|
M.R., "Linearyzacja stopnia końcowego
wzmacniacza m.cz." |
|
Spośród wskaźników charakteryzujących dobroć wzmacniacza małej częstotliwości za najważniejszy uważamy współczynnik zawartości harmonicznych. Określa on wielkość skutecznej wartości napięcia (lub prądu) wyjściowego, jakie wywołują tworzone przez wzmacniacz wyższe harmoniczne o częstotliwościach 2f, 3f, 4f..., w stosunku do skutecznej wartości napięcia (lub prądu) o częstotliwości podstawowej f, w przypadku gdy na wejściu wzmacniacza działa napięcie sinusoidalne, a więc wolne od wszelkiego rodzaju harmonicznych, o częstotliwości f. Współczynnik zawartości harmonicznych jest miarą zniekształceń nieliniowych wzmacniaczy. Jaka powinna być dopuszczalna wielkość współczynnika zawartości harmonicznych, aby można było uznać wzmacniacz za bardzo dobry, czyli praktycznie za idealny? Zdania na ten temat są podzielone. Jednym z dotychczasowych warunków technicznych na urządzenia wzmacniające stosowane w radiofonii (a więc urządzenia najwyższej jakości) było wymaganie, aby zniekształcenia nieliniowe całego toru wzmacniającego, począwszy od wejścia wzmacniacza mikrofonowego aż do wyjścia wzmacniacza pracującego na linię modulacyjną łączącą rozgłośnie z radiostacją nie przekraczały 1,5%. Dla urządzeń radiostacji natomiast dopuszczalny był przy 100% głębokości modulacji współczynnik zniekształceń nieliniowych równy 4,5%. W miarę udoskonalania sprzętu elektroakustycznego, a w szczególności głośników oraz wprowadzania systemu modulacji częstotliwości, wymagania w stosunku do jakości technicznej emitowanego programu radiowego stale wzrastają. Okazało się, że zawartość harmonicznych rzędu 4,5% powoduje już odróżniane przez ucho zniekształcenia audycji, zwłaszcza gdy równocześnie przekazuje się kilka tonów o różnych częstotliwościach. Na skutek nieliniowości charakterystyki dynamicznej wzmacniacza powstają (oprócz tonów harmonicznych) jeszcze tony intermodulacyjne, czyli tony kombinowane, które nie będąc zasadniczo w żadnej harmonii z tonami podstawowymi wywołują przykre dla ucha wrażenie "chrypienia" wzmacniacza. Oczywiście wielkość "chrypienia" zależy od rodzaju przekazywanej audycji oraz od współczynnika zawartości harmonicznych wzmacniacza. Ta zależność "chrypienia" od rodzaju przekazywanego przez wzmacniacz zespołu tonów, stworzyła potrzebę wprowadzenia w radiofonii nowego pojęcia "radiofoniczności" głosów. Pojęcie to traci jednak stopniowo na znaczeniu w miarę, jak zwiększa się dobroć urządzeń elektroakustycznych. Zniknie ono zupełnie, skoro tylko reprodukowane dźwięki będą wytwarzane z taką wiernością, że nie będzie ich można odróżnić od dźwięków oryginalnych. W związku z tym powstaje pytanie: jaki powinien być najmniejszy współczynnik zawartości harmonicznych wzmacniacza przeznaczonego do możliwie wiernej reprodukcji dźwięków? Williamson proponował w roku 1944, aby przyjąć wartość współczynnika zawartości harmonicznych równą 0,1% dla urządzeń elektroakustycznych bardzo wysokiej jakości. Doświadczenia wykazały, że przy tej wartości współczynnika "chrypienia" - zniekształcenia nieliniowe, a więc zniekształcenia spowodowane harmonicznymi, jak i tonami intermodulacyjnymi, są niesłyszalne, nawet przy zastosowaniu wymyślnych "testów" do wykrywania tego rodzaju zniekształceń metodami słuchowymi. Przy obecnej technice wzmacniakowej, osiągnięcie tak małych zniekształceń nieliniowych jest w zasadzie możliwe dzięki zastosowaniu układów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Nowobudowane stacje radiofoniczne z modulacją amplitudy wytwarzają zniekształcenia nieliniowe mniejsze od 1% przy 100% głębokości modulacji, a urządzenia nadawcze, pracujące z modulacją częstotliwości, z reguły pozwalają osiągnąć współczynnik zawartości harmonicznych mniejszy od 0,5%. Budowa wzmacniaczy głośnikowych w współczynniku zawartości harmonicznych 0,1% jest rzeczą zupełnie realną. Można mieć jedynie wątpliwości co do celowości budowy tak dobrych wzmacniaczy, skoro jakość dotychczas produkowanych głośników nie pozwala na ich pełne wykorzystanie. Jednak nie tylko współczynnik zawartości harmonicznych decyduje o dobroci wzmacniacza. Niemniej ważnym czynnikiem dobroci wzmacniacza jest jego charakterystyka częstotliwości, czyli charakterystyka przenoszenia. Dotychczas uważano za bardzo dobry wzmacniacz taki, który wzmacniał jednakowo wszystkie tony w paśmie częstotliwości od 30Hz do 10000Hz. Obecnie żąda się od wzmacniacza przeznaczonego do wiernego przenoszenia muzyki i mowy, aby wzmacniał jednakowo dobrze tony w zakresie częstotliwości od 10Hz do 20000Hz. Jest to zakres częstotliwości przekraczający znacznie pasmo częstotliwości akustycznych. Tak szerokie pasmo przenoszenia wzmacniacza uwarunkowane jest żądaniem, aby wzmacniacz przenosił wiernie nie tylko przebiegi elektryczne w stanie ustalonym, lecz również w stanie nieustalonym. Charakter tonów wytwarzanych przez różne instrumenty muzyczne w dużym stopniu jest zależny od przebiegów akustycznych, jakie towarzyszą powstawaniu i zanikowi tonu. Przebiegi te nazywamy przebiegami przejściowymi. Odróżniają one tony o tej samej wysokości i o tej samej barwie, wytwarzane przez różne instrumenty. Dzięki tym przebiegom przejściowym możemy łatwo odróżnić dźwięki fortepianu od dźwięków np. gitary. Wierne przekazywanie przebiegów przejściowych (są to przebiegi przeważnie nieokresowe) wymaga od wzmacniacza szerokiego pasma przenoszenia. Oprócz idealnej charakterystyki częstotliwości wzmacniacz wysokiej jakości nie powinien wykazywać również zniekształceń fazowych. Chociaż przesunięcia fazy między poszczególnymi składowymi dźwięku złożonego w stanie ustalonym nie wywołują słyszalnych różnic w charakterze dźwięku, to jednak wpływają na przebiegi przejściowe, zmieniając ich charakter. Ażeby wzmacniacz nie wykazał wyraźnych zniekształceń fazowych w zakresie częstotliwości akustycznych, jego pasmo przenoszenia powinno być znacznie szersze od zakresu częstotliwości słyszalnych. Następnym czynnikiem dobroci wzmacniacza głośnikowego jest jego oporność wewnętrzna; powinna ona być możliwie mała, w każdym razie znacznie mniejsza od oporności układu głośnikowego, na który wzmacniacz pracuje. Drgania cewki głośnikowej razem z membraną i jej elastycznym zawieszeniem tworzą układ mechaniczny rezonansowy o określonych częstotliwościach drgań własnych. O ile tłumienie tego układu nie jest wystarczająco duże, układ wytwarza podczas pracy głośnika dodatkowe tony, tzw. tony tworzące albo "formanty", które w specyficzny sposób zabarwią audycje reprodukowane przez głośnik. Ze względu na istnienie tonów tworzących, których częstotliwości są różne dla różnych głośników, można słuchowo odróżnić poszczególne głośniki. Oczywiście głośniki idealne nie powinny wykazywać tych właściwości. Można jednak do pewnego stopnia zmniejszyć drgania własne głośnika, wprowadzając elektryczne tłumienie tych drgań przez zwarcie cewki drgającej głośnika małą opornością wewnętrzną wzmacniacza. Wynika stąd, że dobry wzmacniacz