如何选好胆功率管最佳负载电阻.pdf
2010年第11期 由于晶体管技术的崛起， 电子管技术沉寂了很长的 时间。 在留声机、 收录机的年代， 石机以其体积小、 功率 大的优点把胆机挤出了市场， 大量鼎盛时期的电子管被 当做垃圾处理掉了； 随着CD、VCD、DVD的问世和发展， 石机也遇到了瓶颈， 普通石机平白无味， 高级石机标价至 少几万， 而达到高级石机水平的胆机才一万左右， 还易于 发烧友们进行有趣味的DIY活动， 价廉物美,风格可调， 人 们又把热情投向了电子管技术。 一时间各种电子管制作 技术的文章层出不穷， 然而， 当我们翻看各种音响技术刊 物时， 确发现少了许多关于介绍电子管技术基础理论性的 东西， 如何选择胆功率管最佳负载电阻就是一个非常突出 的盲点。 知其然而不知其所以然的多， 知其所以然的少。 笔者在这里想以最通俗的语言， 介绍一下这方面的技术， 好让大家做出具有自己特色的、 且有一定理论依据的好 胆机。 一、 最佳负载电阻Ra的选择理论依据 功率放大器所要解决的主要矛盾是在允许的失真条 件下供给负载所需要的信号功率。 在功率放大器中， 交流 负载电阻Ra的大小不仅影响到输出功率， 而且与非线性 失真的关系十分密切。 图1画出了低频功率放大器在三个不同负载电阻数值 时的工作情况。 1当负载电阻较小时(即Ra=Ra1时)， 这时阳流振幅Iam 虽然大， 但输出电压振幅Uam很小， 因此输出功率小(因为 P1=1/2UamIam)； 同时阳流、 阳压的正半周和负半周的波 形不对称， 因而非线性失真也较大。 2当负载电阻Ra=Ra2时， 这时阳流振幅Iam减小不多， 而输出电压振幅Uam却增加很多， 故输出功率较大， 同时， 它的阳流和阳压的正、 负半周波形对称， 因而非线性失真 很小。 3当负载电阻Ra过大时(Ra=Ra3)， 阳流振幅Iam减小， 输出电压振幅增大， 所以输出功率变化不多， 但这时阳流 和阳压的波形很不对称， 因此非线性失真大。 图2是实际测试出的束射管6P6P在某个典型工作电压 情况下的输出功率、 非线性失真系数随负载电阻变化的曲 如何选好胆功率管最佳负载电阻 安石 图1负载电阻值不同时， 功率放大器的工作情况图2束射管6P6P的工作特性 AV 实作 57 实用影音技术 线。 由图可以看出， 输出功率最大和非线性失真最小不 是同时发生的， 但相差不远。 因此我们选择负载电阻Ra 时， 可使得非线性失真系数最小， 而输出功率接近最大 值， 这时的负载电阻称为最佳负载电阻。 最佳负载电阻可以从iaea特性曲线中求出。 如图3 所示， 求最佳负载电阻的方法如下； 首先根据Ea、Eg的数值确定静态工作点Q， 再将直尺 放在iaea特性曲线组上， 并使其通过工作点Q， 以Q为中 心转动直尺， 直到线段AQ=QB为止。 其中A点为直尺与 eg=0的这一根静特性曲线的交点， 通常A点在曲线的膝 部， B点为直尺与eg=-2Eg的静特性曲线的交点。AQ=QB 时， 二次谐波为零， 故这时的负载线为最佳负载线。 最后 由图可查出交流阳压Uam和交流阳流Iam， 于是最佳负载 电阻为； Ra最佳= Uam Iam 实践证明， 对于帘栅管Ra最佳0.1Ri 最佳负载电阻一般为几千欧姆， 而通常使用的实际 负载电阻较小， 因此需要用输出变压器进行阻抗匹配。 二、 单管功放最佳负载电阻计算举例 计算功率放大器就是选择合适的电子管、 电子管的 各极电压和元件数值， 使输出功率、 失真度满足要求， 同 时要使电子管能安全工作， 即电子管各极电压与功耗不超 过电子管的极限值。 下面举一个例子来说明。 举例说明； 要求按下列指标计算一帘栅管单管功率 放大器： 输出功率PL=2.5W， 扬声器阻抗RL=3.2， 非线性 失真系数8， 通频带为808000Hz。 1选电子管 因输出功率较小， 取变压器效率B=0.8， 则电子管应 输出的功率； P1=PL B= 2.5 0.8 =3.12W 电子管的最大阳极功耗： Pamax=3P1=9.4W 我们选电子管6P1， 它的额定阳极功耗Pa额定=12W Pamax， 故满足要求。 2选择工作状态(各极电压) 由手册查出， 电子管6P1的阳压、 帘栅压的极限值为 300V， 今选Ea=Eg2=250V， 则iamax=100mA。 于是 P1 Eaiamax 8 =3.12W 故满足输出功率要求。 从特性曲线看出， 取栅偏压-Eg=-12.5V,Ugm=12.5V较 合适。 3最佳负载电阻Ra最佳的选择 通过Ea=250V，-Eg=-12.5V的交点Q， 使a=b， 作出最 佳负载线， 如图4所示。 这时由图可得出Ua1m=220V，Ia1m= 36mA，Iao=42mA， 所以 Ra最佳= Ua1m Ia1m = 220 0.036 =6.1k 4校验功率、 效率和非线性失真系数 P0=Pamax=IaoEa=4210-3250=10.5WPa额定 P1= 1 2 Ia1mUa1m= 1 2 3610-3220=3.96W3.12W a=P1 P0 = 3.96 10.5 =37.8% 从负载线上量出，a=b=31.5mm，C=40mm， 所以： 2=0 图3最佳负载线图4用6P1作功率放大器的图解分析 58 2010年第11期 3= 1 2 2C-（a+b） a+b+c = 1 2 80-63 63+40 8% =38% 所以， 以上电子管、 电子管工作状态和最 佳负载电阻的选择， 是满足输出功率和非线性 失真的要求的。 在这里我们再强调一下:要将非 线性失真降到最小主要取决于Q点的确定，Q点 上移和下移都会出现削顶失真。 尤其是大功率 输出状态下， 在声音的表现形式会出现力度不 够、 韵味不足。 5确定变压器的参数 N1 N2= Ra最佳B L姨 = 6.110-30.8 3.2姨 =39 L1 Ra 2fn = 6.1103 280 =12.1H 取L1=15H r1= Ra最佳 2 （1-B）=6.1-10 3 2 0.2=610 r2=（N1 N2 ）2r1=（ 1 39） 2610=0.4 6自给偏压及阳极电源电压 由于流过自给偏压电阻的电流是Iao+Ig2o， 因 此先查出Iao和Ig2o。 由曲线查出Iao=42mA。 当eg=0 时， ia=110mA，ig2=18mA， 现在eg=-12.5V， 而 Iao=42mA， 因此： Ig20 40 110 187mA 这样算出： RK= Eg Ia0+Ig20 = 12.5 42+7 =255 取Rk=260 P额定=E（Iao+Ig2o）=12.54910-30.6W 取额定功率为3W的金属膜电阻 CK 5 2fnRK = 5 280260 38F 取Ck=50F， 耐压为50V的电解电容器。 值得我们注意的一点是:由于采用了阴极自给偏压 和输出变压器初级线圈有损耗电阻r1， 因此阳压要减少Eg+ Iaor1伏， 帘栅压要减少Eg伏， 这样原来按Ea=Eg2=250V计算 的， 就会产生较大误差。 为了保持原来设计数值， 可使阳 极电源电压提高Eg+Iaor1伏， 即 Ea=Ea+Eg+Iaor1=250+12.5+4210-3610=290V 这时帘栅电压(到地)应提高Eg伏， 即， Eg2=Eg2+Eg=250+12.5=262.5V 帘栅电压可以用降压电阻从Ea上取得， 考虑到实际电 子管特性与手册上也有一定误差， 帘栅压高低一些关系 不大， 因而也可以将帘栅极直接接到阳极电源上。 7画出线路图， 并标出元件的规格， 如图5所示。 电子管；6P1 Ea=290V Rk=260(3W金属膜电阻) Ck=50F、耐压为50V的电解电容器 N1/N2=39/1 L1=15H r1=610 r2=0.4 Ugm=12.5V 由此可见， 和电压放大器一样， 功率放大器的计算 也是比较繁杂和粗略的， 它只是作大致的估算， 最后必须 通过实际试验调整。 为了便于设计功率放大器， 有的电子 管手册中已给出了各种功率管的典型运用数据， 我们可根 据对功率放大器输出功率与非线性失真的要求， 在手册中 选择合适的典型运用数据， 然后再根据典型数据计算出电 图56P1功率放大器电路 图6稳定负载阻抗的电路 AV 实作 59 实用影音技术 路元件的数值。 这样既方便又精确。 三、 稳定负载电阻的电路 由于放大器的实际负载并不是纯电阻， 而是含有电感 成分的， 所以实际负载电阻 （在这里就应该叫阻抗了） 将 随信号频率的增减而增减， 因而使得阳极负载阻抗Za。 也 随着信号频率的增减而作相应的增减。 这样会引起两种不 良现象；(1)频率失真增大； (2)非线性失真增大(因阳 极负载电阻不等于电子管所需要的最佳负载电阻了)。 为了克服上述缺点， 通常用一个RC电路并在输出变 压器初级两端如图6所示， 使放大器总的负载阻抗尽可能 不随频率变化而变化。 其工作原理是： 当Za随频率升高而增大时，RC支路 的阻抗则随频率的升高而减小； 当Za。 随频率降低而减小 时， RC支路的阻抗则随频率的降低而增大。 这样， 就使 放大器总的负载阻抗基本上不随频率变化， 从而减小了放 大器的非线性失真与频率失真。 RC的常用数值是： C=0.0010.01F R=（1.52）Za最佳 有 时 候 在 输 出 变 压 器 初 级 只 并 上 一 个(0.001 0.005F)电容器， 同样能起到补偿负载阻抗在高频时的 升高作用。 当帘栅管功率放大器中具有电压负反馈时， 由于电 压负反馈已能补偿由于负载阻抗的不稳定而引起的失真， 故一般不再接入稳定负载阻抗电路了。 四、 电子管与最佳负载电阻的应用要点 功率放大器在工作原理、 电路形式上与电压放大器 具有共同点。 但是由于它们所解决的主要矛盾不同， 因而 具有其特殊点。 1功率放大器中考虑的出发点是输出功率大、 效率 高、 非线性失真小， 因此它要求一个最佳的负载电阻 (Ra最 佳)， 所以如何选择(Ra最 佳)的数值以及如何获得 (Ra最 佳)是我们所要解决的中心问题。还应该着重指出， 在功率放大器中， 效率高的意义不仅在于省电， 而且意味 着电子管损耗的功率小， 因而可以延长电子管的寿命， 因 此在计算中应当注意电子管功率损耗使之不超过额定值。 2当电子管与最佳负载电阻确定以后， 在安装调试时 一定要注意帘栅压(Eg2=262V、-Eg1=-12.5V)。 帘栅压的大 小应根据被放大信号的情况而定。 如果是功率放大， 则帘 栅压应选得较高， 可以采用电子管手册中给出的典型值。 在这种情况下， 为了使非线性失真小，Ra必须用得较小， 这时电子管工作点处在高互导部分， 如图7曲线上的工 作点Q1,如果是放大小信号， 非线性失真问题就不突出， 而为了提高放大倍数，Ra应选得较大， 这时如果还保持 那样高的帘栅电压， 那么工作点就大大下降， 如图7曲线 上的工作点Q2， 所以互导S就大大减小， 即电子管高互 导部分没有被利用， 因而放大倍数就不大。 如果将Eg2降 低， 虽然Ra用得较大， 但电子管仍可工作在高互导部分， 如图8曲线上的工作点Q3， 因而得到较大的放大倍数。 所以我们必须根据被放大信号的实际情况来决定帘 栅压的大小， 使得在工作点有较大的互导S， 这样才能充 分发挥电子管的性能。 3在使用胆功率管时要特别注意， 比如在加电前必须 检查负载是否接上， 不然就有烧坏胆功率管和输出变压 器的危险， 因为当负载开路rL=时， 阳极交流负载阻抗增 大， 因此变压器初级线圈两端的交流电压很大， 可能超过 变压器的耐压， 将其绝缘击穿， 另一方面， 由于交流阳压 很大， 使得信号正峰值时的瞬间阳压很低， 这样帘栅电流 便会大大增加， 可能使帘栅极的损耗超过额定值， 损坏电 子管。 PAV 图7帘栅压的选择图8帘栅压的选择 60
