Двухтактный каскад: что компенсируется и зачем нужна симметрия

В выходном трансформаторе двухтактного усилителя полезный сигнал складывается, а некоторые нежелательные составляющие компенсируются. На первый взгляд странно: токи проходят через один и тот же трансформатор, почему результат разный? Чтобы разобраться, нужно посмотреть, как меняется ток в каждом плече и в какую сторону он намагничивает сердечник. Именно так объясняет работу лампового каскада Ружицкий в учебнике 1969 года. [A1] [A2]

Сначала посмотрим на ток без сигнала

В однотактном оконечном каскаде ток покоя лампы проходит через первичную обмотку выходного трансформатора. Даже когда полезного сигнала нет, этот ток постоянно намагничивает сердечник. Такое подмагничивание может привести к насыщению и росту нелинейных искажений. Поэтому одного рассуждения «поставим более мощную лампу» недостаточно: возможности магнитной системы тоже ограничивают каскад. [A1]

У двухтактной схемы два плеча. В рассматриваемом устройстве каждое образовано лампой и своей половиной первичной обмотки. Постоянные составляющие токов создают в сердечнике встречные магнитные потоки. Если плечи симметричны, эти воздействия равны и компенсируют друг друга. Токи покоя при этом никуда не исчезают. Устраняется их суммарное постоянное подмагничивающее действие на сердечник. [A1] [A2]

Последнее различие полезно удерживать в голове. Фраза «постоянная составляющая компенсирована» относится здесь к магнитному результату работы двух плеч. Она не означает, что лампы перестали потреблять ток или что трансформатор больше не имеет никаких ограничений. [A2]

Почему полезный сигнал не пропадает

Теперь подадим на лампы равные по амплитуде сигналы противоположного знака. В тот момент, когда ток одной лампы увеличивается, ток другой уменьшается. Направления половин обмотки уже выбраны так, что одинаковые постоянные токи создают встречные потоки. Но при противоположных изменениях токов переменные магнитные воздействия полезного сигнала оказываются направлены согласно и складываются. [A1] [A2]

Можно проверить объяснение мысленно. Сначала сравним два одинаковых тока без сигнала: их постоянные воздействия встречные. Затем рассмотрим прибавку тока в одном плече и убыль в другом: изменение общего потока поддерживается обоими плечами. Так становится понятным, почему одна и та же схема способна уменьшать постоянное подмагничивание и одновременно передавать усиленный сигнал. [A2]

Для этого мало просто поставить рядом две лампы. В объяснении учебника их параметры одинаковы, а входные сигналы равны по амплитуде и противоположны по знаку. Если забыть эти условия, компенсация начнёт выглядеть свойством самого числа ламп, хотя результат зависит от согласованной работы плеч. [A1] [A2]

Что происходит с фоном и гармониками

Пульсации, одинаково возникающие в обоих плечах, ведут себя иначе, чем полезный противофазный сигнал. Они создают встречные магнитные потоки и в идеальной симметричной схеме компенсируются. Поэтому, услышав обещание уменьшения фона, стоит уточнить: речь именно об общей для двух плеч составляющей? Из этого механизма не следует исчезновение любого шума независимо от его происхождения. [A2]

С нелинейными искажениями тоже нужна точность. Ружицкий отдельно разбирает чётные и нечётные гармоники. В симметричном двухтактном каскаде потоки чётных гармоник встречные, поэтому соответствующие составляющие компенсируются. Нечётные гармоники этим способом не устраняются. Сказать «двухтактная схема убирает гармоники» было бы слишком широко: нужно назвать, какие именно и при каком условии. [A2]

Получаются три разных случая. Постоянные токи дают взаимную компенсацию подмагничивания. Полезные противоположные изменения токов дают сложение. Общие пульсации и чётные гармоники относятся к тем нежелательным составляющим, для которых симметрия обеспечивает компенсацию. Нечётные гармоники остаются. Эта последовательность помогает разбирать принцип, не заменяя объяснение общим обещанием «более чистого звука». [A2]

Симметрия нужна и трансформатору

Одинаковых ламп недостаточно. Учебник обращает внимание на сопротивления обеих частей первичной обмотки, их индуктивности рассеяния и распределённые ёмкости. Через эти свойства трансформатор участвует в работе плеч. Поэтому считать его просто соединением между лампами и нагрузкой нельзя. [A2]

Кроме того, компенсация части гармоник ещё не обеспечивает одинаковую передачу всех частот. Ружицкий связывает частотные искажения с индуктивностями трансформатора и частотно-зависимым сопротивлением нагрузки. Это отдельный вопрос: насколько меняется форма сигнала из-за нелинейности и насколько неодинаково проходят разные частоты. Один благоприятный результат не закрывает другой. [A2]

Разбирая описание такого каскада, удобно задать три вопроса: какая составляющая тока рассматривается, одинаково или противоположно она меняется в плечах и сохранены ли условия симметрии? Ответы объясняют и преимущества, и пределы схемы. Здесь мы рассматриваем исторический принцип; соединения обмоток, питание, номиналы и порядок работы с ламповым усилителем из него не выводим. [A1] [A2]

Источник: Ю. А. Ружицкий. Электроакустика и усилительные устройства. 2-е изд., испр. Москва: Высшая школа, 1969.