głośnikowy powinien mieć małą oporność wewnętrzną. Następną cechą dobrego wzmacniacza głośnikowego jest jego maksymalna moc, jaką może wytworzyć na zaciskach głośnika. Dla wiernej reprodukcji muzyki orkiestrowej, w średnim pokoju mieszkalnym jest niezbędna moc maksymalna wzmacniacza rzędu 15...20 watów, przy zastosowaniu głośnika elektrodynamicznego o normalnej sprawności 5...10%. Przy szczytach mocy akustycznej powinna istnieć jeszcze pewna rezerwa mocy wzmacniacza, aby nie dopuścić do przesterowań lamp, które powodują zatykanie wzmacniacza na skutek ładowania się kondensatorów siatkowych prądem siatek lamp. Poziom szumów wzmacniacza i przydźwięk sieci, według Williamsona dla bardzo dobrego wzmacniacza głośnikowego powinien być o 80dB niższy od maksymalnej mocy użytecznej wzmacniacza. Sprawność energetyczna wzmacniacza nie jest czynnikiem bezpośrednio decydującym o jakości wzmacniacza, jednak musi być wzięta pod uwagę przy projektowaniu wzmacniaczy akustycznych o większych mocach. Sprawność wzmacniacza zależy w głównej mierze od sprawności końcowego stopnia wzmacniacza. Wzmacniacze głośnikowe wysokiej jakości buduje się z reguły w klasie A, przy czym ze względu na lepszą liniowość charakterystyki i małą oporność wewnętrzną chętnie stosuje się w końcowym stopniu triody zamiast pentod. Dalszą poprawę liniowości i zmniejszenie oporności wewnętrznej uzyskuje się przez zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Zastosowanie w stopniu końcowym wzmacniacza głośnikowego układu przeciwsobnego z dwiema lampami zmniejsza współczynnik zawartości harmonicznych, wskutek kompensacji parzystych harmonicznych wzmacniacza. Tak więc układ przeciwsobny w klasie A, pracujący na triodach w końcowym stopniu wzmacniacza , uchodził do niedawna za standardowy układ wyjściowy wzmacniacza głośnikowego wysokiej jakości. Jako lampy końcowe w tego rodzaju wzmacniaczach głośnikowych chętnie stosowane były triody głośnikowe typu AD1 (moc admisyjna 15W), ze względu na ich małą oporność wewnętrzną i dobrą liniowość charakterystyk statycznych. Jedyną wadą tych lamp była ich mała moc użyteczna wynikająca z małej sprawności (rzędu 20...25%), jaka cechuje triody. Maksymalna moc wyjściowa tego typu wzmacniaczy wynosi około 7 watów i oczywiście z uwagi na wzrastające wymagania stawiane wzmacniaczom głośnikowym wysokiej jakości była niewystarczająca. Zwiększenie mocy wyjściowej przez zastosowanie równolegle dwóch lamp w układzie przeciwsobnym, czyli razem czterech lamp w stopniu końcowym, komplikuje budowę wzmacniacza i powoduje niestabilną pracę stopnia końcowego, w przypadku różnic w charakterystykach pracujących lamp. Możliwe jest jednak prawie dwukrotne zwiększenie mocy wyjściowej przy zachowaniu tej samej mocy doprowadzonej do wzmacniacza, przez zastosowanie pentod zamiast triod. Takie rozwiązanie pogarsza jednak jakość wzmacniacza wskutek zwiększenia współczynnika zawartości harmonicznych i wzrostu oporności wewnętrznej wzmacniacza. Pentody pracujące w klasie A wytwarzają - jak wiadomo - nieparzyste harmoniczne, które w układzie przeciwsobnym sumują się. Usiłowania konstruktorów szły przeto w tym kierunku, aby stworzyć taki układ stopnia końcowego pracującego na pentodach, który by zachowując wysoką sprawność pentod wykazywał resztę właściwości podobnych do właściwości układu pracującego na triodach. Różnica między triodą a pentodą wynika wskutek obecności siatki osłonnej w lampie. Siatka osłonna powoduje bardzo zresztą pożądany wzrost współczynnika