收音机低频功率放大器的设计

收音机低频功率放大器也称“末级放大器”，它的作用是将前级电压放大器送来的音频信号放大到有足够大的功率, 来推动扬声器发出声音。电路的形式通常如图1，工作状态一般是甲类放大。

功率放大器的主要参数是输出功率、失真度和频率特性。三级机大都使用在不大的房间里，有0.5～2伏安的输出功率也就够了，一级机往往放在较大的场所，因此功率约需2～4伏安。收音机的失真主要产生在末级放大器中。因此设计放大器时特别要注意失真问题。三级机的末级放大器，当输出为0.5伏安额定功率时，在规定的通频带内。失真最好在5％以下；一级机当输出为2伏安额定功率时要求在3％以下。放大器的频率特性在低频段主要受输出变压器的限制。一般设计时总要求在下限频率时增益下降3分贝左右而输出仍达额定功率以上。高音频率的特性则与负载的性质有关。

现代收音机里的功率放大管大都采用集射四极管或五极管。因为它们比起三极管来，有很多优点：如功率灵敏度高，输出功率大，以及屏路效率高等等；缺点是失真比三极管大，但这易于用负反馈解决，目前收音机内常用的国产管有集射四极管6P1（6П1П）和指形五极管6P14(6П14П）等。作单管甲类放大时的典型参数见表1。这两种管子的输出功率，都已能满足我们的要求。所以采用一级单管输出就可以了。如果有特殊的需要，要求设计推挽或分频电路时，才用二只管子。

计算功率放大管的工作状态，从电子管特性曲线图上着手最为方便，图2是I\(_{a}\)～Ua的曲线族。因为输出变压器直流电阻很小，一般屏极直流电压U\(_{ao}\)约为供电电压Uab的0.9左右。如果屏极电源电压已知，就可确定所选工作状态时的屏压U\(_{ao}\)。为了使输出功率尽可能大，信号摆动的振幅应全部利用到曲线族内有用的部分。最大负偏压-Uc最大一般选取曲线族中靠近底部的最后一条可利用的曲线，因为是甲类放大，这时仍应有少量的屏流。最大负偏压的一半也就是所选工作状态时应有的负偏压，因此通过E\(_{ao}\)作一根垂线，它和-\(\frac{1}{2}\)Uc最大对应的一根曲线的交点就是工作点P。P点所对应的屏流就是直流屏流I\(_{ao}\)。P点还应满足使此处的UaoI\(_{ao}\)乘积不超过电子管所允许的最大屏极功率消耗，也就是P点必须选在最大屏耗边界线MN的左边，而且要离开它一些，以保安全。如果选出来的P点超出了这条线，到了它的右边任何一点，那么UaoI\(_{ao}\)乘积将大于电子管所允许的最大屏耗数值，使屏极过载而烧毁。因此如P点不合屏耗要求，必须重选。

过P点和屏极电源电压U\(_{ab}\)对应的B点作出的APB线就是直流负载线。

然后再确定交流负载线。依据的原则是放大器输出功率要大，失真小，而后者更为重要。用集射四级管或五极管放大时会产生较大的二次和三次谐波的失真。当负载线转到某一个角度，使CP=PD时，二次谐波为零，三次谐波则随着负载阻抗的增大而上升，这可从图3清楚看出，只有在x～y的一小段区域内，总的谐波失真最小，而输出功率较大，这段范围以内的负载,称为最佳负载。我们作负载线时，可先过P点作出CP=PD这条斜线，然后过P点再试作几条不同斜度的负载线，分别算出输出功率和失真，最后根据计算结果确定一根合适的负载线。如果功率还达不到预期要求，或失真超过限额，则可改变一下工作点，或适当提高屏压U\(_{ao}\)（但不可超过最大屏耗），重新选定负载线。

C点通常应在U\(_{c}\)=0（因Uc不能超出0到正值，否则产生栅流而失真）这条线的转弯处，若高于此处，屏压振幅摆动的利用率低，而低于此处时则信号将落入特性曲线的弯曲部分，会引起严重的失真，同时屏压过低，帘栅流会急剧上升而超过规定的最大帘栅消耗，也会损坏管子。定了C点以后，对应于C点的屏压和屏流，就是信号的正半周使偏压为零时的最低屏压U\(_{a}\)最小和最大屏流Ia最大。而D点，即负载线与偏压为-U\(_{c}\)最大一根曲线的交点所对应的是最大屏压Ua最大和最小屏流I\(_{a}\)最小，后者为Ia最大的0.05～0.1比较合适。工作点的直流屏流I\(_{ao}\)一般在Ia最大的12附近。

电子管的帘栅压U\(_{c2}\)可取得与Uao相同，或比它小一些。

最大和最小屏压、屏流确定后，便可用下列公式算出负载电阻、输出功率和失真。

上式中，I\(_{a}\)′与Ia″分别是负载线与U\(_{c}\)=0.5Uco、U\(_{c}\)=1.5Uco两曲线的交点所对应的屏流。

式中I\(_{c2o}\)为电子管的帘栅极电流，可从手册上查出。

阴极旁路电容C\(_{k}\)可选得使它在最低工作频率fH时的容抗小于Rk的1/10即可，即C\(_{k}\)=10／2πfHR\(_{k}\)。栅漏电阻Rc2可按手册上允许的最大值使用，以便获得较高增益。

