R.F. Gibson, "Projektowanie transformatora wyjściowego wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym",
Wireless World, 4/1955

Zaprojektowanie stabilnego wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, który ma płaską charakterystykę w zakresie 9-ciu oktaw jest względnie proste. Sytuacja diametralnie się komplikuje, gdy chcemy rozszerzyć ten zakres o jedną, czy dwie oktawy. Główną przyczyną są problemy ze stabilnością powodowane przez transformator wyjściowy.

Podstawowe wymagania dotyczące transformatora małej częstotliwości, który stosowany jest we wzmacniaczach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym o małych zniekształceniach są powszechnie znane, lecz dla przypomnienia wyliczmy je:

1. duża indukcyjność uzwojenia pierwotnego,
2. mała indukcyjność upływu uzwojenia pierwotnego/wtórnego,
3. rezonans w zakresie wysokich częstotliwości, powyżej częstotliwości, dla której wzmocnienie w pętli sprzężenia zwrotnego staje się mniejsze od jedności.

Do wymienionych wyżej cech dodać możemy właściwości istotne z praktycznego punktu widzenia:

1. ekonomiczny projekt,
2. dobra izolacja elektryczna,
3. właściwy dobór materiału rdzenia,
4. umiarkowane straty (I²R) ^a).

Analiza przedstawionych wymagań pokazuje, że projekt transformatora musi być kompromisem pomiędzy wieloma sprzecznymi wymaganiami np. duża indukcyjność uzwojenia pierwotnego to równocześnie duża liczba zwojów prowadząca do dużych strat (I²R) i zwiększonych wymagań na objętość uzwojenia. Duża objętość uzwojenia wymaga jego podział na wiele sekcji. Tylko w takim przypadku możliwe jest zmniejszenie indukcyjności upływu. To z kolei prowadzi do zwiększenia kosztów i dodatkowych problemów z zachowaniem właściwej izolacji elektrycznej.

Jednym ze sposobów zmniejszenia liczby zwojów uzwojenia pierwotnego jest zastosowanie rdzenia z materiału o dużej przenikalności, lecz rozwiązanie to często nie może być zastosowane ze względu na wysokie koszty.

Zwykłe żelazo krzemowe charakteryzuje się względnie małym współczynnikiem zniekształceń, lecz równocześnie ma wadę wynikającą z bardzo małej przenikalności przy małych gęstościach strumienia magnetycznego. To bardzo niekorzystna właściwość w kontekście wzmacniaczy z pętlą sprzężenia zwrotnego. W skrócie, bardzo mała indukcyjność pierwotna dla zerowego poziomu sygnału wymusza na projektancie wzmacniacza stosowanie niekorzystnie dużych stałych czasowych stopni sprzęgających małej częstotliwości aby uniknąć przesunięcia fazowego 180^o towarzyszącemu 12-decybelowemu nachyleniu charakterystyki i prowadzącemu do utraty stabilności. Bez wątpienia wielu czytelników będzie miało bolesne doświadczenia związane ze wspomnianym zjawiskiem.

Niestabilność

Podstawową przyczyną niestabilności wysokiej częstotliwości jest rezonans w obrębie dużego wzmocnienia pętli prowadzący do odwrócenia polaryzacji wewnątrz pasma przenoszenia wzmacniacza. Zwykle przyczyną jest wzrost indukcyjności upływu spowodowany dużą liczbą zwojów przy równoczesnej dużej pojemności międzyuzwojeniowej.

Przedstawione uwagi mogą rysować dosyć mroczny obraz działania transformatora wyjściowego w wysokiej jakości wzmacniaczach ze sprzężeniem zwrotnym. Na szczęście spełniając określone założenia projektowe można wykonać transformator o pożądanych parametrach. Przedstawmy podstawowe wymagania, które powinien spełniać projekt:

1. Materiał rdzenia: W chwili obecnej ^b) wydaje się, że nie ma lepszego materiału od stali krzemowej. Jednakże istnieje wiele odmian tego materiału. Ich właściwości są opisane w dalszej części artykułu.
2. Stosunek powierzchni uzwojenia do przekroju poprzecznego rdzenia: Nie wchodząc w zawiłości matematyczne można uznać, że z przyczyn ekonomicznych pożądany jest wybór małego stosunku okno / rdzeń; takie założenie ułatwia również uzyskanie dużej wartości częstotliwości rezonansowej i małej indukcyjności upływu.
3. Skuteczność: Jeśli już zdecydujemy, że stosujemy małą powierzchnię okna, to wprowadzamy równocześnie ograniczenie na wagę miedzi, która się tam zmieści w postaci uzwojenia i tym samym możemy założyć, że straty (I²R) będą akceptowalne (zakładając oczywiście, że grubość drutu uzwojenia pierwotnego będzie wystarczająca ze względu na płynące prądy - stały plus zmienny i że stosunek strat po stronie pierwotnej i wtórnej ma się jak 1:1).
4. Indukcyjność pierwotna: Do oszacowania wartości indukcyjności można stosować doświadczalną zależność:

                    (1)

gdzie: L - indukcyjność w Henrach, R_l - obciążenie anoda - anoda w omach, zaś V_B - stosunek napięć sprzężenia zwrotnego. W przypadku wzmacniacza przeciwsobnego na lampach EL84 i głębokości sprzężenia zwrotnego 26dB otrzymujemy:

^a) - chodzi o straty cieplne
^b) - proszę pamiętać, że artykuł został opublikowany w 1955r.

c.d.n.

[informacje praktyczne]

© 2000-2002 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl