Усилитель мощности низкой частоты с питанием от сети переменного тока

 

Изобретение относится к радиотехнике. Усилитель мощности низкой частоты с питанием от сети переменного тока содержит блок питания (БП) на выпрямителе и сглаживающем фильтре, каскады усиления на лампах или транзисторах и фазовый стабилизатор (ФС), включенный последовательно блоку питания в любой точке контура прохождения отдаваемого в нагрузку тока. ФС имеет фазочастотную характеристику, обратную фазочастотной характеристике БП, и состоит из параллельной RL-цепи. Технический результат: улучшение качества звучания. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к усилителям мощности низкой частоты с питанием от сети переменного тока.

Известно, что в усилителе мощности низкой частоты в процессе работы возникают искажения исходного сигнала. Эти искажения бывают разных видов и возникают в разных элементах усилителя. Существенную часть общих искажений усилителя с питанием от сети переменного тока составляют искажения, возникающие в блоке питания. Этот вид искажений можно условно отнести к линейно-динамическим. Они возникают из-за мгновенных изменений угла сдвига фазы между током, отдаваемым в нагрузку, и напряжением на выходе блока питания в области низких и инфранизких частот в зависимости от уровня сигнала.

Обычно для устранения искажений, возникающих в блоке питания, применяют стабилизаторы напряжения питания на активных элементах [1]. Целью использования стабилизаторов питания является поддержание на одном уровне выходного напряжения блока питания при изменении тока нагрузки. При этом выходное сопротивление блока питания по отношению к сопротивлению нагрузки уменьшается на величину коэффициента стабилизации и, соответственно, относительная величина фазовых искажений в области инфранизких частот также значительно уменьшается. Однако стабилизатор вносит в усиливаемый сигнал свои собственные искажения, кроме того, значительно усложняется конструкция усилителя.

Из известных усилителей наиболее близким является усилитель мощности низкой частоты с питанием от сети переменного тока [2], содержащий блок питания [4] и каскады усиления напряжения и тока на лампах или транзисторах, нагруженные на громкоговоритель.

Недостатком известного усилителя является заметное ухудшение качества выходного сигнала, обусловленное искажениями, которые возникают в блоке питания усилителя и в особенности ощутимые при прослушивании музыкальных программ.

Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является повышение качества воспроизведения, в особенности музыкальных программ, усилителем мощности путем устранения или уменьшения этих искажений.

Поставленная задача решается тем, что усилитель мощности низкой частоты с питанием от сети переменного тока, содержащий блок питания и каскады усиления на лампах или транзисторах, содержит фазовый стабилизатор, состоящий из пассивных элементов, включенный последовательно блоку питания в любой точке контура прохождения отдаваемого в нагрузку тока, имеющий фазочастотную характеристику, обратную фазочастотной характеристике блока питания, и устраняющий в усиливаемом сигнале искажения от блока питания.

Поставленная задача решается также тем, что фазовый стабилизатор выполнен отдельным блоком, присоединяемым с помощью разъемов.

На фиг. 1 изображен типичный блок питания усилителя низкой частоты. На фиг. 2 приведена эквивалентная схема типичного блока питания, на фиг. 3 приведены графики зависимости модуля выходного сопротивления R блока питания и угла сдвига фаз ϕ от частоты f, на фиг. 4 показаны амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики типичного усилителя, на фиг. 5 приведена принципиальная схема усилителя низкой частоты с фазовым стабилизатором, на фиг. 6 приведены возможные варианты включения фазового стабилизатора.

Типичный блок питания усилителя низкой частоты (фиг. 1) состоит из трансформатора 1, выпрямителя 2 и конденсатора сглаживающего фильтра 3 - С_ф. Эквивалентная схема этого блока питания показана на фиг. 2. Сопротивление R_э в этой схеме образуется из-за наличия сопротивления проводов обмоток трансформатора и принципа работы выпрямителя переменного тока, нагруженного на конденсатор. Изменение напряжения на выходе блока питания при изменении потребления постоянного тока соответствует падению напряжения на R_э при прохождении через него этого тока.

Вместе с конденсатором С_ф сопротивление блока питания приобретает комплексную форму с постоянной времени τ = С_фR_э. На фиг. 3 показаны графики зависимости от частоты f выходного сопротивления и угла сдвига фазы типового блока питания.

Степень влияния неидеальности блока питания на усиливаемый сигнал зависит от схемотехники усилителя и соотношения сопротивлений блока питания и громкоговорителя.

На фиг. 4 показаны амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики типичного усилителя в полосе частот от 0 до 50 Гц с учетом только искажений от блока питания, при значениях выходного тока 0.25; 0.50; 0.75; 1.0 от максимального, где K =U_вых/U_вх - коэффициент усиления усилителя.

На фиг. 5 приведена принципиальная схема усилителя низкой частоты с питанием от сети переменного тока с фазовым стабилизатором. Усилитель мощности содержит силовой трансформатор 1, подключенный к сети переменного тока, выпрямитель 2 и сглаживающий конденсатор 3, образующие блок питания с выходным сопротивлением R_э и емкостью сглаживающего конденсатора С_ф. Усилитель мощности содержит усилительный каскад 4 на лампе, связанный через выходной трансформатор 5 с громкоговорителем 6. Усилитель содержит также фазовый стабилизатор 7, включенный между блоком питания и каскадом усиления, состоящий из пассивных элементов, устраняющий искажения усиливаемого сигнала от блока питания.

На фиг. 6 приведены другие возможные варианты включения фазового стабилизатора.

Усилитель работает следующим образом. При усилении входного сигнала движение диффузора громкоговорителя определяется выходным током усилителя. Выходной ток проходит по контуру, включающему в себя блок питания усилителя. В отсутствии фазового стабилизатора из-за наличия в цепи прохождения тока комплексного сопротивления источника питания в выходном сигнале возникают амплитудные и фазовые искажения. Это искажения особого вида. Как видно из фиг. 4, АЧХ и ФЧХ на выходе усилителя зависят от выходного тока, т.е. от уровня сигнала. Угол сдвига фаз зависит не только от частоты, но еще и меняется в такт с сигналом. Также в такт с сигналом изменяется и АЧХ. Величина изменений АЧХ и ФЧХ зависит от параметров блока питания, величины нагрузки, параметров усилительного элемента и схемы его включения.

Так как отклонения АЧХ и ФЧХ не являются постоянными, их нельзя компенсировать известными способами [3]. Они могут быть устранены при устранении причины их возникновения, т.е. комплексного характера выходного сопротивления блока питания. Как видно из фиг. 5, фазовый стабилизатор 7 включен последовательно блоку питания и состоит из параллельно соединенных R и L. Он имеет реактивную составляющую сопротивления, обратную реактивной составляющей сопротивления блока питания (фиг. 2). При полном равенстве величин активных и реактивных составляющих сопротивлений блока питания и стабилизатора выходное сопротивление комбинации блок питания - фазовый стабилизатор становится чисто активным и равным R_э. Для этого параметры фазового стабилизатора должны быть следующими: R = R_э; L = R_э²С_ф, где R - величина активного сопротивления RL-цепи, L - величина индуктивности RL-цепи, С_ф - емкость конденсатора сглаживающего фильтра, R_Э - активное сопротивление источника питания, R_Э = dU/dI при f=0 и I=I_ном, где U - напряжение на выходе блока питания, I - ток,
I_ном - номинальный ток,
f - частота.

При указанных соотношениях постоянные времени сопротивлений блока питания и фазового стабилизатора равны.

При включении фазового стабилизатора выходной сигнал усилителя не содержит вышеуказанных искажений, в результате чего качество звучания заметно повышается.

Наиболее полное устранение искажений от блока питания происходит при расчете значений элементов фазового стабилизатора в соответствии с вышеприведенными соотношениями. При неполном соответствии значений элементов фазового стабилизатора этим соотношениям искажения устраняются частично.

Фазовый стабилизатор также может быть выполнен отдельным выносным блоком, присоединяемым к остальным элементам усилителя с помощью разъемов.

Устранение фазовых искажений от блока питания заметно улучшает качество звучания усилителя низкой частоты, особенно при прослушивании музыкальных программ.

Источники информации
1. Эргис К. Э. и др. "Электронные усилители", М., Физматгиз, 1961, с. 441-464.

2. Цыкин Г.С. "Электронные усилители", Связьиздат, 1963, с. 31-33.

3. Войшвилло Г.В. "Усилители низкой частоты на электронных лампах", Связьиздат, 1963, с. 348-351, с. 372-383.

4. Терентьев Б.П. "Электропитание радиоустройств", Связьиздат, 1958, с. 71-84.

Формула изобретения

1. Усилитель мощности низкой частоты с питанием от сети переменного тока, содержащий блок питания на выпрямителе и сглаживающем фильтре и каскады усиления на лампах и транзисторах, отличающийся тем, что содержит фазовый стабилизатор, включенный последовательно блоку питания в любой точке контура прохождения отдаваемого в нагрузку тока, имеющий фазочастотную характеристику, обратную фазочастотной характеристике блока питания, и состоящий из параллельной RL-цепи.

2. Усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что фазовый стабилизатор выполнен отдельным выносным блоком, присоединяемым с помощью разъемов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6