放大器的放大倍数

其中S和R\(_{i}\)分别为实际工作状态下的互导和内阻。

如果计算包括输出变压器在内的放大倍数，则K′=Knη。其中n为变压器的变压比，即n=w\(_{2}\)/w1;η为变压器的效率。

我们以常用的6P1（6П1П)为例,来说明设计过程。设U\(_{ac}\)=250伏，Uc2=250伏。

1.选定工作点。从图4上6P1（6П1П）的I\(_{a}\)～Ua特性曲线族上找出可利用的最负的偏压U\(_{a}\)最大=-25伏，Uco则为-（1/2×25）伏=-12.5伏。在U\(_{a}\)轴上自Uao=250伏处作垂线AB,它与U\(_{c}\)=-12.5伏那条曲线的交点P就是工作点。P点所对应的直流屏流Iao=42毫安。然后检查屏耗。U\(_{ao}\)Iao=250伏×42毫安=10.5瓦，没有超出允许的最大屏耗12瓦，所以是安全的。

2、确定交流负载电阻。先找出二次谐波为零的那条线，即用直尺以P点为中心。一端沿着Uc\(_{=}\)0的特性曲线的转弯部分，另一端沿着Uc=-25伏的特性曲线上，转动角度，找出CP=PD的一根斜线，就是所需的γ\(_{2}\)=0的负载线。此时：

总谐波系数γ=\(\sqrt{+}\)7.7\(^{2}\)=7.7％。

我们以P为中心，再作另外一些负载线EF、GH和JK。依上述同样方法分别算出R\(_{a}\)、P～和γ，将结果列出如表2。

可以看出，在R\(_{a}\)为5～6千欧的范围内失真最小，输出功率也较大，就是最佳的负载。但是在这范围里最后确定哪一个负载好呢？应考虑下面的几个因素：

（1）从失真的情况来看，6千欧负载虽然二次谐波为零，但三次谐波较大，而5千欧负载时，虽然有些二次谐波。但三次波降低不少，总的失真反而比6千欧负载时小。从人的听觉特性来说，三次谐波失真比二次谐波失真要讨厌得多。因此，负载小一些，以减少三次谐波是很有意义的。

（2）负载愈大，信号正半周振幅时屏压愈小，帘栅流愈大，不如负载小一些安全。

（3）扬声器阻抗不是固定的，因有电感成分，频率愈高时阻抗也愈大，于是屏路负载也变大，所以我们一般按中音频的扬声器阻抗设计的负载选得小一些是有利的。

这样，确定5千欧作负载显然是最合适的了。若对照一下电子管手册里所列出的负载也是5千欧，就可明白它是怎样来的。

3.计算阴极电阻和电容。帘栅流从手册查到为7毫安，R\(_{k}\)=12.542+7=255欧。设最低频率为80赫，

实际应用时可取整数，R\(_{k}\)用250欧，Ck用100微法(一般收音机用25～5O微法即可）。栅漏电阻R\(_{c2}\)则可用最大允许值500千欧。

4．计算放大倍数。查得互导S=4.9，内阻R\(_{i}\)=50千欧,

一级收音机的功率放大器, 一般就按电子管手册所列的典型工作状态的数据使用，不必另行计算；但三级机输出功率不需要这样大，往往降低屏压和帘栅压到200～225伏来工作。这样一方面不浪费电力;另一方面电源变压器负荷减轻，体积可以小一些，较为经济。

当工作电压变换以后，其他各项参数也相应改变，但我们可利用一种如图5的变换曲线，很方便地把手册中的典型工作状态的参数变成其他工作状态的参数，现通过一实例来说明。设6P1(6П1П）管屏压改用200伏，求这种状态时的其他各项参数。

此时电压变换因数

通过电压变换因数再找出其他参数的变换因数；从曲线图底边的横座标0.8处垂直向上，与各曲线的交点，按水平方向分别读出左边纵座标上的各项交换因数，可得到：

电流变换因数F\(_{i}\)=0.72,屏流将变为44×0.72=32毫安；帘栅流变为7×0.72=5毫安。

功率变换因数F\(_{p}\)=0.57，输出功率变为4×0.57=2.3伏安；

互导变换因数F\(_{s}\)=0.89,互导变为49×0.89=4.36毫安／伏。

内阻的变换因数F\(_{r}\)=1.1，内阻变为50×1.1=55千欧；负载应改为5×1.1=5.5千欧；Rk=255×1.1=280欧；栅漏电阻R\(_{c2}\)仍可按最大值500千欧使用。

这时放大倍数

当屏压和帘栅压不同时，例如屏压225伏，帘栅压200伏，则近似设计方法如下：因屏流主要受帘栅压和栅压的控制，受屏压变化的影响很小，可先按

和相应的F\(_{i}\)=0.72，将典型状态的Ia～U\(_{a}\)曲线图上的Uc和I\(_{a}\)数值分别乘以0.8和0.72(曲线形状和Ua横座标的标数不变）;然后在屏压=225伏处引垂线,与所选定的E\(_{c}\)=Eco的交点为工作点P,按前法作交流负载线，算出负载电阻和输出功率。（俞锡良）