porównanie pracy wzmacniacza w klasie a z pracą wzmacniacza w klasie b

M.R. "Porównanie pracy wzmacniacza w klasie A z pracą wzmacniacza w klasie B"
Radioamator 1/1954

    Wzmacniacze elektroakustyczne, przeznaczone do zasilania głośników lub megafonów, mają końcowy stopień wzmocnienia czyli stopień mocy, w którym lampy mogą pracować w klasie A lub w klasie B. W zależności od rodzaju pracy lamp w stopniu końcowym wzmacniacza oznacza się zwykle cały wzmacniacz jako wzmacniacz klasy A względnie B. Wzmacniacze obu tych klas posiadają swoje zalety jak też i wady. Wzmacniacze dużej mocy akustycznej, ze względu na większą sprawność i oszczędność w eksploatacji, budowane są przeważnie w klasie B, podczas gdy wzmacniacze małej mocy pracują zazwyczaj w klasie A.
     W niniejszym artykule zastanowimy się nad tym, jak reagują wzmacniacze obu tych klas na zmienność obciążenia. Zagadnienie to ma duże znaczenie w radiofonii przewodowej ponieważ - jak wiadomo - wzmacniacze radiowęzłów, zasilające sieć głośników abonenckich pracują na zmienne obciążenie zależnie od liczby głośników, załączonych w danej chwili do linii i zasilanych przez wzmacniacze radiowęzła. Rozgałęziona sieć abonencka, przeważnie napowietrzna, narażona jest ponadto na przypadkowe zwarcia, które redukują opór obciążenia wzmacniacza do bardzo małych wartości. Odbija się to oczywiście na pracy końcowych lamp wzmacniacza.
     Zachodzi pytanie, czy lampy pracujące w klasie A i w klasie B jednakowo reagują na zwarcia i na bieg jałowy wzmacniacza, czy też pod tym względem istnieją różnice między obu klasami pracy wzmacniaczy. Żeby na to pytanie odpowiedzieć, musimy rozpatrzyć pracę lampy w stopniu końcowym wzmacniacza pod kątem widzenia wydzielonej przez lampę mocy elektroakustycznej i nagrzewania się lampy w zależności od obciążenia wzmacniacza. Analizę powyższą przeprowadzimy dla lampy pracującej w klasie A i w klasie B. W końcu porównamy ze sobą otrzymane wyniki.

Praca lampy końcowej w klasie A

Schemat typowego stopnia końcowego pracującego z pentodą w klasie A pokazany jest na rys.1. Zakładamy, że lampa pracuje w swoich optymalnych warunkach, a więc że napięcie źródła U_ao jest najwyższym napięciem, jakie można dla danego typu lampy zastosować. Ponadto napięcie ujemne siatki U_so jest tak dobrane, że płynący przez lampę prąd spoczynkowy I_ao posiada największą dopuszczalną wartość ze względu na moc admisyjną lampy P_ad. To znaczy, że U_aoI_ao=P_ad. Następnie zakładamy, że opór obciążenia lampy jest dobrany właściwie, to znaczy, że jego wartość spełnia w przybliżeniu równanie:

Rys.1

Rys.2 ilustruje przebiegi zachodzące w lampie. Dla prostoty rysunku przedstawiono charakterystyki anodowe lamp jako linie proste. Optymalnemu oporowi pracy odpowiada prosta APC. Moc dostarczona do lampy z prostownika w stanie spoczynku jest równa powierzchni prostokąta O-U_ao-P-I_a, czyli P_d=U_aoI_ao. Jest ona równa mocy admisyjnej lampy P_ad. Moc ta całkowicie zamienia się na ciepło w lampie. Jeżeli nie ma napędu siatkowego. W przypadku, gdy na siatce lampy występuje zmienne napięcie, punkt pracy przesuwa się wzdłuż prostej roboczej. Przy pełnym wysterowaniu lampy punkt pracy osiąga szczytowe pozycje A-C. Punktowi A odpowiada amplituda prądu anodowego równa AB oraz amplituda napięcia anodowego równa PB. Wobec tego moc oddana przez lampę do głośnika jest równa P_a=PB^.BA/2 czyli że moc ta jest równa powierzchni trójkąta PBA. Podczas pracy lampy prąd anodowy waha się około wartości I_ao.

