M.R. "Zwiększanie mocy wzmacniaczy lampowych"
Radioamator 11/1953

Rys.1

     Rzadko zachodzi w praktyce potrzeba łączenia równoległego dwóch różnych lamp, dlatego też założymy, że obie lampy są tego samego typu, a więc posiadają jednakowe parametry. Oznaczmy opór wewnętrzny każdej z lamp przez R_i, nachylenie charakterystyki każdej z lamp przez S, a współczynnik amplifikacji przez µ. Wyznaczyć chcemy parametry lampy złożonej, które oznaczymy odpowiednio przez R'_i, S', i µ'. Ponieważ anody i katody lamp składowych połączone są ze sobą równolegle, wobec tego prąd anodowy wypadkowy jest sumą prądów anodowych obu lamp, czyli I'_a=2^.I_a.
     Również moc admisyjna lampy wypadkowej jest sumą mocy admisyjnych obu lamp, czyli jest podwójną:

P'_ad = 2 ^. P_ad

     Jeżeli chodzi o wypadkowy opór wewnętrzny, to łatwo zauważyć, że jest on o połowę mniejszy od oporu wewnętrznego każdej lampy oddzielnie ponieważ między punktami A i K (rys.1) załączone są równolegle dwa opory R_i czyli że:

     Chcąc znaleźć wypadkowe nachylenie charakterystyki zauważmy, że zwiększając napięcie siatki, które jest jednakowe dla obu lamp, o pewną wartość U_s spowodujemy przyrost prądu I_a, który jest sumą przyrostów prądowych poszczególnych lamp, czyli:

Dzieląc obie strony przez przyrost napięcia siatkowego U_s, który wywołał tę zmianę prądu anodowego, otrzymamy zależność:

Ponieważ stosunek przyrostu prądu anodowego do przyrostu napięcia siatkowego, przy stałym napięciu anodowym, określa nachylenie charakterystyki lampy wobec tego widzimy, że nachylenie wypadkowe S' jest dwukrotnie większe od nachylenia pojedynczej lampy:

S' = 2 ^. S

     Obliczywszy opór wewnętrzny lampy zastępczej R'_i i nachylenie charakterystyki S' możemy łatwo znaleźć wypadkowy współczynnik amplifikacji pamiętając, że te trzy parametry lampowe nie są od siebie niezależne, lecz związane są ze sobą wzorem, który nazywamy równaniem wewnętrznym lampy, mianowicie:

µ = S ^. R_i

     Jak z podanego wzoru wynika, współczynnik amplifikacji lampy jest iloczynem z nachylenia charakterystyki S i oporu wewnętrznego R_i, wartość tego współczynnika dla lampy wypadkowej nie ulega zmianie, ponieważ nachylenie wypadkowe S' wzrosło dwukrotnie, natomiast opór wypadkowy R_i zmalał dwukrotnie, wskutek czego iloczyn tych wartości pozostaje ten sam:

     Widać z tego wzoru, że łącząc równolegle dwie triody nie zmieniamy czułości układu, która przy triodach jak wiemy zależy jedynie od współczynnika amplifikacji µ. Otrzymać możemy jedynie podwojenie mocy wyjściowej, lecz tylko pod warunkiem, że równocześnie zmienimy opór dopasowania R_a. Jeżeli każda lampa oddzielnie wydziela maksymalną moc na oporze anodowym optymalnym R_a, to dwie lampy połączone równolegle razem ze swoimi oporami anodowymi pracować będą na wypadkowy opór anodowy dwukrotnie mniejszy czyli R_a/2.
     O tym należy pamiętać przy projektowaniu transformatora wyjściowego. Należy mieć również na uwadze tę okoliczność, że prąd anodowy spoczynkowy, który płynie przez pierwotne uzwojenie transformatora wyjściowego, przy połączeniu równoległym dwóch lamp zwiększa się dwukrotnie, a więc przekrój drutu uzwojeniowego pierwotnej strony transformatora musi być odpowiednio większy. Jeżeli jednak mieliśmy już transformator z dostateczną rezerwą mocy, który pracował dobrze przy jednej lampie, to wystarczy zmienić jedynie przekładnię transformatora przez zmianę ilości zwojów wtórnych, nie zmieniając liczby zwojów pierwotnego uzwojenia, ponieważ jak wiemy liczba zwojów pierwotnych zależna jest od wielkości napięcia zmiennego występującego na zaciskach pierwotnych transformatora, które przy łączeniu równoległym dwóch lamp nie ulega zmianie. Jeszcze o jednym nie należy zapomnieć przy projektowaniu stopnia końcowego o zwiększonej mocy, mianowicie o zasilaniu. Ponieważ pobór prądu anodowego w stanie spoczynku zwiększył się dwukrotnie, należy odpowiednio do tego powiększyć moc prostownika zasilającego. Sprowadza się to do wyboru odpowiednio większej lampy prostowniczej (pod względem emisji) i większego transformatora sieciowego oraz dławika filtrującego. Chcąc zachować ten sam stopień tętnienia prostownika przy dwukrotnie zwiększonym obciążeniu trzeba będzie również zwiększyć pojemności kondensatorów filtru prostownika.

Rys.2

     Jeszcze jedno zagadnienie związane jest z równoległym łączeniem lamp głośnikowych, mianowicie zagadnienie ujemnego napięcia siatkowego. Jeżeli chcemy zastosować automatyczne napięcie ujemne siatki, uzyskiwane za pomocą oporu katodowego włączonego między katodę i ziemię, wówczas możemy użyć do tego celu jeden opór katodowy wspólny dla obu lamp, tak jak to pokazano na rys.1, albo dwóch oporów katodowych oddzielnych dla każdej lampy (rys.2). W przypadku pierwszym przez wspólny opór katodowy R'_k płynie podwójny prąd anodowy, wobec czego dla uzyskania tego samego napięcia ujemnego co przy jednej lampie wartość tego oporu musi być o połowę mniejsza niż dla jednej lampy, czyli R'_k=R_k/2. W tym przypadku pojemność kondensatora katodowego C'_k załączonego równolegle do oporu katodowego R_k zmniejszonego dwukrotnie, musi być dwukrotnie większa, jeżeli stopień odsprzężenia ma pozostać ten sam. Można też zastosować układ pokazany na rys.2, który dla każdej lampy przewiduje oddzielny opór katodowy i oddzielny kondensator. Wartości oporów R_k i kondensatorów C_k są te same co przy zastosowaniu w stopniu końcowym jednej tylko lampy. Który z tych dwóch układów jest lepszy? W pierwszym układzie oszczędzamy na elementach, mianowicie stosujemy tylko jeden opór i jeden kondensator, w drugim natomiast musimy stosować dwa opory i dwa kondensatory katodowe. Oszczędność jednak w sumie nie jest duża zważywszy, że kondensator pojedynczy C'_k musi posiadać dwukrotnie większą pojemność od kondensatorów C_k. Natomiast drugi układ jest pewniejszy w eksploatacji. Wyobraźmy sobie moment, w którym przepala się jedna z lamp lub traci swoją emisję. Co się wówczas dzieje w jednym i drugim układzie? W pierwszym układzie zmniejszy się natychmiast prąd płynący przez opór katodowy R'_k, co spowoduje zmniejszenie się ujemnego napięcia, jakie otrzymuje pozostała lampa. Jeżeli lampa ta była już w pełni obciążona, to znaczy, że przez nią płynął maksymalny prąd anodowy spoczynkowy określony mocą admisyjną lampy, to zmniejszenie się ujemnego napięcia siatkowego spowoduje wzrost prądu anodowego ponad graniczną wartość, a tym samym spowoduje przeciążenie lampy i jej szybkie zniszczenie. Pod tym względem drugi układ jest korzystniejszy, gdyż przepalenie się jednej lampy w niczym nie zmienia warunków pracy pozostałej lampy. Każda bowiem z lamp otrzymuje swoje ujemne napięcie oddzielnie. Wobec tego lepiej stosować drugi układ niż pierwszy, mimo że w budowie jest on nieco droższy od pierwszego.
     Czy łączenie równoległe dwóch lamp wyczerpuje już wszystkie możliwości zwiększenia mocy stopnia końcowego? Nie. Można bowiem połączyć obie lampy końcowe szeregowo zamiast równolegle. Układ taki pokazany jest na rys.3.

Rys.3

Odpowiada on szeregowemu łączeniu dwóch ogniw baterii akumulatorów, przy którym dodatni biegun jednego ogniwa połączony jest z ujemnym biegunem drugiego ogniwa (anoda dolnej lampy połączona jest z katodą lampy górnej). Charakterystyczną cechą takiego łączenia jest to, że otrzymujemy dwukrotnie większe napięcie przy zachowaniu tego samego prądu. W naszym przypadku oznacza to, że otrzymamy na zaciskach transformatora dwukrotnie większe napięcie zmienne niż przy jednej lampie. Oczywiście, że pociąga to za sobą konieczność zastosowania innego transformatora wyjściowego obliczonego na dwukrotnie większe napięcie szczytowe. Nie należy jeszcze zapominać o tym, że aby obie lampy mogły pracować w swych normalnych warunkach, to znaczy przy przepisowych napięciach anodowych, prostownik zasilający musi dostarczyć napięcia stałego dwukrotnie większego niż dla jednej lampy, czyli że napięcie wyprostowane prostownika anodowego musi wynosić 2^.U_ao (500V zamiast 250V). Z powyższych względów, które komplikują budowę takiego układu, w praktyce jest on rzadko stosowany. Można jednak uniknąć podwajania napięcia anodowego mimo zachowania układu szeregowego łączenia lamp. Wystarczy w tym celu odwrócić biegunowość jednej z lamp, np. dolnej tak jak pokazano to na rys.4 i zasilać obie anody lamp, dołączone do obu końców pierwotnego uzwojenia transformatora, poprzez środkowy odczep tego uzwojenia. Z punktu widzenia zasilania obu lamp napięciem stałym z prostownika sieciowego obie lampy możemy uważać jako połączone równolegle, katody obu lamp są bowiem uziemione, a anody obu lamp poprzez połówki uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego załączone są do dodatniego bieguna prostownika sieciowego.

Rys.4

     Jeżeli jednak chodzi o zachowanie się obu lamp w stosunku do transformatora wyjściowego, to są one połączone przeciwsobnie (jedna anoda połączona z jednym końcem uzwojenia pierwotnego, a druga anoda z drugim końcem uzwojenia). Przy równoległym połączeniu obu siatek lamp i sterowaniu ich z jednego źródła napięcia zmiennego nie może oczywiście w takim układzie płynąć przez uzwojenie pierwotne transformatora żaden prąd zmienny. Układ taki podobny byłby do układu połączeń dwóch ogniw baterii jaki pokazany jest na rys.5, na którym bieguny ujemne ogniw połączone są ze sobą, a bieguny dodatnie, między którymi nie istnieje żadna różnica potencjałów, połączone są z zaciskami opornika. Oczywiście, że przez opornik nie popłynie w tym przypadku żaden prąd.

Rys.5

Żeby jednak (mimo takiego połączenia przeciwsobnego) lampy pracowały zgodnie na transformator wyjściowy, siatki tych lamp nie mogą otrzymywać napędu synfazowego, to znaczy nie można do nich przykładać napięcia zmiennego o jednakowej fazie, lecz w fazach przeciwnych. Napęd przeciwfazowy można łatwo otrzymać z transformatora ze środkowym odczepem uziemionym. Na obu połówkach takiego transformatora powstają napięcia równe, lecz odwrócone w fazie względem siebie o 180 stopni. Jeżeli takie napięcia przesunięte względem siebie w fazie o 180 stopni przyłożymy do siatek obu lamp (rys.6), to powodują one przeciwną pracę lamp. W chwili, gdy siatka górnej lampy jest dodatnia, prąd anodowy górnej lampy wzrasta.
     Przyrost prądu anodowego jest dodatni i posiada kierunek strzałki jak na rys.6, to znaczy skierowany jest w dół. W tej samej chwili siatka lampy dolnej jest ujemna, a więc prąd anodowy tej lampy maleje. Przyrost prądu anodowego dolnej lampy jest zatem ujemny i jest skierowany przeciwnie do prądu anodowego spoczynkowego, czyli posiada kierunek również w dół. Obie lampy pracują zatem zgodnie na transformator wyjściowy. Układ przeciwsobny, który w ten sposób pracuje, nazywa się układem "push-pull". "Push" oznacza po angielsku pchać - "pull" ciągnąć. Obrazowo możemy sobie przedstawić pracę lamp w ten sposób, że jeżeli jedna lampa "pcha" elektrony z katody do anody zwiększając prąd anodowy, druga lampa "ciągnie" elektrony od anody do katody, czyli zmniejsza prąd anodowy. Ponieważ jednak lampy połączone są przeciwsobnie, ich działania dodają się do siebie i w rezultacie przez transformator wyjściowy płynie prąd zmienny. Dla przebiegów zmiennych możemy uważać lampy jako generatory prądu zmiennego połączone szeregowo i pracujące zgodnie na transformator wyjściowy tak jak pokazane jest to na rys.7.

Rys.6	Rys.7

     Wskutek szeregowego połączenia obu lamp na pierwotnej stronie transformatora wyjściowego powstaje podczas pracy układu podwójne napięcie zmienne. Transformator musi być zatem obliczony na napięcie zmienne dwukrotnie wyższe niż dla jednej lampy. Poza tym przekładnia transformatora musi być tak dobrana, aby opór obciążenia, przeniesiony na stronę pierwotną transformatora, posiadał wartość dwukrotnie większą niż odpowiada to optymalnemu oporowi pracy dla jednej lampy, czyli między zaciskami pierwotnymi transformatora układ lamp musi "widzieć" opór równy 2^.R_a, gdzie R_a oznacza optymalny opór pracy przepisowy dla danego typu lampy.
     Ponadto, jak widać z rysunków, pierwotne uzwojenie transformatora wyjściowego musi mieć odprowadzenie od środka uzwojenia. Mimo, że transformator dla układu przeciwsobnego wydaje się bardziej skomplikowany od transformatora dla układu równoległego, to w rzeczywistości jest inaczej. Łatwiej jest bowiem wykonać dobry transformator dla układu przeciwsobnego niż dla układu zwykłego, a to z tego powodu, że rdzeń transformatora przeciwsobnego nie magnesuje się prądem stałym płynącym przez lampy w stanie spoczynku, ponieważ działanie prądów anodowych obu lamp, płynących w kierunkach przeciwnych przez obie połówki transformatora, znoszą się wzajemnie. Z tego powodu rdzeń transformatora przeciwsobnego nie wymaga szczeliny powietrznej dla zabezpieczenia przed nasyceniem się rdzenia. Brak szczeliny powietrznej powoduje zmniejszenie oporu magnetycznego rdzenia, co pociąga za sobą zwiększenie się oporu indukcyjnego uzwojenia, albo przy zachowaniu tej samej indukcyjności wymaga mniejszej liczby zwojów po stronie pierwotnej. Układ przeciwsobny ma jeszcze inne zalety w stosunku do układu równoległego. Zmniejsza mianowicie zniekształcenia spowodowane parzystymi harmonicznymi powstającymi na skutek nieliniowości charakterystyk lampowych. Inaczej mówiąc układ przeciwsobny wyprostowuje wypadkową charakterystykę dynamiczną układu, znosząc asymetrię w stosunku do początkowego punktu pracy lamp. Szczególnie korzystnie w tym układzie pracują triody. Rys.8 przedstawia charakterystyki dynamiczne obu lamp pracujących przeciwsobnie.

Rys.8

     Charakterystyka A należy do lampy górnej, natomiast charakterystyka B do lampy dolnej układu. Są to typowe charakterystyki dynamiczne, jakie uzyskuje się przy triodach. Obie lampy dla przykładu pracują przy ujemnym napięciu siatkowym -5V. Dolna charakterystyka jest odwrócona w stosunku do górnej, a to dlatego, że wzrost napięcia siatkowego lampy górnej musi odpowiadać zmniejszeniu się napięcia siatkowego lampy dolnej. Punkt jest wspólny dla obu charakterystyk. Przez uzwojenie pierwotne transformatora płynie różnica prądów anodowych obu lamp. Indukcja magnetyczna w żelaznym rdzeniu transformatora powstaje na skutek różnicy tych prądów. Charakterystyka C na rys.8 przedstawia różnice prądów anodowych obu lamp. Jest to zatem wypadkowa charakterystyka dynamiczna układu. Jak widać jest ona zbliżona bardziej do prostej niż charakterystyki dynamiczne każdej z lamp oddzielnie. Wyprostowanie wypadkowej charakterystyki dynamicznej układu świadczy o małych zniekształceniach, jakie układ ten wprowadza.
     Z tego powodu układ przeciwsobny stosowany jest wszędzie tam, gdzie zależy nam na wysokiej jakości odtwarzania dźwięków lub ich przekazywaniu możliwie bez zniekształceń. Oczywiście, że kompensacja zniekształceń symetrycznych będzie tym lepsza, im bardziej podobne do siebie będą charakterystyki obu lamp, dlatego też jest rzeczą ważną dobranie w tym układzie dwóch lamp o możliwie jednakowych charakterystykach.
     Jeżeli chodzi o ujemne napięcie dla obu lamp, to podobnie jak w układzie równoległym możemy je dostarczyć siatkom obu lamp automatycznie za pomocą oporów katodowych, przy czym opory te możemy włączyć do obwodu katodowego każdej lampy oddzielnie (rys.4) lub zastosować jeden wspólny opór między katodami lamp i ziemią (rys.9). Ponieważ w ostatnim przypadku przez wspólny opór płynie podwójny prąd lampowy, wobec tego wartość tego oporu musi być o połowę mniejsza niż dla jednej lampy. Zaletą tego układu jest to, że nie potrzeba blokować wspólnego oporu katodowego kondensatorem w celu odsprzężenia, ponieważ podczas pracy lamp składowe zmienne prądów anodowych lamp, płynące przez wspólny opór katodowy znoszą się wzajemnie i nie powodują na zaciskach tego oporu zmiennych napięć. Możemy przeto oszczędzić kondensator blokujący. Takie jednak rozwiązanie ma tę ujemną stronę, o której wspominaliśmy już poprzednio, że w razie przepalenia się jednej lampy druga lampa wskutek przeciążenia może się uszkodzić.

Rys.9

     Niedogodnością układu przeciwsobnego mimo jego bezsprzecznych zalet w stosunku do układu równoległego jest to, że wymaga do napędu symetrycznych napięć przesuniętych w fazie o 180 stopni. Ponieważ wstępne stopnie wzmacniacza pracują przeważnie w układach niesymetrycznych, przeto w tego rodzaju wzmacniaczach zastosować musimy jeden stopień lampowy zmieniający napięcie z asymetrycznego na symetryczne. Jest to odrębne zagadnienie, które omówimy w jednym z następnych artykułów.

M.R.

[artykuły]

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