|
inż. Aleksander Banaszkiewicz, "Układ
ultralinearny wzmacniacza mocy m.cz." |
|
W dziedzinie projektowania wzmacniaczy mocy m.cz. zyskał sobie prawo obywatelstwa i niemały rozgłos wprowadzony przed kilku laty układ, któremu jego amerykańscy popularyzatorzy nadali dość dziwną nazwę "ultralinearnego stopnia wyjściowego". Pomijając kwestię trafności doboru tego określenia (które zresztą spotkało się z krytyką i zastrzeżeniami ze strony prasy angielskiej) - sam układ jest interesujący z dwóch względów. Po pierwsze dlatego, iż przy stosunkowej prostocie rozwiązania zapewnia wyraźną poprawę jakości działania wzmacniacza (czego potwierdzeniem jest stosowanie go w przemysłowych wzmacniaczach i radioodbiornikach), a po drugie - spotkał się, zwłaszcza początkowo, z dość rozbieżną oceną, w której obok głosów aprobaty nie brak było krytycznej i chłodnej rezerwy. Ponadto niektóre właściwości wzmacniacza związane z mechanizmem działania układu stały się przedmiotem dyskusji świadczącej o tym, że mimo pozorów prostoty działania zawiera on wiele niejasności i stwarza możliwość odmiennej interpretacji. Opis układu Istota układu polega na zastosowaniu w stopniu końcowym wzmacniacza m.cz. pentody, której siatka ekranowa zasilana jest z odczepu pierwotnego uzwojenia transformatora wyjściowego - rys.1.
Mamy tu zatem do czynienia ze sprzężeniem zwrotnym anoda-siatka ekranowa, gdyż część pierwotnego uzwojenia transformatora stanowi wspólne obciążenie zarówno dla anody jak i siatki ekranowej. Współczynnik sprzężenia zależy tu oczywiście od położenia odczepu i osiąga maksymalną wartość w jednym ze skrajnych położeń odczepu, tj. wówczas gdy siatka ekranowa jest podłączona do anody (punkt A na rys.1). W tym przypadku lampa pracuje jako trioda, natomiast w drugim skrajnym położeniu odczepu (punkt C na rys.1) sprzężenie jest równe zeru i lampa pracuje jako pentoda. Wynika stąd, że pomiędzy tymi dwoma skrajnymi przypadkami praca lampy jest pośrednia pomiędzy pracą w układzie triodowym i pentodowym. Istotnie, zdjęte oscylograficzne charakterystyki IaUa lampy przy różnym współczynniku sprzężenia wykazują wyraźnie to przejście od warunków triody do pentody (rys.2).
Analiza pracy układu W celu określenia wzmocnienia omawianego stopnia przyjmujemy następujące oznaczenia:
Prąd anodowy wywołany przez przyłożenie zmiennego napięcia wejściowego us na siatkę sterującą lampy jest równy:
Składowa prądu anodowego wywołana działaniem napięcia x.Ua na siatkę ekranową wynosi:
Całkowite napięcie wyjściowe jest sumą napięć wywołanych przepływem składowym prądu i'a i i"a poprzez oporność obciążenia i wyraża się zależnością:
Stąd można określić wzmocnienie stopnia:
W skrajnych przypadkach, gdy x = 0 (lampa pracuje bez sprzężenia zwrotnego):
oraz gdy x = 1 (maksymalne sprzężenie zwrotne na siatkę ekranową, charakterystyka lampy jest analogiczna do charakterystyki triody):
Oporność wyjściowa lampy ze sprzężeniem zwrotnym na siatkę ekranową jest równa:
gdzie k' jest współczynnikiem wzmocnienia w układzie ze sprzężeniem zwrotnym i wynosi:
w założeniu, że gdy:
Z wyprowadzonych wyżej zależności widać, że wzmocnienie stopnia UL jest tym mniejsze im większe jest x, to znaczy im większe jest sprzężenie zwrotne na siatkę ekranową (im bardziej odczep pierwotnego uzwojenia transformatora wyjściowego jest przesunięty w kierunku anody). Podobnie ze wzrostem sprzężenia zwrotnego (to znaczy ze wzrostem x) maleje oporność wyjściowa wzmacniacza. Charakterystyka wzmacniacza UL Przy wyborze najkorzystniejszego stopnia sprzężenia zwrotnego (praktycznie - przy wyborze odczepu, z którego zasila się siatkę ekranową) bierze się pod uwagę moc wyjściową wzmacniacza oraz zniekształcenia nieliniowe. Pełny obraz zachowania się wzmacniacza w układzie UL dają przedstawione na rys.3 charakterystyki mocy wyjściowej i zawartości harmonicznych, wzmocnienia oraz oporności wyjściowej lampy w funkcji sprzężenia zwrotnego.
Przedstawione tu zależności odnoszą się do stopnia jednolampowego (asymetrycznego) i wykazują, że układ UL przy zastosowaniu pojedynczej tetrody (pentody) nie daje w zasadzie korzyści w porównaniu z innymi układami stosującymi sprzężenie zwrotne np. na siatkę sterującą. Bowiem w układzie jednolampowym występuje na wyjściu wzmacniacza druga harmoniczna sygnału wejściowego, która w dużym stopniu wpływa na wielkość zniekształceń nieliniowych wzmacniacza. Całkiem inaczej natomiast przedstawia się charakterystyka zniekształceń nieliniowych w układzie przeciwsobnym, tzn. w symetrycznym układzie UL, pokazana na rys.4.
Dzięki wyeliminowaniu w tym układzie drugiej harmonicznej (układ przeciwsobny) oraz dzięki właściwości ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza UL zniekształcenia nieliniowe są ograniczone do małej wartości. Charakterystyki przedstawione na rys.4 zostały sporządzone przy doborze warunków pracy układu zapewniających: a) maksymalną moc wyjściową, b) minimalne zniekształcenia nieliniowe. Jak wynika z ich przebiegu - istnieje w obu przypadkach taki punkt odczepu (wyrażony na osi odciętych jako procent całkowitego uzwojenia pierwotnego), któremu odpowiada minimum zniekształceń. Zupełnie wyraźnie minimum występuje na charakterystyce (a), to znaczy przy zachowaniu maksymalnej mocy. Odpowiada ono odczepowi siatki ekranowej na około 15% uzwojenia pierwotnego (ściśle biorąc jednej połówki całkowitego pierwotnego uzwojenia transformatora wyjściowego). W drugim przypadku (b) jest ono bardzo niewyraźnie zaznaczone w okolicy 20%. Zalety układu UL Na podstawie wszechstronnie przeprowadzonych pomiarów i badań1), w wyniku których powstały charakterystyki z rys.4, można w pełni ocenić właściwości układu UL, a zwłaszcza zdać sobie sprawę z jego zalet w stosunku konwencjonalnych układów triodowych lub pentodowych (tetrodowych). Istotną mianowicie zaletą tego układu jest to, że umożliwia on osiągnięcie małych zniekształceń nieliniowych właściwym układom triodowym przy stosunkowo dużej sprawności zbliżonej do tej, którą się uzyskuje w układzie pentodowym. Dzięki temu układ UL pozwala na zastosowanie mniejszych lamp wyjściowych i tańszego układu zasilania przy określonej mocy wyjściowej i określonych zniekształceniach - niż to byłoby konieczne w przypadku zastosowania triod. Ponadto charakterystyki wzmocnienia przedstawione na rys.5 wykazują dobitnie wyższość układu UL nad tetrodowym (pentodowym) w zakresie liniowości wzmocnienia i zniekształceń.
Dosyć znaczne odchylenia od liniowości wzmocnienia w zwykłym układzie tetrodowym powodują, że przy zastosowaniu konwencjonalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, głębokość tego sprzężenia będzie się zmniejszać przy osiąganiu mocy wyjściowych zbliżonych do maksymalnej, a więc właśnie wtedy, gdy duże sprzężenie zwrotne jest jak najbardziej pożądane. Stwierdzenie tego faktu stanowi jednocześnie replikę na uzasadnianie, jakoby w zwykłym układzie wzmacniacza z pentodowym stopniem końcowym i przy zastosowaniu ogólnego ujemnego sprzężenia zwrotnego (oczywiście przy założeniu spełnienia odpowiedniego kryterium stabilności wzmacniacza) można osiągnąć te same rezultaty, co za pomocą układu UL. W końcu należy podkreślić, że podwyższając odpowiednio napięcie anodowe w układzie UL można osiągnąć niemal taką samą moc wyjściową, co i przy zastosowaniu zwykłego układu pentodowego, uzyskując oczywiście znacznie mniejsze zniekształcenia. Wyżej podane wyniki pomiarów i prób przeprowadzonych ze wzmacniaczem w układzie UL wykazały, że jakkolwiek jego mechanizm działania jest na ogół zgodny z wynikami analizy układów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, to jednak w stosunku do nich cechuje go pewna odmienność, której interpretacja stała się przedmiotem fachowej dyskusji. W odróżnieniu bowiem od układów wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym, np. na siatkę sterującą, charakterystyki zniekształceń układu UL ujawniają wklęsłość określającą minimum zniekształceń przy pewnym położeniu odczepu pierwotnego uzwojenia transformatora wyjściowego. Stosunek podziału uzwojenia pierwotnego odpowiadający minimalnym zniekształceniom nie jest przy tym jednakowy dla różnych lamp, jednak waha się on na ogół dookoła wartości 20%. Jako jedną z najbardziej przekonywujących interpretacji tego zjawiska uznano hipotezę, według której na wklęsły przebieg charakterystyki zniekształceń układu UL ma wpływ proces mieszania zachodzący w przypadku stosowania sprzężenia zwrotnego do innej elektrody lampy poza siatką sterującą. Potwierdzeniem - w pewnej mierze - słuszności tej hipotezy jest znane skądinąd zjawisko eliminacji dowolnej harmonicznej (w przypadku układu UL trzeciej harmonicznej) dzięki odpowiedniemu dobraniu sprzężenia zwrotnego. Jak dotąd - słuszności tej hipotezy nie potwierdzono praktycznie na drodze pomiarów z uwagi na brak dostatecznie dokładnej aparatury pomiarowej, nieodzownej przy badaniu składowych o bardzo małych amplitudach. Transformator wyjściowy wzmacniacza UL Szczególnej uwagi przy budowie wzmacniaczy UL wymaga konstrukcja transformatora wyjściowego. Wskutek podziału uzwojenia pierwotnego i stosowania sprzężenia zwrotnego istnieją duże możliwości powstania pasożytniczych drgań własnych w układzie. Dotyczy to zwłaszcza wyższych częstotliwości przepuszczanego pasma, przy których wyraźnie zaznacza się wpływ indukcyjności rozproszenia poszczególnych części uzwojenia transformatora. Indukcyjności te w połączeniu z pojemnościami własnymi uzwojeń, z pojemnościami lamp oraz montażowymi mogą stworzyć dogodne warunki występowania oscylacji. Na ogół w układach UL istnieją dwa zasadnicze możliwe rodzaje oscylacji: oscylacje wskutek sprzężenia skrośnego pomiędzy lampami końcowego stopnia przeciwsobnego oraz oscylacje mniej lub więcej niezależne w układzie jednej z połówek tego stopnia. Mechanizm działania pierwszego rodzaju oscylacji jest podobny do zasady działania układów multiwibratorowych, przy czym źródłem powstawania drgań jest tu występowanie sprzężenia pomiędzy siatką ekranową jednej lampy a anodą drugiej oraz pomiędzy siatką ekranową drugiej a anodą pierwszej lampy przy silnie zaznaczonym wpływie indukcyjności rozproszenia uzwojenia transformatora. Drugi rodzaj oscylacji, zachodzący w obrębie jednej z połówek układu przeciwsobnego występuje wówczas, gdy stosunek podziału pojemności własnych układu w połączeniu z indukcyjnością rozproszenia uzwojenia oraz w warunkach małego tłumienia obwodu stwarza możliwości powstania układu drgań Colpitts'a, tak jak to pokazano w schemacie zastępczym na rys.6.
Ażeby zapobiec możliwości wzbudzenia wyżej wymienionych rodzajów drgań w układzie UL, należy spełnić pewne wymagania dotyczące w pierwszym rzędzie konstrukcji transformatora wyjściowego. Po pierwsze: sprzężenie pomiędzy siatką ekranową i anodą tej samej lampy musi być większe od sprzężenia z anodą drugiej pampy i sprzężenia z obciążeniem. Po drugie: należy sprowadzić do minimum sprzężenie pojemnościowe między siatkami ekranowymi a anodami przeciwległych lamp. Po trzecie: indukcyjności rozproszenia uzwojeń anoda (1) - siatka ekranowa (1) oraz anoda (2) - siatka ekranowa (2), jak również pojemności między siatkami ekranowymi i masą powinny być jak najmniejsze. Spełnienie tych wymagań sprowadza się w głównej mierze do specjalnego podziału i wzajemnego rozmieszczenia pierwotnego oraz wtórnego uzwojenia transformatora wyjściowego. Jako przykład rozmieszczenia uzwojeń spełniającego wyżej wymieniowe wymagania może służyć uproszczony schemat przedstawiony na rys.72).
Należy tu jeszcze podkreślić, że transformatory wyjściowe układów UL posiadają na ogół mniejsze wymiary od transformatorów przeznaczonych do konwencjonalnych analogicznych wzmacniaczy tetrodowych lub triodowych. _________________________ 2) Dane te zaczerpnięto z Wireless World 1/1956 Wykaz literatury D.T.N. Wiliamson, P.J.Walker: Amplifiers and Superlatives, Wireless World 9/1952; Tetrodes with Screen Feedback, Wireless World 1/1956. P.M. Leakey, R.B.Gilson: UL Output Transformers, Wireless World 1/1956. D. Hafler, H.J.Koroes: Ultra-Linear Amplifier, Audio Engineering, 11/1955. F. Langford-Smith, A.R. Chesterman: Ultra-Linear Amplifiers, Radiotronics 5, 6, 7/1955. |
|
© 2000-2002 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl |
;