Rys.2

     Jeżeli amplitudy prądowe są równe w obu kierunkach, średnia wartość prądu anodowego płynącego przez lampę pozostaje stała i równa się prądowi spoczynkowemu I_ao. Wynika stąd, że prąd czerpany z prostownika podczas pracy lampy pozostaje stały. Tym samym również i moc dostarczana do lampy z prostownika pozostaje stała podczas pracy lampy i równa się mocy admisyjnej.
     Ponieważ jednak lampa wydziela do głośnika moc użyteczną, równą jak wykazaliśmy, powierzchni trójkąta PBA, to opierając się na zasadzie zachowania energii, na ciepło w lampie wydziela się moc, która jest różnicą między mocą dostarczoną lampie przez prostownik i mocą oddaną przez lampę do głośnika. Moc dostarczona lampie pozostaje stała, wobec tego różnica między mocą dostarczoną lampie i mocą oddaną przez lampę jest tym mniejsza, im większa jest moc użyteczna oddana przez lampę na zewnątrz; inaczej mówiąc - w klasie A lampa tym mniej się grzeje, im głębiej jest wysterowana, czyli im więcej mocy wydziela na zewnątrz. W najgorszych zatem warunkach lampa znajduje się w stanie spoczynku, kiedy cała moc, równa mocy admisyjnej, wydziela się w lampie na ciepło. Nie ma zatem obawy, aby lampa podczas pracy w klasie A się przegrzała, wprost przeciwnie, anoda lampy podczas pracy jest mniej gorąca. Oczywiście odnosi się to do normalnych warunków pracy lampy, kiedy opór obciążenia lampy równa się oporowi optymalnemu.
     Rozpatrzmy teraz pracę lampy w przypadku zwarcia wtórnych zacisków transformatora wyjściowego. W tej sytuacji prosta robocza będzie miała bardzo duże nachylenie. Opór pracy lampy ograniczy się do oporów uzwojeń transformatora wyjściowego, które - jak wiemy - są bardzo małe. Niech prosta DE (rys.2) przedstawia prostą roboczą w warunkach zwarcia lampy. Widzimy, że trójkąty mocy DGP względnie PU_aoE zmniejszyły się. Znaczy to, że moc wydzielona przez lampę jest minimalna, poza tym obie amplitudy prądowe dodatnia i ujemna nie są już równe. Przeważa dodatnia amplituda prądu anodowego GD. Wskutek przewagi dodatniej amplitudy prądowej nad ujemną średnia wartość prądu anodowego pobieranego z prostownika sieciowego nieznacznie się zwiększy. Oznacza to zwiększenie mocy dostarczonej lampie przez prostownik, jeżeli założymy, że napięcie prostownika nie uległo zmianie. Zwykle jednak tak nie jest, ponieważ wzrost prądu czerpanego z prostownika powoduje spadek napięcia U_ao na zaciskach prostownika. Praktycznie więc moc dostarczona lampie przez prostownik nie ulega zmianie podczas zwarcia lampy i pozostaje równa mocy admisyjnej lampy. Mimo tego, że lampa podczas zwarcia nie wydziela mocy użytecznej na zewnątrz, uszkodzić się nie może i praktycznie grzeje się tak samo, jak w stanie spoczynku. Z tego wynika, że lampa mocy pracująca w klasie A nie jest wrażliwa na przeciążenie.
     Jak zachowuje się lampa pracująca w klasie A w przypadku biegu jałowego wzmacniacza, to znaczy, gdy odłączymy głośnik lub głośniki od transformatora wyjściowego?
     Pierwotne uzwojenie transformatora przedstawia w tych warunkach dla prądów zmiennych oporność indukcyjną bardzo dużą w stosunku do oporu pracy R_a. Prosta robocza, odpowiadająca dużemu oporowi pracy lampy, posiada małe nachylenie w stosunku do osi U_a. Przechodzi ona przez początkowy punkt pracy P_o i przecina oś U_a w punkcie C bardzo odległym od punktu U_ao (prosta AP_o na rys. 3).

Rys.3

     To dalekie odsunięcie się punktu C od punktu U_ao wskutek małego nachylenia prostej roboczej oznacza, że przy dużych ujemnych impulsach napięcia siatkowego, napięcie na anodzie lampy osiąga bardzo duże dodatnie wartości, kilkakrotnie większe od napięcia zasilającego U_ao. Jeżeli więc przyjąć U_ao=250V, to szczyty napięcia anodowego przy biegu jałowym mogą dochodzić do tysiąca i więcej woltów. Tak duże napięcia szczytowe na anodzie lampy mogą być dla lampy niebezpieczne. Mogą one spowodować przebicie szkła między doprowadzeniami elektrod w cokole lampy, co się często zdarza, mogą również uszkodzić transformator wyjściowy.
     Te duże przepięcia, które mogą wystąpić na pierwotnych zaciskach transformatora w biegu jałowym można sobie fizycznie wytłumaczyć w ten sposób, że wskutek dużego ujemnego impulsu siatkowego następuje jaka gdyby gwałtowne przerwanie prądu anodowego płynącego przez lampę i równocześnie przez pierwotne uzwojenie transformatora. Strumień magnetyczny w rdzeniu żelaznym transformatora, zanikając gwałtownie razem z prądem, indukuje na zaciskach uzwojeń duże napięcia.
     Wynika stąd, że lampy końcowe pracujące w klasie A w stopniach mocy są narażone na uszkodzenie w biegu jałowym wzmacniacza.
     Powyższe uwagi dotyczące przepięć odnoszą się do wszystkich elementów indukcyjnych, jak dławiki i transformatory, pracujących z podkładem prądu stałego. W celu zabezpieczenia się przed przepięciami w razie przerwy prądu stałego, załącza się zacisków tych elementów iskierniki (bezpieczniki iskrowe) lub neonówki o odpowiednio dużym napięciu zapłonu.
     Rozpatrzmy teraz, jak zachowują się w tych samych warunkach lampy pracujące w klasie B. Oczywiście mamy na myśli układy przeciwsobne wzmacniaczy, gdyż tylko w takim układzie można stosować klasę B do wzmacniania przebiegów zmiennych.
Każda z lamp takiego układu przewodzi prąd anodowy tylko podczas połowy okresu napięcia siatkowego. Wielkość impulsu prądowego, jaki przez lampę przepłynie, oznaczymy go przez , zależy od amplitudy napięcia siatki i od oporu obciążenia lampy R_a określonego nachyleniem charakterystyki roboczej, wychodzącej z punktu U_ao (punkt P_o na rys.4). W klasie B pracującej bez prądu siatki, a więc w zakresie ujemnych napięć siatkowych, zakres pracy lampy ograniczony jest punktem A leżącym na przecięciu się prostej roboczej z charakterystyką zerową lampy (U_s=0). Maksymalny impuls prądowy przepływający przez lampę posiada wartość AB=I_m, którą możemy zawsze wyznaczyć z charakterystyk danej lampy. Amplitudzie prądu I_m odpowiada amplituda napięcia U_m=BP uzależniona od amplitudy prądu prawem Ohma U_m=I_mR_a. Stąd R_a=U_m/I_m. Trójkąt ABP_o określa moc wydzieloną przez obie lampy układu przeciwsobnego na zewnątrz. Na jedną lampę przypada połowa tej mocy. Zatem moc użyteczna wydzielona przez jedną lampę pracującą w klasie B jest równa:

(1)

Aby obliczyć moc straconą w lampie na ciepło, musimy obliczyć moc czerpaną przez lampę z zasilacza anodowego. Impulsy prądowe przepływające przez lampę mają kształt półsinusoid, przy założeniu, że napęd siatkowy jest sinusoidalny i że charakterystyki lampowe są w przybliżeniu prostymi. Miliamperomierz prądu stałego włączony w obwód anodowy lampy będzie wykazywać wartość średnią tych impulsów prądowych, czyli wartość równą

(2)

a więc około jednej trzeciej wartości szczytowej impulsów. Stąd moc czerpana przez lampę ze źródła napięcia anodowego jest równa

(3)

Moc ta jest proporcjonalna do wielkości impulsów Im. Na ciepło w lampie zużywa się moc równa różnicy między mocą dostarczoną lampie P_d i mocą P_a oddaną przez lampę na zewnątrz:

P_c = P_d - P_a (4)

Rys.4

Podstawiając za P_d i P_a odpowiednie wartości otrzymamy:

(5)

Pierwszy składnik tej różnicy rośnie proporcjonalnie z wysterowaniem lampy, drugi natomiast - z kwadratem wysterowania I_m. W miarę wzrastania impulsów prądowych I_m, wskutek zwiększania głębokości wysterowania, rośnie również moc tracona w lampie na ciepło, lecz tylko do określonej wartości P_cm. Dalsze zwiększanie prądu powoduje zmniejszanie się mocy traconej na ciepło, gdyż zaczyna już przeważać drugi składnik w równaniu (5). Wartość I'_m, przy której moc tracona w lampie na ciepło jest największa równa się:

(6)

Podstawiając tę wartość do wzoru (5) na moc P_c otrzymamy po wykonaniu odpowiednich rachunków wzór na maksymalną moc traconą w lampie na ciepło

(7)

Jak widzimy - moc ta zależy od napięcia zasilającego U_ao i od oporu obciążenia R_a. Przy danym napięciu źródła U_ao i prawidłowo dobranym oporze R_a moc ta nie powinna przekroczyć mocy admisyjnej lampy. Ustalając optymalny opór pracy dla danej lampy ze względu na maksymalną moc użyteczną, metodą wykreślną, należy zawsze sprawdzić według wzoru (7), jaka jest moc stracona w lampie na ciepło. Jeżeli moc ta wypadnie większa od mocy admisyjnej dla danej lampy, należy zmniejszyć napięcie zasilające U_ao, względnie zwiększyć opór pracy R_a. Przypuśćmy, że opór pracy i napięcie U_ao zostały tak dobrane, iż moc tracona na ciepło w lampie nie przekracza mocy admisyjnej lampy. Jeżeli w tych warunkach zmniejszy się w wyniku przeciążenia wzmacniacza, opór roboczy lampy R_a - może nastąpić przeciążenie i uszkodzenie lampy, wskutek zwiększenia się P_c poza granicę dopuszczalnej mocy. Można to sobie wytłumaczyć jeszcze w inny sposób: przy mniejszym oporze roboczym prosta robocza jest bardziej stroma, wskutek czego impulsy prądowe wzrastają. Pociąga to za sobą wzrost mocy pobieranej przez lampę z zasilacza anodowego. Natomiast powierzchnia trójkąta mocy maleje, lampa oddaje więc mniejszą moc na zewnątrz. Różnica między mocą dostarczoną lampie i mocą oddaną przez lampę rośnie, w rezultacie czego łatwo dochodzi do przeciążenia lampy.
     Wynika stąd ważny wniosek: wzmacniacz klasy B jest bardzo wrażliwy na przeciążenie. Zwarcie wzmacniacza podczas pracy powoduje zazwyczaj uszkodzenie się lamp wskutek przegrzania. Wypadki takie zdarzają się często we wzmacniaczach radiowęzłowych. Rozpatrzmy jeszcze prace w biegu jałowym wzmacniacza klasy B.
     W biegu jałowym we wzmacniaczu klasy B nie może wystąpić przepięcie na zaciskach pierwotnego uzwojenia transformatora z tej przyczyny, że przez transformator nie płynie składowa stała prądu anodowego, która mogłaby ulec przerwie. Prosta robocza w biegu jałowym, wychodząca z punktu P ma bardzo małe nachylenie i przyjmuje pozycję prawie poziomą. Punkt skrajny A znajduje się prawie na osi prądowej I_a, to znaczy, że maksymalna amplituda napięcia anodowego dochodzi prawie do wartości napięcia zasilania U_ao. Każda z lamp w klasie B pracuje przy ujemnych amplitudach napięcia anodowego, które nie mogą przekroczyć wartości U_ao: dlatego też obawa przepięć w biegu jałowym w klasie B nie istnieje.
     Jak widzimy - wzmacniacze klasy A i klasy B mają właściwości odwrotne w stosunku do siebie. Wzmacniacz klasy A jest niewrażliwy na przeciążenia, natomiast może się uszkodzić w biegu jałowym. Wzmacniacz klasy B przeciwnie, czuły jest na przeciążenie, niewrażliwy natomiast na bieg jałowy.

M.R.

[artykuły]