amplifikacji lampy, zwiększa jednak równocześnie jej oporność wewnętrzną, skąd inąd niepożądaną. Do zalet pentody zaliczyć można jej dużą sprawność, praktycznie dwukrotnie większą od sprawności triody. Trioda natomiast ma małą oporność wewnętrzną, ale równocześnie mały współczynnik amplifikacji i małą sprawność. Łącząc siatkę osłonną pentody z anodą możemy zawsze przekształcić pentodę w triodę, tracąc jednak cenną właściwość pentody, to jest jej dużą sprawność. O charakterze pracy lampy jako pentody lub triody decyduje zatem napięcie zmienne, jakie otrzymuje siatka osłonna lampy. Jeżeli siatka ta przyłączona jest do stałego potencjału, czyli jeżeli jej napięcie zmienne jest równe zeru, wówczas lampa pracuje jako pentoda. Jeżeli natomiast zmienne napięcie siatki osłonnej jest równe zmiennemu napięciu anody, wówczas pentoda przekształca się w triodę. Doprowadzając do siatki osłonnej tylko część napięcia anodowego możemy w dowolny sposób zmieniać parametry lampy, zbliżając je do parametrów triody przy zachowaniu jednak dużej sprawności lampy. Układ taki przedstawiony jest na rys.1.
W tym układzie siatka osłonna lampy przyłączona jest do zaczepu pierwotnego uzwojenia transformatora głośnikowego (punkt C). Napięcie zmienne, jakie otrzymuje siatka osłonna, zależy od stosunku zwojów między punktami A, B. Oznaczmy stosunek ten przez x: x = (ilość zwojów między B - C) / (ilość zwojów między A - B) Od wartości tego stosunku, czyli od x, zależą parametry lampy w tym układzie. Dla x = 0 układ lampowy odpowiada pentodzie, natomiast dla x = 1 układ pracuje jak trioda. Zwiększając stopniowo x od zera do 1 powodujemy zmianę parametrów lampy od wartości odpowiadających pentodzie do wartości parametrów, jakie ma lampa w układzie triody. Na rys.2 przedstawiona jest oporność wewnętrzna lampy (tetroda strumieniowa 6L6) i maksymalna moc wyjściowa w zależności od wartości x.
Jak widać, dla wartości x = 0,2 moc wyjściowa lampy jest prawie taka sama jak w układzie pentody, natomiast oporność wewnętrzna lampy zmniejszyła się znacznie i wynosi około 5000 omów, podczas gdy dla x = 0 oporność wewnętrzna lampy jest większa od 30 kiloomów. Rys.3 przedstawia współczynnik zawartości harmonicznych dla różnych mocy wyjściowych w zależności od x w układzie wyjściowym z jedną tylko lampą. Dla mocy wyjściowej 5W, zniekształcenia przy x = 0,2 są rzędu 4%. Dla x > 0,25 lampa nie jest w stanie oddać 5 W mocy.
Na rys.4 przedstawione są zniekształcenia układu przeciwsobnego dwóch lamp w zależności od x. Ze względu na kompensację drugiej harmonicznej, która dominuje w układzie jednolampowym, poziom zniekształceń sumarycznych jest mniejszy i przy mocy wyjściowej 12 W osiąga minimalną wartość rzędu 1,4% dla x = 0,2.
Wynika stąd, że najkorzystniejszy stosunek liczby zwojów odczepu transformatorowego do całkowitej liczby zwojów pierwotnego uzwojenia jest równy x = 0,2. Przy tak dobranym odczepie lampa zachowuje sprawność prawie równą sprawności pentody (około 40%) ma jednak znacznie zredukowaną oporność wewnętrzną i zredukowane zniekształcenia nieliniowe. Nastąpiła znaczna linearyzacja charakterystyki dynamicznej lampy. W tych warunkach pracy oporność wewnętrzna lampy jest rzędu optymalnej oporności obciążenia lampy. Dalszą redukcję oporności wewnętrznej układu, jak również redukcję zniekształceń nieliniowych poniżej 1% można uzyskać przez zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego. [część 2] |
|
© 2000-2002 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl |
