ujemne sprzężenie zwrotne a przydźwięk sieci

M.R. "Ujemne sprzężenie zwrotne a przydźwięk sieci"
Radioamator 10/1954

     Nawet wśród fachowców istnieje różnica poglądów na temat wpływu ujemnego sprzężenia zwrotnego na przydźwięk sieci wywołany niedostatecznym wyfiltrowaniem pulsacji prostownika sieciowego w aparacie radiowym.
     Jedni twierdzą, że ujemne sprzężenie zwrotne napięciowe, zastosowane w końcowym stopniu wzmacniacza, zmniejszając oporność wewnętrzną lampy głośnikowej, zwiększa przydźwięk sieci w głośniku. Inni natomiast są zdania, że przydźwięk sieci zostaje zredukowany przez zastosowanie sprzężenia zwrotnego w tym samym stopniu, w jakim zostaje zmniejszone wzmocnienie układu.
     Zagadnienie to wymaga zatem bliższego naświetlenia. Wykażemy, że w pewnych przypadkach zarówno jedni jak i drudzy mają rację. Różnica w działaniu sprzężenia zwrotnego, ze względu na przydźwięk sieci, zależy od tego, czy źródło zakłóceń, jakie stanowi prostownik sieciowy, objęte jest układem sprzężenia zwrotnego czy nie, a to z nów z kolei zależy od zastosowanego schematu.

Rys.1a

Rozpatrzmy najpierw normalny układ końcowego stopnia wzmacniacza małej częstotliwości (rys.1a). Zasilacz sieciowy zastąpiony jest źródłem napięcia stałego E, z którym szeregowo działa napięcie tętnienia U_p. Prostownik sieciowy możemy uważać za generator zakłóceń wytwarzający siłę elektromotoryczną zmienną U_p równą napięciu tętnienia, jakie mierzymy na zaciskach prostownika w warunkach normalnego obciążenia. Oporność wewnętrzną prostownika dla przebiegów zmiennych przyjmujemy za równą zeru.
W stanie spoczynku, a więc kiedy wzmacniacz nie jest sterowany napięciem zewnętrznym, między zaciskami wyjściowymi wzmacniacza A-K występuje oporność równa oporności wewnętrznej lampy końcowej wzmacniacza.


Rys.1b	Rys.1c

Źródło tętnień U_p, jak wynika z rys.1b-c leży poza układem wzmacniacza. Zasila ono szeregowo połączone oporniki R_a i . Oporność R_a jest to oporność widziana na zaciskach transformatora głośnikowego dla przebiegów zmiennych o częstotliwości tętnień, a więc dla częstotliwości 50Hz, lub 100Hz, w zależności od tego, czy prostownik jest jedno- czy dwupołówkowy.
Napięcie tętnień prostownika U_p wywołuje w obwodzie transformatora głośnikowego prąd I_p zależny od sumy oporności R_a i .

Prąd ten na zaciskach transformatora wywołuje napięcie U_t równe:

(1)

Napięcie to jest bezpośrednią przyczyną przydźwięku słyszanego w głośniku.
Wielkość napięcia tętnienia na transformatorze, jak wynika ze wzoru (1), jest mniejsza od napięcia tętnienia prostownika U_p i to tym mniejsza, im większy jest stosunek /R_a czyli im większa jest oporność wewnętrzna lampy w stosunku do oporności roboczej R_a. Dla triod głośnikowych stosunek oporności wewnętrznej lampy do oporności roboczej R_a wynosi zwykle:

(Oporność robocza R_a jest zwykle dwa razy większa od oporności wewnętrznej triody).
Dla pentod natomiast (bierzemy pod uwagę tylko pentody głośnikowe) stosunek ten wynosi około siedmiu:

Wobec tego dla triody głośnikowej napięcie przydźwięku jest równe:

Dla pentody zaś:

(2)

Przy tej samej dobroci filtracji prostownika, trioda głośnikowa powoduje przeszło pięciokrotnie większe napięcie przydźwięku w głośniku niż pentoda. Pod tym względem pentoda jest korzystniejsza od triody.
Zachodzi pytanie, jaki wpływ ma ujemne sprzężenie zwrotne na przydźwięk z prostownika?
Rozpatrzmy w tym celu układ sprzężenia napięciowego przedstawiony na rys.2a.

Rys.2a

Układ ten stosowany jest przeważnie we wzmacniaczach mocy klasy A, względnie we wzmacniaczach przeciwsobnych kl. A-B. Napięcie zwrotne Uz jest częścią napięcia anodowego Ua (rys. 2b)

gdzie alfa - współczynnik sprzężenia zwrotnego napięciowego


Rys.2b	Rys.2c

Jak widać - napięcie zwrotne U_z uzależnione jest w tym układzie od napięcia anodowego lampy U_a to znaczy od napięcia jakie występuje między zaciskami A-K (anoda-katoda) lampy końcowej. Sprzężenie zwrotne nie obejmuje zatem napięcia zakłóceń U_p, które w tym przypadku jest napięciem zewnętrznym.
Rys.3a przedstawia układ uogólniony tego rodzaju sprzężenia zwrotnego. Czwórnik sprzężenia zwrotnego załączony jest do zacisków anoda-katoda lampy.

Rys.3a

Rys.3b przedstawia układ zastępczy z rys.3a. Lampa jest tutaj zastąpiona generatorem napięciowym o sile elektromotorycznej µU_z (µ - współczynnik amplifikacji lampy) i oporności wewnętrznej . Dla przejrzystości układu - oporność wejściowa czwórnika sprzężenia zwrotnego została pominięta.


Rys.3b	Rys.3c

Należy zwrócić uwagę na fakt, że przy tego rodzaju zwrotnym sprzężeniu ujemnym strzałka siły elektromotorycznej lampy jest zgodna z kierunkiem strzałki napięcia anodowego lampy U_a. Wobec tego prąd jaki popłynie w obwodzie transformatora głośnikowego będzie równy:

(3)

Napięcie anodowe, zgodnie z oznaczeniami na rys.3b jest równe:

Przedstawiając powyższą wartość do wzoru (3) otrzymamy:

Mnożymy obie strony przez (R_a+):

i przenosimy ostatni wyraz na lewą stronę:

Stąd obliczamy prąd Ip:

Jak widać - przez zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego prąd ten zwiększył się. Ujemne sprzężenie zwrotne zmniejszyło oporność wewnętrzną lampy (1+µ^.alfa)-krotnie. Wskutek wzrostu prądu I_p zwiększyło się również napięcie przydźwięku U_t:

Zmieńmy teraz układ sprzężenia zwrotnego w ten sposób, że czwórnik sprzężenia zwrotnego a załączymy równolegle do zacisków transformatora głośnikowego (rys.3c). Patrząc od strony lampy nic się zasadniczo nie zmieniło, jednak z punktu widzenia przydźwięku sytuacja uległa radykalnej zmianie. Napięcie zakłóceń U_p będące teraz napięciem wewnętrznym układu jest objęte układem sprzężenia zwrotnego. Kierunek siły elektromotorycznej lampy jest teraz przeciwny do kierunku siły elektromotorycznej przydźwięku U_p, a więc zmniejsza prąd I_p płynący przez transformator wyjściowy lampy. Zgodnie z oznaczeniami na rys.3c mamy:

(4)

Napięcie sprzężenia zwrotnego U_z jest teraz proporcjonalne do napięcia transformatora U_t:

Podstawiając do równania (4) U_t=I_pR_a otrzymamy:

Stąd:

albo:

Ostatecznie więc:

Napięcie tętnień na zaciskach transformatora otrzymamy - mnożąc prąd tętnień I_p przez oporność transformatora R_a:

Jak wynika z ostatniego wzoru przy zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego według schematu (rys.3c), w którym napięcie zwrotne jest proporcjonalne do napięcia występującego na zaciskach transformatora głośnikowego, napięcie tętnień U_t jest mniejsze od napięcia tętnień, jakie występuje bez zastosowania sprzężenia zwrotnego. W tym więc przypadku sprzężenie zwrotne zmniejsza przydźwięk sieci. Układ pokazany na rys.3c ma jeszcze tę zaletę, że nie tylko zmniejsza przydźwięk sieciowy, lecz również kompensuje w pewnym stopniu zniekształcenia spowodowane samym transformatorem głośnikowym, o ile napięcie zwrotne będziemy odbierać po wtórnej stronie transformatora głośnikowego, jak to pokazuje rys. 4.

Rys.4

     Tego rodzaju układy spotyka się często w odbiornikach radiowych. Napięcie zwrotne U_z przyłożone jest tutaj między katodę lampy głośnikowej a "ziemię" w odpowiedniej fazie, tak aby zmniejszało napięcie sterujące siatkowe, jakie lampa otrzymuje z poprzednich stopni wzmocnienia.
     Wnioski, jakie wynikają z powyższej analizy układów sprzężenia zwrotnego są następujące: układy, w których napięcie zwrotne odbierane jest od zacisków anoda-katoda lampy, nie obejmują napięcia tętnień wytwarzanego przez prostownik sieciowy, wskutek czego powodują wzrost przydźwięku sieci w głośniku wywołany redukcją oporności wewnętrznej lampy głośnikowej.
     Układy sprzężenia zwrotnego, w których napięcie zwrotne odbierane jest od zacisków transformatora głośnikowego, obejmują sobą napięcie tętnień prostownika, wskutek czego zmniejszają przydźwięk sieciowy w głośniku. Jeżeli ponadto napięcie zwrotne odbierane jest od wtórnej strony transformatora głośnikowego, wówczas występuje również częściowa kompensacja zniekształceń częstotliwości wywołanych przez transformator głośnikowy.

M.R.

[artykuły]