M.R., "Linearyzacja stopnia końcowego wzmacniacza m.cz."
Radioamator 10/1955 (część 2)

Wzmacniacz głośnikowy z tego rodzaju układem końcowym został opisany przez Haflera i Keroes'a w numerze listopadowym "Audio Engineering" z 1951 r. Schemat wzmacniacza przedstawiony jest na rys.5. Autorzy nazwali go "Ultra-linear Amplifier", czyli wzmacniacz ultra - liniowy  (z uwagi na wykazane małe zniekształcenia nieliniowe). 

Rys.5

Wzmacniacz ten zdolny jest wydzielić moc 24 watów na oporności między anodami lamp końcowych 6600 omów. Przy 20 watach mocy wyjściowej zniekształcenia wynoszą zaledwie 1,5%. Napięcie wejściowe potrzebne do wysterowania wynosi 0,7 wolta. Charakterystyka częstotliwości całego wzmacniacza jest prosta w zakresie od 20 do 20000 Hz, ze spadkiem 1 dB na krańcach przenoszonego zakresu, a jakość zależy w głównej mierze od dobroci transformatora wyjściowego, który powinien mieć charakterystykę przenoszenia znacznie szerszą od pasma akustycznego. Przez specjalny sposób uzwojenia udało się wykonać transformator przenoszący zakres częstotliwości od 10 do 100000 Hz. Rezonans szeregowy rozproszenia transformatora występuje dopiero w zakresie między 100000 Hz a 200000 Hz. Cały wzmacniacz objęty jest ujemnym sprzężeniem zwrotnym napięciowym. Część napięcia z wtórnego uzwojenia transformatora doprowadzona jest do katody pierwszej lampy.. Druga połowa pierwszej lampy pracuje jako odwracacz fazy, przy czym siatka tej lampy otrzymuje napięcie z dzielnika napięć (oporniki 0,47M i 0,56M), włączonego między obie anody pierwszego stopnia wzmocnienia pracującego w układzie przeciwsobnym. Tego rodzaju układ wyrównuje automatycznie wszelką asymetrię napięć, jaka może powstać przy nierównych stopniach wzmocnienia obu pierwszych lamp układu.

Wzmacniacze "Ultra-linear" zostały szeroko rozreklamowane w USA i opisywane w różnych czasopismach technicznych. Czy istotnie zasługują one na same tylko superlatywy? Niewątpliwie, zastosowanie pentod w stopniu końcowym wzmacniacza w układzie z odgałęzieniem uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego na siatki osłonne lamp - jest pewnym ulepszeniem w stosunku do zwykłego układu pracującego na pentodach, zmienia bowiem w sposób korzystny parametry pentod, nie zmieniając praktycznie maks. mocy wyjściowej układu, jednak nie przewyższa układu o tej samej mocy wyjściowej, pracującego na triodach.

Ze względu na zniekształcenia nieliniowe układ ten zachowuje się pośrednio między układem pracującym na "czystych" pentodach, a układem pracującym na triodach. Przy pełnym wysterowaniu lampy aż do punktu, w którym pokazuje się prąd siatkowy, zniekształcenia nieliniowe układu "z odczepem transformatora' są 1,5 razy większe od zniekształceń, jakie powoduje ta sama lampa w układzie triody, również dla tego punktu wysterowania, natomiast są mniejsze od zniekształceń pentody. Z tego punktu widzenia specjalnych korzyści układ ten nie przynosi.

Chcąc uzyskać dobrą jakość wzmacniacza przy zastosowaniu powyższego układu trzeba dodatkowo zastosować napięciowe ujemne sprzężenie zwrotne, podobnie jak przy każdym innym dobrym wzmacniaczu. Williamson w artykule "Amplifiers and superlatives" w numerze wrześniowym "Wireless World" 1952, krytycznie rozpatruje wyżej opisany układ i przeciwstawia mu jako lepszy układ pokazany na rys.6, który zachowując te same właściwości co układ poprzednio opisany, ma dodatkowo ujemne sprzężenie zwrotne w obwodzie siatki sterującej.

Rys.6

Jak widać na rys.6 pierwotne uzwojenie transformatora wyjściowego podzielone jest na dwie oddzielne części. Jedna z nich włączona jest w obwód anodowy lampy, natomiast druga - w obwód katody. Prąd anodowy lampy płynie zgodnie przez oba uzwojenia, wydzielając na całym uzwojeniu zmienną moc anodową. Jeżeli przez U_a oznaczymy napięcie anodowe zmienne, występujące na skrajnych zaciskach pierwotnego uzwojenia A - B, wówczas część napięcia, mianowicie x^.U_a działa miedzy katodą a siatką osłonną, która ma potencjał stały. Napięcie to jest przesunięte w fazie o 180^o względem napięcia anodowego, jest więc ujemnym napięciem zwrotnym. Układ ten ma podwójne sprzężenie zwrotne, mianowicie na siatkę osłonną i na siatkę sterującą. Ponieważ czułość siatki sterującej jest znacznie większa od czułości siatki osłonnej działającej jako siatka czynna, wobec tego działanie napięcia zwrotnego x^.U_a w obwodzie siatki czynnej przeważa. Przy tej samej wartości x układ z rys.6 daje znacznie większą zmianę parametrów lampy niż układ z rys.4, przy czym ma jeszcze tę zaletę, ze siatce osłonnej lampy można dać dowolny potencjał dodatni niezależnie od napięcia anodowego, co jest niemożliwe w układzie poprzednim (rys.4), w którym siatka osłonna otrzymuje ten sam potencjał stały co anoda lampy. Niekiedy jednak dla uzyskania maksymalnej mocy z lampy siatka osłonna wymaga wyższego potencjału dodatniego niż anoda lampy.

Układ przedstawiony na rys.6 został praktycznie zastosowany przy budowie wzmacniaczy akustycznych wysokiej jakości przez firmę Acoustical Manufacturing Company "Q.U.A.D." Pozwala on uzyskać znacznie lepsze wyniki niż układ z rys.4, mimo że różnice konstrukcyjne między oboma układami są minimalne. Zmieniając stosunek liczby zwojów katodowych do całkowitej liczby zwojów uzwojenia pierwotnego transformatora możemy dowolnie zmniejszać oporność wewnętrzną lampy, dochodząc do wartości 1/S. Układ dla wartości x = 1 przechodzi w układ wtórnika katodowego. Wprowadzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego do obwodu siatki sterującej nie tylko znacznie obniża oporność wewnętrzną lampy, ale przede wszystkim zmniejsza współczynnik zawartości harmonicznych. Według danych fabrycznych - przy doborze stosunku uzwojeń x takim, że wysterowanie lamp wymaga napięcia siatkowego (szczytowego) równego 36V, przy napięciu zasilającym anodowym 320V osiąga się zniekształcenia nieliniowe rzędu 0,7% przy pełnym wysterowaniu lamp. W tych warunkach oporność wewnętrzna lampy jest o połowę mniejsza od oporności obciążenia lampy R_a. Przez zastosowanie dodatkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego, obejmującego dwa lub trzy stopnie wzmocnienia, można w dalszym ciągu zmniejszyć zniekształcenia nieliniowe wzmacniacza.

Wydaje się, że optymalna wartość x leży w granicach od 0,1 do 0,2. Wartości x = 0,2 nie należy przekraczać; obniża się wówczas zbytnio współczynnik wzmocnienia napięciowego układu, co pociąga za sobą konieczność sterowania lamp końcowych zbyt dużymi napięciami. Stwarza to niebezpieczeństwo przesterowania poprzedniego stopnia wzmocnienia i zwiększenie zniekształceń nieliniowych.

Tabela zawiera dane porównawcze, dotyczące pracy lampy w różnych układach.

Tabela

Pierwsza rubryka odpowiada lampie pracującej jako trioda w klasie A. (anoda lampy połączona jest z siatką osłonną), druga - lampie pracującej jako normalna pentoda. Trzecia rubryka: lampa w układzie z odgałęzionym uzwojeniem transformatora przy x = 0,2. Ostatnia rubryka: układ Q.U.A.D. jak na rys.6.

W pierwszym wierszu tabeli podana jest sprawność lampy. Jak widać sprawność triody jest mała (27%), natomiast pentody - największa (38%). W układach linearyzowanych sprawność jest niewiele mniejsza od sprawności pentody.

W trzecim wierszu podane są zniekształcenia nieliniowe lampy w odniesieniu do triody. Jak widać zniekształcenia pentody przy mocy wyjściowej 1,4-krotnie większej od mocy triody są dwukrotnie większe od zniekształceń triody.

Pentoda "z odgałęzieniem" daje zniekształcenia 1,5 razy większe od zniekształceń triody. Najkorzystniejszy pod tym względem jest układ Q.U.A.D., dający zniekształcenia 0,5, czyli o połowę mniejsze od zniekształceń triody.

Ostatni wiersz podaje stosunek oporności obciążenia lampy do oporności wewnętrznej lampy w danych warunkach pracy. Pentoda i układ "z odczepem" mają mniej korzystny stosunek obu oporności do siebie niż trioda i układ Q.U.A.D. Wynika stąd, że układ Q.U.A.D. jest pod każdym względem korzystniejszy niż układ ze sterowaną siatką osłonną, mimo, że nie jest bardziej skomplikowany od poprzedniego.

Przy budowie wzmacniacza opartego na tym układzie - szczególną uwagę należy zwrócić na dobroć transformatora wyjściowego, który musi mieć szeroki zakres przenoszenia przy małym rozproszeniu i dużym stopniu sprzężenia między uzwojeniem pierwotnym a wtórnym.

I to by było na tyle jeśli chodzi o uwagi praktyczne na temat linearyzacji stopnia końcowego wzmacniacza mocy małej częstotliwości. W końcowej części artykułu Autor podaje wyprowadzenia wzorów opisujących działanie omawianych układów. Podajemy je dla najbardziej dociekliwych pasjonatów lamp.

[część 1]

WYPROWADZENIE WZORÓW

Układ z odczepem transformatora na siatkę osłonną

Oznaczmy współczynnik amplifikacji lampy w układzie pentody przez:

oraz oporność wewnętrzną pentody przez R_i.

Współczynnik amplifikacji pentody w odniesieniu do siatki osłonnej, pracującej jako siatka czynna, niech będzie:

Stosunek obu współczynników amplifikacji jest w przybliżeniu równy współczynnikowi amplifikacji lampy pracującej w układzie triody. Oznaczmy ten współczynnik przez:

       (1)

Jeżeli U_a jest napięciem występującym na zaciskach oporności obciążenia R_a, wówczas między ekranem lampy a katodą działa napięcie:

       (2)

W obwodzie anodowym lampy działają dwie siły elektromotoryczne: pierwsza µ^.U_s pochodząca z działania napięcia siatki sterującej i druga - µ_e^.x^.U_a pochodząca z działania sterującego siatki osłonnej.

Pod wpływem obu tych sił elektromotorycznych powstaje w obwodzie anodowym lampy prąd zmienny:

       (3)

Prąd ten wywołuje na zaciskach oporności anodowej R_a napięcie:

     (4)

Po przekształceniu otrzymamy:

      (5)

Stąd:

      (6)

Współczynnik wzmocnienia napięciowego układu k' otrzymamy, dzieląc U_a przez U_s:

      (7)

albo:

       (8)

Dla R_a dążącego do nieskończoności otrzymujemy współczynnik amplifikacji lampy w układzie z odczepem transformatora:

      (9)

Dla x = 0, a więc w układzie pentody współczynnik amplifikacji lampy µ' jest równy współczynnikowi amplifikacji pentody: µ. Podstawiając bowiem we wzorze (9) x = 0 otrzymujemy:

µ' = µ

Gdy natomiast x = 1 (układ triody), wówczas ze wzoru (9) wynika:

Ponieważ:

możemy w przybliżeniu przyjąć:

µ' = µ₃

Widzimy, że zmieniając x stopniowo od zera do 1, zmniejszamy równocześnie współczynnik amplifikacji lampy od wartości µ (dla pentody) do wartości µ₃ (dla triody).

Oporność wewnętrzną lampy w układzie "z odczepem" otrzymamy, wychodząc z zależności:

gdzie S jest nachyleniem charakterystyki statycznej lampy. Ze wzoru (9) otrzymujemy:

      (10)

Dla x = 0 lampa ma oporność wewnętrzną równą oporności pentody, a więc bardzo dużą. W miarę wzrostu x - oporność wewnętrzna maleje i osiąga wartość graniczną (dla x = 1) równą:

      (11)

a więc równą oporności w układzie triody.

Układ Q.U.A.D.

Wzmocnienie napięciowe lampy w tym układzie można łatwo obliczyć, stosując znany wzór na wzmocnienie układu ze sprzężeniem zwrotnym napięciowym:

      (12)

gdzie k' jest wzmocnieniem układu bez zastosowania sprzężenie zwrotnego siatkowego.

Po przeliczeniu otrzymujemy:

      (13)

Współczynnik amplifikacji w tym układzie otrzymamy, podstawiając jako R_a nieskończoność:

      (14)

Jak widać z ostatniego wzoru działanie sprzężenia zwrotnego w obwodzie siatki sterującej przeważa nad działaniem sprzężenia zwrotnego na siatkę osłonną. Wzór (14) jest identyczny ze wzorem na współczynnik amplifikacji lampy dla czystego sprzężenia zwrotnego na siatkę sterującą.

Oporność wewnętrzną lampy w układzie Q.U.A.D. obliczamy ze wzoru:

      (15)

Porównując wzór (15) ze wzorem (10) widzimy, że oporność wewnętrzna w układzie Q.U.A.D. znacznie szybciej maleje ze wzrostem x, niż w układzie poprzednim. Dla szybkiego obliczenia wielkości oporności wewnętrznej R"_i - możemy posługiwać się wzorem orientacyjnym:

      (16)

Wyżej wyprowadzone wzory 9, 10, 14, 15 pozwalają w każdym przypadku wyznaczyć nowe parametry lampy, gdy znane jest x.

[część 1]

[informacje praktyczne]

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