新型的功率放大级——丁类放大器
1970/01/01 19:07 点击：816 / 回复：0
沈成衡
中型以上的低频放大器的末级，常采用甲乙类甚至乙类放大。但是效率不超过60％到70％。而30 ％到40％的电力是白白地消耗在电子管中了。
本文介绍的丁类放大器，就是利用脉冲技术来提高效率的一种新的放大器的设计。丁类放大器的基本原理如图1的方块图所示。把要放大的低频信号先输入普通音频电压放大器1，经放大后在变换器2中将由对称脉冲发生器3送来的两个对称脉冲加以宽度调制。调制后的脉冲送入末级放大级4，在放大级4中，一方面将调宽脉冲放大，另方面又将它重新变成音频信号输出。正因为末级输入是脉冲信号，故它的屏流导角很小，可获得很高的效率。
现在将它的工作原理简单地介绍如下。
图2是丁类放大器末级的原理图。图中由变压器T、电容器C1、C2和对称负荷电阻R1、R2组成脉冲储存器。
我们先来看一看在对称脉冲未被调制时（即没有音频输入）的情况。这时输入的是两个相位刚相反的对称脉冲U3及U4，它们的正负延续时间相等如图3甲，即tb=ta。我们可将它的工作情况分成几个阶段来分析：
1）自0－t1这时因U3为正,所以V1管开放，有屏流i1流经L1及电子管内阻Rp。Rp及L1的值选得使此电路的时间常数Tc=R很大。因此i1就慢慢成直线律增长，至t1时增至Ima，但因此时栅极电位U3突然变负，将V1管截止，i1停止（图3乙）。这时V1屏极上的电压由零增至Uma（图3戊），但和乙电源比起来却仍很小（这是因为L1的电感很大，Rp很小而脉冲屏流又很短，故大部分电压为L1中的自感反电势所抵消了的缘故）。和i1增长的同时，L1及L2中铁心的磁力线Φ也随着增长（图3丙），而将能量储存于磁场中。Lp
2）自t1－t2在t1时电子管V1封闭，i1虽马上停止，但L1及L2的铁心上的磁力线是不能立刻消失的。在磁力线逐渐减弱的过程中，使在L1及L2中都会感应出一个电势。在L1中的电势极性和Ea的相同，所以V1管的屏压将差不多为2Ea，但L2上的感应电势其极性与乙电源极性相反，所以它就通过二极管V4而产生电流i2。这样一来，V2管屏极上的电位就比地为负而将Ea抵消。所以在t1以后虽然V2管的栅位U4已变正（因它和U3是反相的），但仍然没有屏流。但因为由于反电势及其所产生的电流i2到底是要逐渐减小的，一当它消失后，即至t2时电子管V2就产生屏流i3。又因i2实际上是由i1引起的，所以它的开始值也就等于Ima。
3）t2—t3这段和上一段时间内（0—t1）相似，V2电子管由于加到其栅极上的是正脉冲（U4）而i2已变为零，即与Ea相反的电势消灭，电子管V2突然导电，但因L2自感的关系，又发生自感反电势，使屏压及屏流i3都不能突然上升。以后的情况就和第一段的时间内V1及L1的作用相同，不过脉冲变压器T中的磁力线方向正相反（图3丙）。在t3时的变化情况亦和t1时的变化情况相似，也就是说和自第一段转变为第二段时的情况相似。线圈L2中的电流i3转变为线圈L1中的电流i4。
4）自t3－t4通过V4的放电电流i4。及因之而引起的L1中的磁力线Φmb逐渐下降，这过程和第2段（t1－t2）的过程相似。经过二极管V4的电流i4一停止，B点的电位就等于零，因之电子管V1导电，产生屏流i1。此后所发生的过程就完全和已讲过的四个阶段的情况相同，如此循环不息。
若我们设法使加至V1及V2两电子管栅极的脉冲U3及U4不对称，即正脉冲的宽度和负脉冲宽度不等，例如图4那样ta大于tb，由于正脉冲宽度ta加长和负脉冲宽度tb减短，将使通过电子管V1屏流i1的终值（即图4中的Ima、I＇ ma、I"ma等）增大，而使通过电子管V2的屏流i3的终值（图4中的I＇ mb、 I"mb等）减小，而它们又互为因果，使i1越来越大，而i3则越来越小。另一方面由于在变压器线圈中出现直流分量Ioa及Iob以及AC两点（见图2）间电位的变化，而使各电流的增涨速率发生差异
那末怎样使低频电压放大呢？从上面知道，负荷电阻两端直流电压的高低是决定于输入正负脉冲宽度的差值，即ta和tb的差，两者的差值愈大这直流电压愈高。如果设法使本来为对称的脉冲的宽度随着要放大的低频电压（图5乙）的高低而作直线变化，即被低频信号作脉冲调宽（见图5，丙、丁）。这样只要脉冲频率选得足够高，在负荷电阻两端的电位差就随着低频信号而变化（详细情形在下面说明），但因经过V1及V2的放大作用，故其振幅就比原来的低频信号大多了（见图5戊）。
现在我们来谈谈对称脉冲是怎样发生的。这种Π形对称脉冲发生器，其基本原理和一般脉冲电路相似，有许多方法可以获得，我们这里只介绍一种比较简单的电路，如图6。
此电路实际上是由一个锯齿波振荡器（其电压如图5甲）加一个所谓制动多谐振荡器所组成。在稳定状态时电子管V3因它栅极上带正电，故有屏流；但电子管V2因阴极电阻R4上有V3管的屏流流过，产生很大的电压降使V2屏流截止。若当V2管的屏极上加一尖顶负脉冲时，此脉冲通过电容器C而加至V3管的栅极，使V3封闭，因而R4上的电压降消失，电子管V2导电。当V3导电V2封闭时，R5上没缪菇担欢鳹3的栅阴极好似一个二极管，有较大的栅流，因而R7上的电压降很大。所以C2两端电位差也很大，C2被充电（最终电压等于Ea减去R4上的电压降）。但当V2管导电后，C2充电电流就通过 V2管的内阻，电阻R7和乙电源内阻而放电，因此电阻R7的下端（即接V3管栅极那一端）就带负电位，使V3管在某一段时间内仍保持截止状态。随着C2的放电，V3管栅极上的负压逐渐减低而至导电。由于这电路有很强的正回授，故V3的导电和V2的截止都是跳跃式的，增长和减弱都很快。这样，就使输入为锯齿形的尖顶脉冲有可能变成平顶脉冲。当下一个负脉冲来到V2的屏极时上述过程又重复进行。当V3导电时，流过R6的屏流很大，电压降也大，故b点的电位很低；此时V2管是截止的， R5上没有电流流过，a点的电位就很高，等于Ea。反之，当V3管截止时，V2管导电，b点的电位等于 Ea，而a点的电位则很低。所以ab两点的电位就如图6上所示的那样为两个平顶脉冲。
至于V2屏极上的负尖顶脉冲，是由V1组成的间遏振荡器通过整流器D而供拾的，它的原理和普通的锯齿形振荡器完全一样，输出图形如图5甲所示。
图6ab两点输出的脉冲正负延续时间的长短，也就是V3管及V2管导电与截止时间的长短，由下列各因素决定：
1．加至V2管屏极负脉冲的到来时刻；
2．R7及C2的时间常数（R7×C2）；
3．V2电子管的原始固定栅偏压；
4．加至V2电子管栅极的低频输入电压（因V2管的栅偏压等于固定栅偏压加R4上的降压再加低频输入电压）。
上述第1、2、3项可以分别调整有关各零件，如R7、C2和电位器R3等，而使V2管及V3管的截止和导电时间相同，也就是说使脉冲的正负延续时间在无低频输入时相同，成为对称脉冲。当加上第4项，即低频信号后，输出脉冲正负的宽度就随着这信号的振幅大小而变更了，于是就达到脉冲调宽的目的。
图6中的整流器D是用来隔开V1管的激发电路与V2、V3管电路用的，使屏电源Ea不致通过电阻很小的变压器T而加至V2的屏极，影响他们互相独立工作的能力。
进—步研究末级电路，我们就会发觉用来作图2中的两个电子管V1及V2的内阻要非常小（因为不小就不能使导电时的屏压（即U1及U2）差不多等于零（见图3戊、己）。当然一般三极管的内阻是比较小的，可是它的放大系数μ也很小，势必要用很高的脉冲电压，这就使脉冲发生器构造复杂，失去了丁类放大器的主要优点——经济性。若用一般五极管，它们的放大系数果然大，但在一般使用状态下内阻又很大。我们再仔细研究一下五极管的屏极特性曲线（图7），就可发现在帘栅极电压高于屏压那一段内内阻相当低（差不多只几百欧）。但是在帘栅极电压USG高于异压Up时，帘栅电流很大。再加与电子管并联的二极管的关系，当屏压还是有很小的负压而控制栅已进入截止点以右时（见图3甲、戊，及在t3时栅压U3已是正，而屏压U1却还是负的）帘栅电流就有了，而且很大。若不采取措施，限制帘栅流，那末乙电的消耗仍很厉害，也不是我们所希望的。
