Диод VS Резистор?! Чем развязать усилитель напряжения и выходной каскад усилителя мощности

Периодически на различных форумах возникают дискуссии на тему: "что же лучше использовать в качестве разделительного элемента между усилителем напряжения и выходным каскадом усилителя". Как правило сравнивают два варианта - это развязка усилителя напряжения и выходного каскада с помощью простого резистора или с помощью выпрямительного диода. Два этих способа представлены на изображении ниже:

Для чего же необходимо развязывать усилитель напряжения и выходной каскад? Это необходимо для того, чтобы уменьшить пульсации напряжения питания усилителя напряжения и для того, чтобы оградить питание усилителя напряжения от высоких пульсаций напряжения питания выходного каскада. Ведь при потреблении огромного тока выходным каскадом, возникают столь огромные же пульсации на шинах питания, для того чтобы оградить усилитель напряжения от этих вредных пульсаций напряжения питания и применяется развязка в виде резистора или диода.

Ниже можно увидеть как развязка в виде диода позволяет резко снизить пульсации напряжения питания усилителя напряжения, в то время как без развязки, усилитель напряжения подвергается воздействию тех же пульсаций напряжения питания что и выходной каскад. 

На приведенной схеме смоделирована цепь питания аналогового усилителя, одно из плеч питания. Источники переменного напряжения V1 и V2 имитируют собой обмотки трансформатора,резисторы R1 и R2 имитируют внутренней сопротивление обмоток трансформатора. На диодах D1 и D2 собран простой двухполупериодовый выпрямитель. С1 - это фильтр напряжения питания, мощный электролит в блоке питания усилителя. R3 - имитирует нагрузку, имитирует потребление тока выходным каскадом (1,6А). R4 имитирует нагрузку, имитирует потребление тока усилителем напряжения (35мА). С2 - фильтр питания усилителя напряжения.

Как видно из изображения, без какой-либо развязки, пульсации напряжения питания выходного каскада полностью прикладываются к питанию усилителя напряжения и пульсации напряжения питания усилителя напряжения в этом случае составляют 0,52В. При применении диода в качестве развязывающего элемента, пульсации напряжения питания усилителя напряжения снижаются до 0,39В.

Думаю что после приведенного выше изображения ни у кого не останется вопроса: нужно ли развязывать питание усилителя напряжения и выходного каскада?! Правильный ответ - конечно нужно!

Теперь осталось лишь выяснить, что же лучше использовать в качестве развязывающего элемента: диод или резистор, для чего и затевалась эта статья.

Для того, чтобы выяснить что же лучше, я собрал в симуляторе простенькую схему, в одном варианте схемы для развязки используется резистор, в другом диод. Сопротивление развязывающего резистора выбрано таким образом, чтобы падение напряжения на нем было точно таким же, как и падение напряжения на развязываюшем диоде. Теперь все что нам нужно, чтобы узнать победителя, сравнить напряжение пульсаций для различных развязывающих элементов.

Итак, каков итог? При одинаковом падении напряжения на развязывающем элементе, пульсации напряжения питания усилителя напряжения с развязывающим резистором ниже (0,23В), чем с развязывающий диодом (0,38В). 

Кроме того, стоит сравнить осциллограммы пульсаций напряжения питания усилителя напряжения для разных развязывающий элементов:

Красная кривая - диод, синяя кривая - резистор. Видно что график напряжения пульсаций с развязывающим резистором (синяя кривая) значительно более гладкий, что означает более гладкий спектр и меньшее число гармоник высшего порядка в напряжении пульсаций. Это так же является преимуществом перед развязкой с помощь диода, так как развязка диодом дает не только больший уровень пульсаций напряжения питания, но и более жесткий спектр пульсаций, что хорошо видно по резко изломанному графику напряжения пульсаций (красная кривая).

Тот же опыт, что и в симуляторе, был проделан мной и в реальности, с реальными приборами. Смотрим фото.

При опыте была использована аналогичная схема той, что была использована в симуляторе:

Осциллограмма получилась такая:

Синяя кривая - диод, желтая кривая - резистор.

В реальной жизни все получилось точно так же как и в симуляторе: резистор оказался предпочтительнее для развязки напряжения питания усилителя напряжения и выходного каскада. С резистивной развязкой пульсации значительно ниже, чем с диодной развязкой, а также график напряжения намного более гладкий с развязывающим резистором, что дает спектр напряжения пульсаций с меньшим числом гармоник высших порядков, а это позволяет эффективнее бороться с пульсациями при помощи простых емкостных фильтров.

На этом можно было бы закончить, но мы применяли для теста в качестве развязывающего диода, обычный выпрямительный диод, а что если использовать диод Шоттки с низким падением напряжения с последовательно включенным резистором, это позволит при том же падении напряжения на развязывающем элементе, получить более низкий уровень пульсаций напряжения питания усилителя напряжения. Давайте проверим?!

Даже в случае применения диода Шоттки с последовательно включенным резистором, при одинаковом падении напряжения на развязывающем элементе, пульсации напряжения питания усилителя напряжения ниже с простым, одним единственным резистором. Кроме того, осциллограмма напряжения пульсаций с одиночным резистором выглядит по-прежнему лучше, чем осциллограмма диод+резистор. Хотя разница на этот раз уже не столь значительная как и в предыдущем опыте. 

Какой можно сделать вывод. Применение одиночного диода для развязки питания усилителя напряжения и выходного каскада усилителя мощности не эффективно, такая развязка дает высокий уровень пульсаций напряжения питания и кроме того, дает плохой, грязный спектр напряжения пульсаций, с которыми сложно бороться с помощью простого емкостного фильтра. Применение в качестве развязывающего диода, диода Шоттки в связке с резистором, дает неплохой результат и более мягкий спектр напряжения пульсаций, но этот способ сложнее и более дорогостоящий за счет дорогого диода Шоттки. Самым простым и самым эффективным способом развязки питания усилителя напряжения питания и выходного каскада, оказался способ резистивной развязки, с применением одиночного резистора. При одинаковом падении напряжения на развязывающем элементе, напряжение пульсаций получается самым минимальным, а спектр наиболее чистым и мягким. Рекомендую использовать для развязки напряжения питания усилителя напряжения и выходного каскада - резистор. 

Теги:

• УНЧ