О настройке смещения

О настройке смещения

Вопросы, связанные с настройкой смещения выходных ламп в усилителях и необходимостью проведения этой процедуры при замене ламп, задаются постоянно. Кому-то действительно интересно, чтобы его аппарат работал надлежащим образом, кто-то считает техобслуживание сплошным «разводом». Каждому свое, так и будет.

Не удивительно, что существует большое количество пользователей, которые вообще не представляют себе что это за смещение такое, где оно живет и зачем вообще нужно. Поэтому можно было бы начать издалека. Я же считаю, что важнее обозначить проблему, обратить на нее внимание. А потом можно и ликбез некоторый дать тем, у кого возникают соответствующие вопросы.

Со времен «золотой эры» ламповой техники пошло мнение, подкрепляемое воспоминаниями старшего поколения, что в ламповом усилителе ничего настраивать якобы не требуется, просто заменил выходные лампы на новые и все отлично работает. Причина, по которой это «канало», проста – консистентность ламп, которая была следствием высокой культуры их производства в те годы. То есть, на заводе усилитель был настроен под определенные лампы с некоторым запасом, необходимым для обеспечения надежной работы, и купленные новые лампы подходили как «родные». На чем основана уверенность, что сегодня это непременно «проканает»?

Давайте проанализируем возможные варианты.

Допустим, в усилителе смещение настроено достаточно «холодно», тогда любая годная лампа соответствующего типа в этом усилителе окажется в допустимом режиме. Просто устанавливаем точно подобранную пару новых ламп вместо старых. Хорошо? Не всегда. Если лампы окажутся в слишком облегченном, обедненном режиме, то усилитель не реализует свой звуковой потенциал. Особенно это заметно на маленькой громкости, звук тонкий, зудящий, вялый.

Или допустим иной вариант, что смещение было настроено конкретно под предыдущую пару ламп. Тогда в случае простой замены возможен как слишком облегченный режим работы новых ламп (см. выше), так и слишком «горячий», тяжелый режим, что, скорее всего, закончится аварией.

Это наиболее типичные случаи (при в общем-то годных лампах), наблюдающиеся у большинства поступающих на обслуживание гитарных усилителей.

Очень часто о звучании ламп различных марок судят по результатам прослушивания, при котором лампы просто перетыкают без надлежащей настройки смещения. Видимо, слушают насколько конкретный комплект ламп подходит к случайной настройке или насколько данный комплект «косячный». Очевидно, что ценность таких «прослушиваний» весьма сомнительна.

Ни в коем случае не пытайтесь настраивать смещение «на слух»!

Какая настройка смещения выходных ламп требуется для правильной работы усилителя? Необходимо установить такой ток покоя, при котором лампа рассеивает половину максимально допустимой для нее мощности. Теоретически можно «высадить» на лампе до 70% допустимой мощности, и так даже будет лучше для звука, особенно на малой громкости… но практически следует ограничиться 50%.

Теперь о том, в каких случаях можно самостоятельно пытаться настраивать смещение.

Если аппарат имеет выведенный наружу шасси регулятор смещения и контрольные точки, если в предоставляемом производителем усилителя руководстве пользователя есть пошаговое описание этой процедуры, тогда это можно делать самостоятельно. Даже наличие контрольных точек необязательно, можно специальным воспользоваться зондом-переходником.

Если же снаружи шасси нет доступа к регулятору смещения и вы не являетесь квалифицированным специалистом (или хотя бы достаточно опытным радиолюбителем) – лучше не суйтесь внутрь аппарата. Например, у «классических» усилителей Marshall 2203 и SuperLead регулятор смещения расположен внутри шасси, причем так, что при его вращении отверткой легко по неосторожности угодить рукой в анодный выпрямитель, а там ни много ни мало 460В.

Ликбез

Лампа рассеивает (превращает в тепло) мощность, равную сумме произведений токов, протекающих в цепи каждого электрода, на напряжения на соответствующих электродах. Сюда же можно добавить мощность, потребляемую подогревателем (нитью накала). Обычно при настройке аппарата учитывается только мощность, рассеиваемая анодом лампы. Чем больший ток протекает в цепи анода лампы при заданном напряжении на нем и остальных электродах, тем большая мощность рассеивается на аноде, превращаясь в тепло, и тем лампа горячее, соответственно, режим тяжелее.

Смещение это напряжение на управляющей сетке относительно катода лампы, с помощью которого задается режим работы лампы. В гитарных усилителях (и вообще большинстве ламповых звуковых усилителей) это напряжение отрицательное. Способы получения и подачи этого напряжения могут быть разными, наибольшее применение нашли так называемое «автоматическое» смещение (автосмещение, «катодное» смещение) и фиксированное смещение.

Автоматическое смещение обычно получается в результате протекания тока через резистор, включенный между катодом лампы и общим проводником схемы (т. н. «землей»). Примеры такого решения: VOX AC30, Laney LC30, Peavey Classic 20, Kustom Coupe’72, Matchless Chieftain (также Clubman, DC30) и т. д. Фиксированное смещение подается непосредственно на управляющую сетку. В большинстве гитарных усилителей это напряжение может настраиваться, исключением являются все модели Mesa/Boogie, Fender ProJunior, Marshall JTM30, Peavey Classic 30 и другие.

Усилитель мощности с общим катодом

Обычная схема удвоения сети (220В) дает источник для питания анодно-экранных цепей ламп (+620В +310 В). Для питания накалов ламп используется конденсатор С6, который ограничивает ток накалов.

Источник отрицательного напряжения собран на Tp1,V9. Vl2, С20. В качестве Тр1 используется малогабаритный трансформатор, т.к. потребление по управляющим сеткам очень мало.

Хочу заострить внимание на том, что подобные схемы имеют два «общих провода». Один — для схемы по постоянному току, это минусовая обкладка конденсатора С5, обозначенная 0В. Относительно этой точки нужно производить измерения по постоянному току. Причем при этих измерениях надо соблюдать технику безопасности, т.к. такие цели не имеют гальванической развязки от сети. Например чтобы измерить анодное и экранное напряжения, нужно «-» вольтметра подключить к точке 0B, a «+» вольтметра — на ножку 3 V5 либо V6. Это и есть напряжение на экранных сетках. Если на ножку 6 V5 либо V6 — это и будет анодное напряжение.

Чтобы измерить «-» на управляющей сетке, нужно поменять полярность вольтметра, т.е. «+» вольтметра подать в точку 0В, а «-» — на ножку 2 V5 либо V6 и резистором R1 выставить ток покоя ламп в режиме ТХ — передача(без сигнала на входе). В режиме приема (RX) на управляющих сетках — максимальный «-» и лампы закрыты, ток через них равен нулю. Режим ламп выставляется резистором R1 в режиме несущей по прибору РА1. Двигая R1 в сторону контакта реле Р2, уменьшают «-» на управляющих сетках до тех пор, пока идет линейный прирост показании РА1. Как только линейный прирост прекратился, R1 слегка возвращают назад и фиксируют лаком.

Вторым общим проводом является корпус усилителя — это общий провод для радиочастотного сигнала. И все измерения ВЧ-напряженнй, если в этом есть необходимость, производятся относительно корпуса.

Большинство элементов усилителя некритичны и могут значительно отличаться по номиналам. Например емкости С1, С2, С7, С8, С19, С16 могут колебаться в пределах 1000 пФ. 10000 пФ. Главное, чтобы они выдерживали напряжения схемы, т.е. С1, С2 — не менее 250 В, С8 — не менее 1000 В (он может быть набран из двух на 500 В), С7 — не менее 500 В, С19 — не менее 250 В, С16 — любой. С14—80. 200 пФ.

Критичен только одни элемент — С9. Он должен иметь значительный запас по напряжению — не менее 1000 В, а главное, емкость его не должна быть более 3000 пФ. С9 — это та «изюминка» схемы, которая обеспечивает безопасность при бестрансформаторном питании. В случае обрыва общего заземления ток между корпусом и общим заземлением не достигает величины, поражающей организм человека, т.к. ограничен емкостью С9<3000 пФ на уровне 250. 300 мкА в самом неблагоприятном случае. Еще одна особенность — вместо дросселя в управляющей сетке используется резистор R5. Как показал опыт, использование резистора значительно повышает устойчивость каскада к самовозбуждению.

Также достаточно удачно решён вопрос использования контуров L7, L8, L9, L10, Lll, L12. Они используются реверсивно, т.е. при приеме (RX) являются входными узкополосными с подстройкой входа С18, а при передаче (ТХ) — согласующими низкое выходное сопротивление трансивера (как правило, 50. 75 Ом) с высоким входным сопротивлением лампового усилителя по схеме с общим катодом.

При передаче (ТХ) С17 подключается параллельно С18, но т.к. емкость С17 мала (2пФ), она почти не влияет на настройку контуров L7, L8, L9, L10, L11, L12, аналогично Ссв подключается параллельно С12 и также не влияет на настройку контура. Ссв выполнен в виде одного-двух витков вокруг монтажного провода, соединяющего С10 с С12. Этот кусочек монтажного провода выполнен из высоковольтного провода, либо из коаксиального кабеля, с которого снята внешняя оплетка, а витки намотаны поверх толстого капронового наполнителя. Такой конденсатор связи выдерживает большие реактивные напряжения и токи и может применяться в более мощных усилителях. После малой емкости (Ссв) — и малые напряжения, поэтому Р1 не очень критично к зазору между контактами.

Данная схема коммутации антенны с RX нa ТХ с реверсивным использованием элементов П-контура и входного «узкополосного» контура позволяет производить «холодную» настройку на корреспондента — по максимальной громкости, ручками С12, С13, С18, без излучения «несущей» в эфир, что значительно сокращает взаимные помехи н настройку на частоте ДХ-ов. Вместо L7, L8, L9, L10, L11, L12 можно обойтись всего двумя катушками: одна настраивается на ВЧ-диапазонах — на 28 МГц минимум С18, другая — на 7,0 МГц с минимумом С18, но максимальная емкость С18 должна быть до 500 пФ (чтобы перекрывать оставшиеся диапазоны).

Отводы у катушек L7, L8, L9, L10, L11, L12 делают приблизительно от 1/3 витков (от заземленного конца), но лучше подобрать на каждом диапазоне по максимальному ВЧ напряжению на управляющих сетках ламп.

Катушки выполняются на любых каркасах с сердечниками (и даже без них). Главное — их нужно настроить по максимальной громкости принимаемых станции (при отсутствии приборов), возможно, придется немного изменить емкости, подключенные параллельно им.

Лампы V5, V6 включены на сложение мощностей в диапазоне 28 МГц; L5 и L6 настраиваются на максимум выходной мощности на 28 МГц сдвигая и раздвигая витки. При этом нужно помнить, что L5, L6, L4 находятся под анодным напряжением и нужно соблюдать все меры предосторожности.

L4 для снижения габаритов П-контура и удобства механического крепления выполнена на тороидальном кольце из текстолита, гетинакса, фторопласта и т.д., крепится прямо на галете. Отводы на L4 подбираются экспериментально, в зависимости от входного сопротивления антенны.

L5, L6 — бескаркасные, они намотаны на оправе диаметром !5 мм н содержат 6 витков провода ПЭВ-1 1,5 мм , длина намотки — 25 мм.

L4 — 60 витков, намотка — виток к витку, отводы — ориентировочно от 4, 18, 32 витков, первые 4 витка — проводом 1 мм, остальные — 0,6 мм.

