Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

p = n2/n1

В идеальном трансформаторе (рис. 7.20, a), в котором энергия передается без потерь, коэффициент передачи напряжения равен коэффициенту трансформации

p = U2/U1

Из закона сохранения энергии следует, что полная мощность в первичной цепи должна быть равна полной мощности во вторичной, и поэтому коэффициент передачи тока равен обратной величине коэффициента передачи напряжения

p = I1/I2

На основе приведенных зависимостей можно легко показать, что коэффициент передачи сопротивлений равен квадрату коэффициента трансформации (передачи)

Z2/Z1 = р2

или коэффициент трансформации равен корню квадратному из коэффициента передачи сопротивлений.

Последняя зависимость позволяет трактовать трансформатор не только как устройство для трансформации напряжения и тока, но и как устройство для трансформации сопротивлений. Этим свойством трансформатора пользуются в том случае, когда необходимо согласовать сопротивления нагрузки и источника для создания оптимальных условий передачи мощности в цепи. Если, например, источник с внутренним сопротивлением 100 Ом должен передавать мощность в нагрузку с сопротивлением 16 Ом, достаточно использовать понижающий трансформатор с коэффициентом передачи

р = √(16/100) = √(1/6,25) = 1:2,5.

Трансформатор позволяет также перейти от несимметричной схемы к симметричной и наоборот. Несимметричной называется схема, в которой один зажим генератора и нагрузки соединен с массой схемы, а второй имеет потенциал выше или ниже.

Все рассматриваемые до сих пор усилители были несимметричными, поскольку из-за источника сигнала один конец нагрузки был всегда соединен с массой.

Часто возникает необходимость создания симметричного источника, т. е. разделенного на две части, на которых действуют одинаковые по значению относительно малые напряжения, но противоположной полярности.

Симметричная относительно массы схема имеет три провода. Средний (нулевой) провод имеет потенциал массы. Остальные два провода имеют определенный потенциал относительно массы, причем когда на одном из них действует положительный мгновенный потенциал, то на другом — отрицательный.

Идеальным симметрирующим устройством является трансформатор (рис. 7.20, б). Для перехода на симметричную схему достаточно к несимметричному источнику подключить трансформатор со вторичной обмоткой, разделенной на две равные части. При соединении с массой, выведенной наружу трансформатора средней точки обмотки, получаем симметричный источник.

Рис. 7.20. Идеальный трансформатор (а) и трансформатор как симметрирующая схема (б)

Какие недостатки у трансформаторной связи?

Недостатками трансформаторной связи являются: увеличение стоимости и габаритных размеров схемы, ухудшение частотной характеристики, возможность возникновения дополнительных нелинейных искажений из-за нелинейности самого трансформатора.

Первый недостаток не требует подробных комментариев. Трансформатор, выполненный, как правило, на сердечнике из магнитного материала и содержащий часто несколько сотен витков, является устройством, занимающим значительно больший объем, чем объем элементов, входящих, например, в состав транзисторного усилителя. Его стоимость значительно больше стоимости конденсатора связи.

Вид частотной характеристики усилителя, в котором используется трансформаторная связь, в основном зависит от частотной характеристики трансформатора. Трансформатор можно рассматривать как четырехполюсник, состоящий из нескольких индуктивностей (индуктивности первичной обмотки и индуктивности рассеяния), емкостей (емкости обмоток и межвитковые емкости) и сопротивлений (сопротивления обмоток). Вид частотной характеристики такого четырехполюсника зависит от параметров составляющих его элементов, а те в свою очередь от конструкции и исполнения трансформатора. Не вникая в детали, можно утверждать, что в диапазоне низких частот принципиальное значение имеет индуктивность первичной обмотки. Чем меньше требуемая нижняя граничная частота, тем большей она должна быть.

В трансформаторе, используемом в усилителе звуковых частот, индуктивность часто превышает 100 Гн. В диапазоне высоких частот верхняя граничная частота ограничивается индуктивностями рассеяния, которые должны быть как можно меньше. Они образуют последовательный резонансный контур, который при благоприятных условиях (высокая добротность Q трансформатора) может вызвать подъем амплитудной характеристики А вблизи резонансной частоты (рис. 7.21).

Рис. 7.21. Амплитудная характеристика трансформатора:

1 — плоская; 2 — с выбросом вблизи резонансной частоты

Если принять во внимание требование малых габаритных размеров трансформатора, то получение широкой и плоской амплитудной характеристики является не простым делом.

Дополнительным затруднением в правильном изготовлении трансформатора является тот фактор, что через его первичную обмотку протекает постоянный ток (анода или коллектора), приводящий к насыщению сердечника. Трансформатор должен работать вдали от точки насыщения. Если насыщение сердечника возникает до появления пика усиливаемого сигнала, наложенного на постоянную составляющую, появляются нелинейные искажения. Это очень существенная проблема, особенно в усилителях больших сигналов.

Когда используется трансформаторная связь?

Из-за высокой стоимости трансформатора и связанных с этим недостатков трансформаторная связь используется редко. Чаще всего этот вид связи применяют в выходных мощных каскадах как ламповых, так и транзисторных, в которых используется возможность согласования малого сопротивления, например, громкоговорителя с оптимальным сопротивлением нагрузки активного элемента. Громкоговоритель сознательно указан в качестве примера оконечной нагрузки усилителя, поскольку чаще всего трансформаторную связь применяют в усилителях звуковых частот. Именно в этих усилителях трансформаторы также используют в качестве симметрирующих схем для возбуждения балансных (противотактных) усилителей мощности. В промежуточных каскадах ламповых и транзисторных усилителей трансформаторную связь применяют крайне редко, так как выигрыш в усилении и согласовании не компенсирует недостатков трансформатора.

Иногда трансформаторная связь применяют в импульсных усилителях. Трансформатор с минимальными индуктивностями и емкостями рассеяния в этом случае проектируют исходя из получения оптимальных параметров без учета связанных с этим расходов.

Какими параметрами характеризуется усилитель мощности?

Задачей усилителя мощности является подведение к приемнику энергии (нагрузки) определенной мощности переменного тока. Главными параметрами, определяющими энергетические свойства усилителя мощности, являются: полезная выходная мощность Рвых и максимальная выходная мощность в условиях полного возбуждения усилителя; энергетический КПД μ, определяемый как отношение полезной выходной мощности к мощности, подводимой от источника питания; уровень нелинейных искажений, характеризуемый содержанием гармоник Кг выходного сигнала при синусоидальном входном сигнале; частотная характеристика, определяемая нижней и верхней граничными частотами, а также формой характеристики внутри полосы (неравномерность усиления).

Первые три параметра взаимосвязаны и зависят прежде всего от типа лампы или транзистора, используемой схемы и режима работы усилителя.

Рассмотренные до сих пор усилительные схемы работали в классе А, т. е. рабочая точка находилась посередине рабочей характеристики. Можно сказать, что класс А характеризуется постоянным протеканием анодного или коллекторного тока в такт с управляющим сигналом. Поскольку полный период синусоидального возбуждающего сигнала соответствует углу 360°, то угол отсечки анодного или коллекторного тока 2θ также равен 360°.

В усилителях мощности применяют и другие классы работы.

Класс АВ — рабочая точка находится в нижней части рабочей характеристики; угол отсечки удовлетворяет условию 180°< 2θ < 360°.

Класс В рабочая точка находится на начальном участке рабочей характеристики вблизи границы отсечки тока (2θ = 180°).