防止帘栅极过负荷的方法之一如图8所示，各电流及电压的图解见图9，基本情况和图3相似。图8中的输入点1的Π形脉冲U1（图9甲），由于整流器D1的作用，将它的正脉冲部分短路，故在点2的电压就变成如图9乙那样的单过负脉冲了。图8中R1、R3、R4和栅负偏压—Ec应选得在0——t1时间内（图9），即当电子管V1和屏极有很高的正压时（至于V1的屏压和V3的屏压即U3及U5的变化情况则和图3戊、己的U1、U2一样），使整流器D3右边的电压高于左边的电压，使它导电并使V1管控制栅上的电压为负；而在t1－t2（图9）时间内，即当V1管屏压为负时，使整流器D3封闭，因而V1管栅极与输入电路断开’使点4（图8）不致短路入地，因之仍能保持负电位，不使V1管导电。在t2瞬间点3的电压开始逐渐自零变正。随着该管屏压的增长，栅极上的负压逐渐减小，当到达某一点t＇（图
9）时缩合栅压变为零，整流器D3导电，而将V1栅极与输入电路接通。自t＇点开始一直到下一循环，放电二极管V2导电前（t4点以前），V1栅极是直接由点2（图8）上的电压所决定的。
另一边的电路（V3及V4等）的工作情况和上述的完全相同。
从图9丁中可看出电子管V1不像以前讲过的图2那样，它不单在另一管V3工作时间（0－t1，t3— t4）内封闭，就是在本边电路中当放电二极管V2导电时（t1－t2）亦被封闭；而且在t2时也不是突然导电,而是由于控制栅负压逐渐降低而导致的。由于V1电子管栅极电压负的时间增长，故大大减小了帘栅电流。只要仔细计算各零件的值，可以在不显著降低效率的条件下使帘栅流只有屏流的11 左右
我们现在来介绍一个实例。根据图1可以分成5部分来讲。其中第一部分和一般电压放大器的相同不再介绍，第2部分是脉冲发生器兼调制器，如图10。
信号由前级电压放大器经变压器交连至6SN7左管的栅极，经放大后由变压器T1输入另一6SN7的左管栅极作调制用。V1的右管作锯齿波发生器，电路和图6的同。使用频率可调整电位器R1在8千周到25千周内变化。电位器R2用来校准两脉冲，使成为对称（在无低频输入时）。
为了减少与末级输入的相互影响，V36SN7管采用阴极输出。
图中的变速变压器T1可用变压比为1∶1的一般音频变压器；变压器T2用10×15公厘的铁心（每片约厚0.35公厘），初级约60圈，次级约75圈，都用直径0.16公厘的漆包线绕制。
V3级的主要数据如下：脉冲的周期为40－125微秒；每管阴极输出约120伏；当输入信号电压不超过300毫伏时，最大调制系数为0.8左右。末级电路如图11所示，图中的脉冲变压器T1在介绍原理时（即图2中的L1及L2的组合）是假设它没有损失，且在两线圈中交换能量时是瞬时跳跃式的。但实际上由于变压器两线圈本身的潜布电容量及漏感，电流自一个线圈转移到另一线圈时不是跳跃式的，由于槽路的自由振荡，必须要有一段衰减振荡的时间，因之降低效率并发生失真。
变压器的品质因数Q愈高，上述所需要的时间也愈短，效率也愈高。
其次由于铁心的涡流所引起的损失也很大，为了减小漏感及涡流，两线圈应分节绕制，铁心要用较薄的（0.1公厘以下）硅钢片，最好是用铁淦氧磁物做成。
结束语丁类放大器最大的优点是效率高，放在大功率放大器中是有重大意义的。但是由于目前还有一些技术问题还未能很简单地解决，故一时还不能大量采用。其中除上述脉冲变压器的要求较高外，还要解决下面几个问题：计算输出变压器与负荷阻抗的匹配条件；降低非线性失真；在脉冲电压偶然消失时防止末级电子管因屏流过大而损坏；用简单的方法防止帘栅级过荷等等。
最后，若要使丁类放大器获得顺利发展，还须电子管厂能出产一些低内阻的脉冲五极管及高压旁热整流管。（沈成衡编写）
文章:youk [1970/01/01 19:07]
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