Дроссель L3 намотан на любом изоляционном материале и содержит приблизительно 160 витков провода 0,25. 0,27 мм, часть витков намотана ниток к витку, остальные — внавал. Намотка виток к витку соединена с L4 («горячий» конец L3).
Катушки L7, L8, L9, L10, L11, L12 — на каркасе не менее 6 мм с сердечником СЦР-1.
L7 — 10 витков ПЭЛ 0,51, отвод от 3-го снизу;
L8 — 12 витков ПЭЛ 0,51, отвод от 4-го снизу;
L9 — 16 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 5-го снизу;
L10—25 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 8-го снизу;
L11 — 35 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 10-го снизу;
L12 — 45 витков ПЭЛ 0,25, отвод от 12-го снизу;
С21 — 10пФ; С22 — 15пФ; С23 — 68 пФ; С24 — 120 пФ; С25 — 200 пФ; С26 — 430пФ.

Р1, Р2 могут соединяться как по схеме рис.1, так и параллельно, может быть применено одно реле с несколькими группами контактов, например РЭС-9, РЭС-22 и т.д. Тип реле также зависит от Uупр, приходящего с трансивера.

Тема: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Домашняя страница
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Сообщение от eduard.petrash

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Сообщение от stan marsh

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Домашняя страница
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Сообщение от DIM

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

От опера с парафазным выходом, включенным по схеме интегратора, до банального диффкаскада с коллекторами на смещение

———- Сообщение добавлено 10:54 ———- Предыдущее сообщение было 10:53 ———-

Сообщение от Игорь Тихомиров

И когда левая улетает в разгон, правая улетает следом. Уже писал.

———- Сообщение добавлено 11:06 ———- Предыдущее сообщение было 10:54 ———-

Сообщение от Игорь Тихомиров

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Сообщение от fakel
Сообщение от fakel

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Сообщение от Игорь Тихомиров

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Домашняя страница
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Сообщение от eduard.petrash

А откуда там сумма берется?

Два напряжения через 1к резисторы на неинв. вход ОУ — это не сумматор.

Сообщение от Игорь Тихомиров

• Просмотр профиля
• Сообщения форума
• Созданные темы

Re: Выравнивание токов покоя PP лампового усилителя.

Сообщение от КСИВ

Да, Вы предлагаете несложный вариант когда одна лампа работает как работает а режимы другой подстраивают под режим первой ( как и в посте 11 выше).
Несомненный выигрыш Вашего варианта в простоте, но , как отмечалось выше , — при разгоне и выходе из режима первой лампы, туда же уходит и вторая.
( Конечно явный выход из режимов можно контролировать отдельно и он бывает крайне редко.)

———- Сообщение добавлено 17:11 ———- Предыдущее сообщение было 17:09 ———-

Оптимальный ток покоя выходного каскада на полевых транзисторах в усилителях мощности

Выходной каскад усилителя – весьма нелинейный узел. И снижение его искажений очень хорошо отразится на работе усилителя и на его качестве звучания. Самые низкие искажения выходного каскада будут, конечно же, в классе А. Вот только греться выходные транзисторы при этом будут очень сильно. Чтобы снизить их нагрев обычно снижают напряжения питания. А это повышает искажения полевиков. И, главное, снижает максимальную выходную мощность усилителя. Значит появляется опасность возникновения клиппинга. То есть стремление улучшить звук, приводит к возможности его сильного ухудшения.

Что же делать? А нельзя ли найти такой ток покоя выходных полевых транзисторов, чтобы и искажения были маленькими, и нагрев небольшим?

Известный разработчик звуковой техники Дуглас Селф в книге «Проектирование усилителей мощности звуковой частоты» писал, что для низких искажений ток покоя выходного каскада на биполярных транзисторах должен быть как раз маленьким, выходные транзисторы должны работать в классе В. То есть греться минимально. Однако для выходных полевых транзисторов невозможно теоретически указать оптимальное значение тока покоя, при котором искажения выходных полевых транзисторов были бы минимальны.

