M.R. "Praca lampy w klasie B"
Radioamator 12/1953

Rys.1.	Rys.2.

Wynika stąd, że warunek prostoliniowości charakterystyki nie jest konieczny do określenia pracy lampy w klasie A. Wyraźnie to widać na rys.2. Podczas pracy lampy początkowy punkt pracy P2 przesuwa się po mocno zakrzywionym odcinku charakterystyki od A do B. Mimo to lampa w tym przypadku pracuje w klasie A. Jaka jest więc właściwa definicja klasy A? Przypatrzmy się jeszcze rys.3. Widzimy tę samą charakterystykę lampową co na rys.1 z punktem początkowym pracy P3. Różnica polega jedynie na tym, że na rys.3 lampa jest głębiej wysterowana, napięcie zmienne siatkowe jest znacznie większe niż na rys.1. Punkt pracy wybiega poza charakterystykę lampową. Odcinek pracy A-P3-B nie leży już całkowicie na charakterystyce lampy. Wskutek tego następuje odcięcie części amplitudy prądu anodowego. Lampa w tym przypadku nie pracuje już w klasie A. Obserwując rys.1 i rys.2, na których pokazana jest praca lampy w klasie A, widzimy, że podstawowym warunkiem klasy A jest to, aby prąd anodowy podczas pracy lampy nie spadał do zera. Wybór początkowego punktu pracy na charakterystyce lampowej jest sprawą drugorzędną. Możemy więc podać ścisłą definicję pracy lampy w klasie A, mianowicie: lampa pracuje w klasie A, jeżeli prąd anodowy płynie przez lampę podczas całego okresu napięcia zmiennego siatki. Jest rzeczą obojętną, czy praca odbywa się na odcinku charakterystyki mniej lub więcej prostoliniowej. Nie decyduje to zasadniczo o charakterze pracy lampy, wpływa jedynie na wielkość zniekształceń nieliniowych.
     Wyboru początkowego punktu pracy lampy w klasie A dokonuje się zazwyczaj z punktu widzenia maksymalnego wykorzystania lampy (w środku charakterystyki dynamicznej) lub też ze względu na minimalne zniekształcenia nieliniowe (w środku najbardziej prostoliniowego i stromego odcinka charakterystyki) w zależności od tego, czy rozpatrujemy lampę końcową (głośnikową) czy też lampy wstępne pracujące w początkowych stopniach wzmacniacza.

Rys.3.	Rys.4.

     Wróćmy jednak do rodzajów pracy lampy i zastanówmy się nad określeniem lampy w klasie B. Rys.4 przedstawia pracę lampy w tej klasie. Cechą zasadniczą klasy B jest wybór początkowego punktu pracy P. Leży on na samym dole charakterystyki siatkowej lampy. Punkt ten odpowiada napięciu siatkowemu ujemnemu U_so, przy którym prąd anodowy w stanie spoczynku jest równy zeru. Popularnie mówiąc w klasie B lampa w stanie spoczynku jest "zatkana". Prąd anodowy lampy zaczyna płynąć podczas pracy lampy i tylko podczas dodatnich półokresów napięć siatkowych. Prąd anodowy ma charakter impulsów, których kształt odpowiada połówkom sinusoid. Są one odzwierciedleniem dodatnich połówek sinusoid siatkowych. Drugich połówek ujemnych brakuje. Możemy więc zdefiniować pracę lampy w klasie B następująco: lampa pracuje w klasie B, jeżeli prąd anodowy płynie tylko podczas połowy okresu zmiennego napięcia siatki.
     Lampa w klasie B odcina połowę krzywej prądowej. Aby to nastąpiło, musi prąd spoczynkowy lampy w klasie B być równy zeru. Takie zjawisko obcinania połowy prądu zmiennego lub napięcia zmiennego nazywamy prostowaniem prądu zmiennego. Lampa w klasie B pracuje zatem jako prostownik, przepuszczając tylko jedną połowę prądu zmiennego. Ten sposób prostowania nazywamy prostowaniem anodowym. Znajduje on zastosowanie praktyczne przy prostowaniu prądów wielkiej częstotliwości.
     Pojedyncza lampa pracująca w klasie B nie nadaje się wobec tego do wzmacniania przebiegów zmiennych. Można jednak uzupełnić drugą połowę przebiegu zmiennego drugą lampą pracującą w klasie B, odpowiednio sprzężoną z pierwszą lampą, w układzie przeciwsobnym. Układ taki pokazany jest na rys.5. Każda lampa w tym układzie pracuje na jedną połówkę napięcia zmiennego, uzupełniając się wzajemnie. Na przykład podczas dodatniego półokresu napięcia siatki przewodzi prąd anodowy górna lampa, podczas ujemnego półokresu napięcia siatki - dolna lampa. Obie połówki prądu anodowego składają się na całkowity przebieg zmienny w transformatorze wyjściowym. W układzie przeciwsobnym klasy B lampy pracują na przemian w czasie jednego okresu przebiegu zmiennego. Gdy jedna lampa przewodzi prąd - druga jest "zatkana". Ten rodzaj pracy nie można już nazwać "push-pull'em" (pchać-ciągnąć). Nazwa ta odnosi się tylko do układu przeciwsobnego w klasie A, w którym każda z lamp pracuje podczas całego okresu napięcia siatkowego. A więc w czasie każdej połówki napięcia zmiennego pracują obie lampy i to w ten sposób, że gdy jedna lampa "pcha" prąd anodowy, druga w tym samym czasie "ciągnie". W klasie B natomiast każda z lamp tylko "pcha" prąd anodowy przez jedną połówkę uzwojenia transformatora wyjściowego. Praca odbywa się na przemian przez jedną, to przez drugą lampę, tak jak przedstawiono to na rys.6.

Rys.5.	Rys.6.

     Z tego wniosek, że przy obliczaniu przekładni transformatora wyjściowego musimy wziąć pod uwagę tylko połowę przekładni transformatora. Jeżeli przez p oznaczamy stosunek całkowitej liczby zwojów pierwotnych do wtórnych, czyli p=n₁/n₂, to czynna przekładnia jest p/2, ponieważ działa zawsze tylko połowa uzwojenia pierwotnego. Opór głośnika R_g musi być tak przeniesiony na połówkę uzwojenia pierwotnego, aby lampa "widziała" opór ten równy oporowi optymalnemu pracy R_a, czyli:

Stąd wynika przekładnia transformatora wyjściowego w klasie B:

     (1)

Porównując wzór powyższy z wzorem na przekładnię transformatora wyjściowego układu przeciwsobnego pracującego w klasie A:

     (2)

widzimy, że jest między nimi poważna różnica. O tym należy pamiętać przy obliczaniu transformatora przeciwsobnego.
     Następnym zagadnieniem, które należy szczegółowo rozpatrzeć, to optymalny opór pracy lampy w klasie B. Opór ten jest inny niż opór pracy lampy w klasie A. Zanim jednak przejdziemy do wyznaczenia tego oporu optymalnego w klasie B, zastanówmy się, dlaczego stosuje się układy lampowe w klasie B i jakie są ich zalety w stosunku do układów w klasie A?
     Podstawowa różnica między układem przeciwsobnym w klasie A i w klasie B, która każdemu rzuca się w oczy, jest następująca: w klasie A w stanie spoczynku płynie przez obie lampy duży prąd anodowy (prąd spoczynkowy). Prąd ten niepotrzebnie grzeje lampy i obciąża prostownik sieciowy lub zużywa baterię anodową w przypadku wzmacniacza bateryjnego. Jest to poważna wada układów klasy A. Wady tej nie mają układy pracujące w klasie B. Tutaj prąd anodowy w stanie spoczynku jest równy zeru, a więc lampy nie grzeją się i nie obciążają prostownika albo też nie zużywają w biegu jałowym cennej baterii anodowej. Ta zasadnicza zaleta układów w klasie B predestynuje je do zastosowania ich przy budowie aparatów i wzmacniaczy bateryjnych.
     Czy poza tą zasadniczą zaletą istnieją jeszcze inne? Jeżeli bowiem chodzi tylko o oszczędność mocy w stanie spoczynku wzmacniacza, to może mieć ona znaczenie przy wzmacniaczach bateryjnych, natomiast przy wzmacniaczach sieciowych o niedużych mocach pobieranych ze sieci oświetleniowej, odgrywa ona rolę drugorzędną. Zagadnienie oszczędności w zużyciu energii elektrycznej przez wzmacniacz wysuwa się dopiero na pierwszy plan przy wzmacniaczach dużej mocy, rzędu kilowatów, względnie dziesiątek kilowatów (modulatory na stacjach nadawczych radiofonicznych) jak również wówczas, gdy wzmacniacze pracować mają przez kilka godzin dziennie bez przerwy, np. wzmacniacza radiowęzłów. Na to pytanie odpowiemy analizując układ w klasie B bardziej szczegółowo.
     Rys.4 daje pewne ogólne pojęcie o pracy lampy w klasie B, lecz jest on do szczegółowej analizy niewystarczający. Jak wiemy, podstawą do graficznego sposobu obliczania warunków pracy lampy, są charakterystyki anodowe lampy, a nie charakterystyki siatkowe. Rys.7 przedstawia charakterystyki anodowe triody. Dla przejrzystości rysunku narysowano tylko dwie z nich, a mianowicie charakterystykę zerową i charakterystykę dla napięcia siatki U_s=-60V. Jest to charakterystyka, która zaczyna się od napięcia anodowego U_a=250V, w punkcie początkowym pracy P_o. Przyjmując napięcie prostownika równe 250V i chcąc przy tym napięciu zredukować prąd anodowy lampy do zera, musimy przyłożyć na siatkę lampy napięcie ujemne równe U_s=-60V. Przy tak dobranych warunkach początkowych, punkt pracy w stanie spoczynku znajduje się w miejscu P_o na osi napięć anodowych (U_ao=250V). Przez ten punkt początkowy pracy przechodzić musi prosta robocza, która określa zależność pomiędzy prądem anodowym a spadkiem napięcia na oporze R_a. Nachylenie prostej roboczej zależy od wielkości oporu R_a. Ze względu na maksimum mocy, jaką chcemy uzyskać z lampy, opór R_a musi mieć pewną wartość optymalną, a więc i nachylenie prostej roboczej musi być dobrane pod pewnym optymalnym kątem.

Rys.7.

     Jeżeli chcemy pracować bez prądu siatki, czyli w klasie B, to napięcie chwilowe na siatce lampy nie może być nigdy większe od zera, czyli dodatnie. Granicą wysterowania lampy jest więc charakterystyka zerowa lampy (U_s=0). Prosta robocza wychodząca z punktu P_o przecina charakterystykę zerową lampy w pewnym punkcie (punkt A - na rys.7). Prostopadła wyprowadzona z punktu A do osi U_a przecina tę oś w punkcie B, który określa napięcie anodowe lampy przy napięciu siatkowym równym zero. Odcinek BP_o=U_m  oznacza maksymalne napięcie na oporze R_a. Rzędna punktu A, czyli odcinek BA=I_m oznacza maksymalny prąd anodowy I_m jaki płynie przez lampę przy U_s=0. Moc wydzielona podczas całego okresu pracy, a więc wydzielona przez obie lampy układu przeciwsobnego na oporze roboczym R_a jest równa:

     (3)

     Jak widać, wzór na moc P_a odpowiada powierzchni trójkąta P_oBA. Nachylenie prostej roboczej P_oA powinno być takie, aby powierzchnia otrzymanego trójkąta P_oAB była jak największa. Można przekonać się, że nastąpi to wówczas, gdy pionowa AB przetnie odcinek OP_o na połowę. Wynika stąd reguła wykreślania prostej roboczej odpowiadającej optymalnemu oporowi pracy R_a. Postępujemy mianowicie w sposób następujący: dzielimy odcinek OP_o, równy napięciu prostownika U_ao na połowę, otrzymując punkt B. W naszym przypadku U_ao=250V, OB=125V. Z punktu B prowadzimy pionową aż do przecięcia się jej z charakterystyką zerową lampy, czyli z charakterystyką wychodzącą z punktu zerowego układu. Otrzymujemy w ten sposób punkt A, który łączymy z punktem P_o. Prosta AP_o jest naszą szukaną prostą roboczą o optymalnym nachyleniu. Wartość oporu R_a znajdziemy ze stosunku U_m do I_m w myśl prawa Ohma:

Maksymalna moc wydzielona przez obie lampy układu klasy B będzie w danym przypadku:

Z jednej lampy w klasie B otrzymamy maksymalną moc równą połowie powyższej mocy, czyli:

     (4)

     Obserwując dokładniej rys.7 widzimy, że nachylenie optymalne prostej roboczej jest mniej więcej równe nachyleniu charakterystyki zerowej. Ponieważ nachylenie charakterystyki anodowej lampy określa opór wewnętrzny lampy R_i, wobec tego możemy w przybliżeniu powiedzieć, że opór optymalny pracy w klasie B jest równy oporowi wewnętrznemu lampy, czyli

R_a = R_i     (5)

Oczywiście odnosi się to tylko do triody.
     Maksymalną moc triody pracującej w klasie B możemy obliczyć bez potrzeby wykreślania charakterystyki roboczej. Wystarczy do wzoru (4) podstawić:

Otrzymamy:

     (6)

     W przypadku pentody wybór optymalnego oporu roboczego w klasie B odbywa się nieco inaczej niż w przypadku triody. Rys.8 przedstawia sposób wykreślenia prostej roboczej. Wyznaczywszy najpierw punkt pracy P_o w stanie spoczynku, wybieramy następnie na charakterystyce zerowej pentody punkt A. Punkt ten powinien leżeć na górnym zakrzywieniu charakterystyki zerowej. Łącząc punkt A z punktem P_o otrzymamy prostą roboczą odpowiadającą optymalnemu oporowi roboczemu R_a.

Rys.8.

Rysując pionową z punktu A otrzymamy punkt B. Mając amplitudę napięcia anodowego BP_o=U_m i amplitudę prądu anodowego I_m=BA, wyznaczamy wartość oporu roboczego:

oraz moc użyteczną z jednej lampy:

     W przypadku pentody optymalny opór roboczy R_a nie jest niczym związany z oporem wewnętrznym lampy, tak jak w przypadku triody. Należy go każdorazowo wyznaczyć na podstawie charakterystyk anodowych pentody.
     Można postawić pytanie, czy moc otrzymana z lampy w klasie B różni się od mocy jaką możemy otrzymać z tej samej lampy pracującej w  klasie A przy tym samym napięciu anodowym? Na rys.8 podano warunki pracy tej samej pentody w klasie A. P_o oznacza punkt pracy w stanie spoczynku dla klasy A, przy napięciu anodowym U_ao tym samym co w kl. B. Punkt A został tak wybrany, że I_m=2I_ao. Moc otrzymana w klasie A jest równa powierzchni trójkąta mocy ACP'_o, natomiast moc otrzymana w klasie B równa się połowie powierzchni trójkąta ABP_o. Widać jednak na rysunku, że oba trójkąty mają tę samą podstawę BP_o=CP'_o oraz, że wysokość mniejszego trójkąta jest połową wysokości drugiego trójkąta: . Wynika stąd, że moc otrzymana z lampy w klasie B jest ta sama co moc otrzymana z tej samej lampy w klasie A.
     Warto więc zapamiętać ważny wniosek, a mianowicie: klasa B w stosunku do klasy A nie daje korzyści, jeżeli stosujemy te same lampy, przeznaczone do pracy w klasie A i pracujemy przy tym samym napięciu anodowym co w klasie A, w warunkach tego samego wykorzystania prądowego lamp. Reguła ta odnosi się zarówno do triod jak i do pentod.
     Jaka jest więc korzyść z klasy B i kiedy ją stosuje się? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy przeanalizować oba układy z punktu widzenia sprawności lamp.
     Sprawność lampy w klasie A łatwo jest obliczyć, ponieważ moc dostarczona lampie z prostownika jest zawsze stała i równa mocy w stanie spoczynku P_d=U_aoI_ao.
     Moc użyteczna, jaką otrzymujemy z triody w klasie A, jest jak wiemy:

U_m i I_m oznaczają amplitudy napięcia anodowego i prądu anodowego podczas pracy lampy. Możemy założyć, że przy pełnym wysterowaniu triody U_m=U_ao/2 oraz I_m=I_ao a zatem:

     Wobec tego, sprawność triody jako stosunek mocy użytecznej do mocy dostarczonej jest:

czyli:

     Sprawność triody jest zatem rzędu 25%. Jest to sprawność przy założeniu, że wykorzystanie napięciowe lampy jest równe 50%. Dla pentod z reguły wykorzystanie napięciowe lampy jest większe i wynosi przeciętnie 80%, czyli U_m=0,8U_ao. Moc użyteczna pentody w klasie A będzie wobec tego równa:

Wobec tego sprawność pentody jest rzędu 40%.
     Z triody 25 watowej, w pełni obciążonej, możemy otrzymać w klasie A najwyżej moc użyteczną równą: P_a=0,25^.25=6,25W.
     Z pentody natomiast, o tej samej mocy admisyjnej, otrzymamy:

P_a = 0,4^.25 = 10W

     Przejdźmy teraz do sprawności lampy w klasie B. Żeby tę sprawność obliczyć musimy znać pobór mocy lampy w klasie B z prostownika sieciowego. Napotykamy tutaj na pewną trudność, a mianowicie: jak obliczyć pobór prądu przez lampę pracującą w klasie B? W stanie spoczynku lampa w tej klasie nie pobiera prądu, dopiero w miarę wysterowania zaczyna płynąć przez nią prąd anodowy i to w postaci impulsów takich, jak przedstawia rys.4. Są to półsinusoidy o amplitudzie I_m. Miliamperomierz na prąd stały włączony do obwodu anodowego lampy wykazywałby średnią wartość tego prądu. Można wykazać, że wartość średnia I_ao takich półsinusoid jest równa:

     Wiedząc o tym możemy obliczyć już moc pobieraną przez lampę w klasie B, a mianowicie:

Ponieważ moc użyteczna triody pracującej w klasie B jest równa:

wobec tego sprawność triody w klasie B będzie:

czyli w przybliżeniu 40%.
     Dla pentody w klasie B mamy U_m=0,8U_ao, wobec czego moc użyteczna pentody jest równa:

Sprawność, jako stosunek P_a do P_d wynosi dla pentody w klasie B:

czyli w przybliżeniu 63%.
     Widzimy, że sprawność w klasie B jest znacznie większa niż w klasie A, tak dla triody jak i dla pentody. Znaczy to, że jeżeli pracujemy w klasie B z lampami przeznaczonymi do pracy w klasie A, to lampy te całkowicie są niewykorzystane. Najlepiej zilustruje to przykład.
     Z triody, którą poprzednio rozpatrywaliśmy, o mocy admisyjnej 25W, otrzymaliśmy maksymalną moc użyteczną przy napięciu anodowym 250V, równą 6,25W, tak w klasie A jak i w klasie B. Gdy w klasie A lampa jest całkowicie obciążona do 25W, to w klasie B pracuje ona przy sprawności 40%, czyli że przy mocy użytecznej P_a=6,25W moc pobierana z prostownika jest:

z czego 6,25W jest mocą użyteczną, natomiast różnica mocy 15,6-6,25=9,35W, zamienia się na ciepło w lampie. Jest to niezmiernie mało, jeżeli weźmie się pod uwagę, że lampa ta jest lampą 25-watową. Lampa jest rzeczywiście w tych warunkach niewykorzystana. Można by z niej otrzymać moc użyteczną znacznie większą niż 6,25W, lecz tylko pod warunkiem, że zastosujemy wyższe napięcie anodowe niż 250V. Wynika to ze wzoru (6) na maksymalną moc użyteczną triody w klasie B, która zależy od kwadratu napięcia anodowego U_ao. Dlatego też lampy przeznaczone do pracy w klasie B budowane są na wyższe napięcia anodowe. Gdyby nasza trioda wytrzymała napięcie zasilania U_ao=400V, można by otrzymać z niej w klasie B moc użyteczną P_a=16,6W, zamiast 6,25W, bez przeciążenia lampy. Moc pobierania z prostownika przy sprawności 40% byłaby równa:

Odejmując od tej mocy 16,6W jako moc użyteczną pozostaje 41,5-16,6=24,9W na ciepło w lampie. Widzimy, że dopiero przy mocy użytecznej 16,6W, lampa ta byłaby w pełni wykorzystana. Dopiero teraz występuje przewaga pracy lampy w klasie B nad klasą A. Z triody 25-watowej, z której w klasie A wyciągnąć możemy zaledwie 6,25 watów, w klasie B jest możliwe otrzymanie 16,6 wata bez przeciążenia lampy. Na to potrzebne jest jednak napięcie anodowe 400V zamiast 250V

M.R.

[artykuły]

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