотки в противоположных направлениях, создают магнитодвижущие силы иразличных знаков так, что результиру-ющая магнитодвижущая сила равна

. (6.7б)

Очевидно, что именно эта магнитодвижущая сила вызывает магнитный ток в сердечнике трансформатора, а также напряжение в нагрузке

u_нd  u_2d 2n = i_2d R_d 2n

и ток

в его вторичной обмотке (здесь n = W₂/W₁ – коэффициент трансформации вы-ходного трансформатора; 2n – его коэффициент трансформации по отношению к половине первичной обмотки).

Таким образом, ток в нагрузке равен или пропорционален разностному выходному току i_2d = i₂  i₂. Это положение является основой так называемого метода разностных токов, применяемого для исследования работы двухтакт-ной схемы.

Использовав для токов i₂ и i₂ приведённые выше разложения в ряд Фурье и находя их разность, получим

i_2d = 2I_1mcost + 2I_3mcos3t + … + 2I_(2k+1)mcos(2k+1)t +... , (6.8)

где k – целые положительные числа от k = 2 и выше.

Выражение (6.8) показывает, что в нагрузке, включённой в выходную цепь непосредственно или через трансформатор, при одинаковых параметрах плеч токи нечётных гармоник удваиваются, постоянные составляющие (сред-ние значения) токов и токи чётных гармоник взаимно компенсируются.

Для схемы с параллельным питанием (рис. 6.3, а) токи плеч в цепи источ-ника питания Е складываются, и суммарный ток

i_2s = 2I_ср + 2I_2mcos2t + 2I_4mcos4t +... + 2I_2kmcos2kt +... . (6.9)

Таким образом, в цепи питания отсутствуют токи нечётных гармоник, включая первую, то есть отсутствует ток основной частоты (частоты сигнала) . В схеме с последовательным питанием (рис. 6.3, б) через источник питания проходят токи соответствующих плеч i₂ и i₂.

На основании изложенного можно сделать выводы о следующих практи-ческих преимуществах двухтактной схемы по сравнению с однотактной.

1. Компенсация чётных гармоник выходного тока в цепи нагрузки умень-шает нелинейные искажения при работе усилительных элементов в режиме «А» и, что ещё важнее, позволяет применить экономичный и эффективный режим «В».

2. Компенсация постоянных составляющих выходного тока в цепи на-грузки при её непосредственном включении снижает потери мощности в этой цепи по постоянному току и в некоторых случаях улучшает режим работы уст-ройств нагрузки (например, громкоговорителей). При включении нагрузки че-рез трансформатор компенсация постоянных составляющих магнитодвижущей силы и постоянного магнитного потока в трансформаторе приводит к уве-личению динамической магнитной проницаемости материала сердечника.

Это в ряде случаев позволяет при заданных электрических параметрах трансформатора значительно снизить его габариты, массу и стоимость.

1. Нечувствительность двухтактной схемы к синфазным изменениям воз-буждающих напряжений позволяет допускать большую величину пульсации питающих напряжений, так как эти пульсации синфазно изменяют потенциалы соответствующих электродов усилительных элементов в плечах каскада, что приводит к снижению габаритов, массы и стоимости питающих устройств.

2. Компенсация токов основной частоты в цепях питания двухтактного каскада с параллельным питанием усилительных элементов значительно ослаб-ляют паразитную обратную связь за счёт общих источников питания усилителя.

Сделанные выводы о полной взаимной компенсации чётных гармоник и постоянных составляющих в цепи нагрузки, а также нечётных гармоник в цепи питания каскада справедливы при полной симметрии плеч двухтактной схемы. При наличии асимметрии получается лишь ослабление соответствующих гар-моник или постоянных составляющих, причём степень ослабления тем больше, чем меньше асимметрия.