Я усомнился в том, что оптимального тока покоя для полевых транзисторов не существует вообще. Какая-то оптимальная величина тока покоя, которую можно рекомендовать устанавливать в УМЗЧ, должна быть. Чтобы и качество высокое, и нагрев небольшой. Поэтому провел экспериментальную проверку влияния тока покоя выходного каскада на его искажения. Для этого я применил такую систему. Собрал высококачественный усилитель с полевыми транзисторами на выходе, по топологии Лина. Для того чтобы легче было измерять величину искажений, глубина общей ООС была уменьшена на 30 дБ. С целью линеаризации каскада усиления напряжения усилителя, вносящего наибольшие искажения, в него была введена местная ООС глубиной 12 дБ. Такая модернизация позволила более четко выделить искажения, вносимые выходным каскадом усилителя.

Итак, перед вами результаты реальных измерений на настоящем усилителе.

Цель оптимизации – получить достаточно низкие искажения, вносимые выходным каскадом при сравнительно небольшом токе покоя, а значит и нагреве выходных транзисторов.

С целью всестороннего изучения искажений, вносимых выходным каскадом, измерялись следующие виды искажений такого специализированного усилителя:

— коэффициент интермодуляционных искажений, использующий стандартный метод SMPTE с частотами 60 Гц и 7 кГц и соотношением амплитуд 4:1;

— коэффициент гармоник, нормированный к номеру гармоники k, вычисленный для первых одиннадцати гармоник:

Этот коэффициент используется сравнительно редко. Однако в нем есть необходимость, так как этот коэффициент учитывает не только величину гармоники, но и ее номер. Чем больше номер, тем больше коэффициент. Известно, что чем выше номер гармоники, тем более она заметна и неприятна на слух. В результате нормированный коэффициент гармоник не только вычисляет искажения, он позволяет учесть ширину спектра искажений и хоршо отображает «неприятное звучание» высших гармоник. Этот параметр гораздо сильнее связан с субъективным качеством звучания, чем «обычный» Кг. Но нормированный Кг непривычен — его практически не используют (потому что он более честно показывает искажения, а производители хотят красивых рекламных чисел). Поэтому для сравнения спектров вычислялся коэффициент, который можно назвать «фактор спектра» (ФС):

Фактор спектра показывает ширину спектра искажений. Если в спектре присутствует только вторая гармоника, то ФС=1. Бо’льшие значения ФС соответствуют присутствию в спектре искажений большего числа высших гармоник. На рис. 1 показана зависимость фактора спектра от ширины спектра сигнала (график на рис. 1 построен по результатам проведенных измерений). Здесь показаны только первые одиннадцать гармоник, а вообще реальный спектр искажений при больших значениях фактора спектра содержал гармоники значительной амплитуды вплоть до двадцатой!

Для измерений использовалась звуковая карта EMU-0404 и последняя версия программы SpectraPLUS. Коэффициенты гармоник и интермодуляционных искажений вычислялись программой по встроенным алгоритмам. Нормированный коэффициент гармоник вычислялся на основе амплитуд гармоник, выдаваемых программой.

Исследовались наиболее популярные мощные комплементарные транзисторы, устанавливаемые в выходной каскад усилителя:

— IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier;

— 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba;

— 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi.

Во всех случаях измерялись две-три пары однотипных транзисторов. Результаты не усреднялись, но разброс результатов для однотипных транзисторов был несущественным. В пары транзисторы не подбирались.

Измерения производились для двух типов нагрузки: активной, сопротивлением 6 ом и сложной комплексной, имитирующей реальные акустические системы.

Искажения выходных транзисторов на активной нагрузке показаны на рис. 2 — рис. 4.

Хорошо видно, что при увеличении тока покоя величина искажений, вносимых выходным каскадом, снижается. Вместе с искажениями снижается и значение фактора спектра. Это означает, что в спектре искажений снижается содержание гармоник высоких порядков, что положительно сказывается на звучании усилителя, воспринимаемом на слух. При условии, что выходной каскад остается работать в классе АВ, можно легко найти оптимальный ток покоя, при котором искажения невелики и при увеличении тока снижения искажений практически не происходит. Оптимальный ток получается равным 300 мА для транзисторов IR, 200 мА для транзисторов Toshiba и 120 мА для транзисторов Hitachi. Интересно, что последние транзисторы значительно отличаются по величине искажений. Надо сказать, что они отличаются и по работе на постоянном токе, для обеспечения работы этих транзисторов пришлось переделывать цепь смещения усилителя.

Искажения выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку показаны на рис. 5 — рис. 7.

Для комплексной нагрузки также характерно наличие оптимальной величины тока покоя, близкой по значениям к оптимальным величинам тока на активной нагрузке.

Интересно отметить, что при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада в ряде случаев растут. Вполне возможно, что здесь проявляется влияние изменения крутизны выходного каскада, описанное Д. Селфом.

Важность параметра «фактор спектра» можно продемонстрировать на таком примере. На рис. 5 у транзистора Toshiba величины Кг и IMD при токах покоя 250 мА и 2000 мА практически равны. Из этого можно сделать вывод о том, что выходные транзисторы на этих токах работают совершенно одинаково. Однако значения фактора спектра для этих токов равны ФС(250 мА)=2,6 и ФС(2000 мА)=1,08. И спектры искажений в этих случаях разные. Они близки к спектрам, показанным на рис. 1 черным и синим графиками. Спектр искажений при токе покоя 250 мА содержит как минимум девять гармоник заметной амплитуды, тогда как спектр при токе 2000 мА содержит только вторую и третью гармоники.

Транзисторы разных производителей демонстрируют совершенно разное поведение. Это позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на примерно одинаковые основные параметры транзисторов, их свойства сильно различаются. Однотипные транзисторы имеют очень близкие свойства. На рис. 8 показаны характеристики, измеренные на двух разных парах однотипных транзисторов. Различие лежит в пределах погрешности измерений.

Для более полного исследования и исключения случайности полученных результатов был проведен ряд дополнительных измерений. С целью их упрощения измерялся только коэффициент гармоник, который хорошо отражает нелинейность выходных транзисторов. Исследовались транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. На рис. 9 показана зависимость Кг от тока покоя для различных значений сопротивления активной нагрузки. В целом зависимость сохраняется, и значение оптимального тока покоя можно считать неизменным.

На рис. 10 показана зависимость Кг от тока покоя на активной нагрузке для различных значений выходного напряжения. Графики пересекаются в одной точке: с одной стороны, чем меньше выходное напряжение, тем выше относительные искажения «ступенька» при малом токе покоя. Поэтому маленькое выходное напряжение дает большие искажения. Это при малом токе покоя. С другой стороны меньшее выходное напряжение создает меньшую нелинейность выходных транзисторов (у полевых транзисторов крутизна зависит от напряжения) и, следовательно, меньшие искажения при достаточно большом токе. И снова графики демонстрируют примерно то же значение оптимального тока покоя.

Две последние зависимости коэффициента гармоник от температуры выходных транзисторов и от частоты тестового тона (рис 10 и рис. 11) показывают, что ни один из этих факторов не влияет на поведение транзисторов. Так что полученные результаты (рис. 2 – рис. 7) верны при любых условиях работы усилителя.

Если сравнить зависимости Кг от тока покоя, то можно заметить, что на всех графиках искажения достигают значения, равного примерно 0,25%, и дальше не уменьшаются. Это происходит потому, что величина искажений выходного каскада достигает и становится меньше величины искажений второго по уровню нелинейности узла усилителя – каскада усиления напряжения, который имеет Кг порядка 0,25%. Однако на правильность выводов данная ситуация не влияет:

1. Ищется не минимум искажений, а оптимум тока покоя. Как только искажения выходного каскада стали меньше, чем каскада усиления напряжения, то оптимум найден – главный вклад в искажения усилителя в целом вносит другой узел, следовательно, выходной каскад в дальнейшем совершенствовании не нуждается.

2. Каскад усиления напряжения дополнительно линеаризован на 12 дБ. Так что если искажения выходного каскада стали меньше чем у линеаризованного усилителя напряжения, то уж наверняка они будут гораздо меньше искажений «обычного». И их вклад в общие искажения усилителя будет весьма мал.

3. Тот факт, что при дальнейшем увеличении тока покоя сверх оптимального значения с выходным каскадом происходят какие-то изменения, показывает фактор спектра – при дальнейшем увеличении тока покоя спектр искажений сокращается. Возможно, что уменьшается и амплитуда искажений. Так что минимум искажений явно не достигнут, но однозначно достигнут оптимум тока покоя, когда искажения выходного каскада уже достаточно низкие, а нагрев выходных транзисторов небольшой.

В качестве иллюстрации оптимальности полученных значений можно привести результаты применения теории оптимизации к данной задаче. Целевая функция получается следующим образом. Имеются две переменные – ток покоя и коэффициент гармоник. Обе они проявляют свойство: чем меньше значение, тем лучше. Следовательно, переменные следует перемножать и искать минимум целевой функции. Поскольку величина Кг изменяется на порядок, а ток покоя на два порядка, то переменные следует привести к одному масштабу изменения, чтобы переменная, изменяющаяся сильнее, не «перетягивала» на себя результат. Для этого следует из величины тока покоя извлечь квадратный корень, что приведет диапазон ее изменения к диапазону изменения Кг. Таким образом получаем критерий оптимальности:

Результаты показаны на рис. 13, 14, 15. Они полностью согласуется с выводами, сделанными выше.

Выводы.

1. Искажения, вносимые выходным каскадом УМЗЧ, существенно зависят от тока покоя выходных полевых транзисторов.

2. Наименьшие искажения наблюдаются при работе в классе А, что полностью согласуется с теорией. В классе В искажения существенно выше, чем в классе АВ. С ростом тока покоя искажения в общем случае уменьшаются.

3. Существует оптимальное значение тока покоя, при котором искажения достаточно малы при работе транзисторов в классе АВ. В ряде случаев, при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада растут.

4. Величина оптимального тока покоя для разных транзисторов лежит в диапазоне 150…300 мА, что намного больше тех значений, которые принято устанавливать в усилителях мощности. Обычно в усилителях устанавливают ток покоя 80…100 мА, а в некоторых промышленных конструкциях даже 40…60 мА.

5. Кроме амплитуды искажений, от тока покоя зависит и их спектр. При низких значениях тока покоя спектр гармоник значительно расширяется, а гармоники высоких порядков хуже подавляются отрицательной обратной связью. То есть при маленьком токе покоя у нас сразу две беды: большая величина Кг и широктй спектр искажений. Качество звучания наверняка будет невысоким. Спектр оптимального тока покоя содержит небольшое количество высших гармоник, которые эффективно подавляются общей ООС. Да и значение Кг невелико. Поэтому усилитель, ток покоя выходного каскада которого равен оптимальному, должен восприниматься на слух как хорошо звучащий.

6. Для транзисторов IRFP240/IRFP9240 оптимальный ток покоя составляет 300 мА. Для транзисторов 2SJ201/2SK1530 оптимальный ток покоя составляет 200…250 мА. Для транзисторов 2SJ162/2SK1058 оптимальный ток покоя составляет 120…150 мА.

7. Оптимальный ток покоя зависит только от типа выходных транзисторов. Другие факторы, такие как выходное напряжение или сопротивление нагрузки на его величину практически не влияют.

8. Самыми лучшими показали себя транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. Транзисторы IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier заняли второе место. Они хоть и являются переключательными, тем не менее мало чем уступают транзисторам фирмы Toshiba. Транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi являются заметно нелинейными и не рекомендуются для высококачественного усиления. Оптимум тока покоя для них тоже получается каким-то расплывчатым.

9. При неоптимальном маленьком токе покоя (таком, какой часто устанавливают в усилителях) искажения, вносимые выходным каскадом, в четыре-шесть раз выше (а на слух — с учетом ширины спектра — в шесть-десять раз выше), чем при оптимальном. Поэтому для высококачественного усиления необходимо задавать ток покоя выходного каскада равным оптимальному.