K.W., "Wzmacniacz lampowy"
Radioamator i Krótkofalowiec 1/1965

     Nieco informacji o konstrukcji i zasadzie działania lampy elektronowej podano w numerze 9/1964. Z kolei kilka ogólnych uwag o wzmacniaczach lampowych, tj. układach umożliwiających wzmacnianie różnych przebiegów elektrycznych. Układy takie są oczywiście wykonane w oparciu o lampę elektronową.
     Dzięki zastosowaniu lampy elektronowej możemy zestawiać różne układy wzmacniające. Można je podzielić na dwa zasadnicze rodzaje:
  • wzmacniacze napięciowe,
  • wzmacniacze mocy.

     Obydwa rodzaje wzmacniaczy pracują podobnie: do "wejścia" wzmacniacza doprowadzony zostaje pewien sygnał, który następnie - po odpowiednim wzmocnieniu - pojawia się na "wyjściu" układu. Zasadnicza różnica pomiędzy dwoma wymienionymi typami wzmacniaczy polega na tym, że wzmacniacz napięciowy ma za zadanie dostarczyć jedynie odpowiednio wysokich napięć o częstotliwościach akustycznych lub - wielkiej częstotliwości (np. do sterowania dalszych stopni układu), natomiast wzmacniacz mocy - jak sama nazwa wskazuje - dostarcza takich napięć wzmocnionych i posiadających pewną moc, która może być wykorzystywana do odpowiednich celów (np. do zasilania głośnika).
     Inny zasadniczy podział wzmacniaczy można przeprowadzić rozpatrując ich zastosowanie. I tak, dwoma zasadniczymi typami wzmacniaczy są:

  • wzmacniacz małej częstotliwości (zwany często "akustycznym"; popularną postacią takiego układu jest, np. wzmacniacz współpracujący z gramofonem elektrycznym,
  • wzmacniacz wielkiej ("radiowej") częstotliwości; wzmacniacze tego typu są stosowane, między innymi w układach odbiorników radiowych i telewizyjnych oraz w urządzeniach nadawczych ("nadajnikach"), transmitujących program radiowy lub telewizyjny.

     Dla orientacji w układzie pełnego wzmacniacza przedstawiono na rys.1 jeden ze schematów blokowych. Wzmacniacz ten składa się z trzech stopni wzmocnienia: dwa pierwsze (patrząc od lewej strony) to wzmacniacze napięciowe, ostatni stopień - jest stopniem mocy. Ponadto na schemacie widzimy źródło sygnału do wzmocnienia oraz odpowiednią oporność obciążenia, na której wydziela się moc sygnału dostarczana przez stopień końcowy wzmacniacza. W przypadku wzmacniacza m.cz. - źródłem sygnału może być, np. gramofon elektryczny, zaś opornością obciążenia jest oczywiście - głośnik. W przypadku wzmacniacza w.cz. - do jego wejścia doprowadzany jest również pewien sygnał sterujący (np. modulowany, wielkiej częstotliwości), zaś stopień mocy może być obciążony, np. anteną nadawczą. Antena promieniuje w przestrzeń fale z pewną mocą wielkiej częstotliwości, dostarczoną przez stopień końcowy wzmacniacza. Wzmacniaczem w.cz. nie będziemy się teraz bliżej zajmować, gdyż jest to zagadnienie przeznaczone dla nieco bardziej zaawansowanych radioamatorów, natomiast rozpatrzymy poszczególne stopnie wzmacniacza małej częstotliwości.


Rys.1. Schemat blokowy trzystopniowego wzmacniacza

     Na rys.2 widoczny jest uproszczony schemat ideowy jednostopniowego wzmacniacza napięciowego, zwanego popularnie "wzmacniaczem oporowym". Nazwa ta pochodzi od opornika włączonego w obwód anodowy lampy. Opornik ten nazywany jest często "opornikiem roboczym" wzmacniacza lub "opornikiem obciążenia". Schemat wzmacniacza jest - jak widać - bardzo prosty. Również proste jest jego działanie, dlatego też może ono być zrozumiane nawet przez początkujących radioamatorów.
     Siatka sterująca S1 lampy znajduje się pod pewnym, niewielkim potencjałem ujemnym (w stosunku do katody tej lampy), uzyskiwanym ze źródła napięcia, np. ze specjalnie w tym celu przyłączonej baterii, zwanej baterią siatkową Bs. Bateria ta swoim biegunem dodatnim jest przyłączona do "masy" układu (katody lampy), zaś biegunem ujemnym - do opornika siatkowego Rs. Opornik ten podaje ujemne tzw. "przednapięcie" na siatkę sterującą lampy. Ponieważ w obwodzie siatkowym prąd nie płynie, przeto na oporniku tym nie powstaje żaden spadek napięcia baterii; pełny potencjał ujemny istnieje na siatce sterującej lampy. W tej sytuacji przez obwód anodowy lampy płynie prąd, zwany prądem anodowym (patrz nr 9/64).


Rys.2. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza oporowego

     Przyjrzyjmy się teraz bliżej, co się dzieje w obwodzie anodowym lampy, a przede wszystkim, jakie napięcie istnieje na jej anodzie. Widzimy, że w szereg z opornikiem obciążenia (Ra) załączona jest bateria zasilająca obwód anodowy lampy. Posiada ona przykładowo napięcie 100V. Prąd anodowy płynie przez opornik obciążenia Ra układu i przestrzeń w bańce lampy pomiędzy anodą i katodą. Oczywiście na tym oporniku występuje pewien spadek napięcia. Załóżmy, że prąd płynący w obwodzie anodowym lampy ma wartość 1mA. Znając wartość oporności opornika obciążenia Ra, możemy obliczyć spadek napięcia występujący na tym oporniku, za pomocą wzoru podanego w numerze 12/64:

     Stąd już w prosty sposób można wyliczyć wartość napięcia pod jakim znajduje się anoda lampy:

     A więc w sytuacji przedstawionej na rys.2, gdy obwód wejściowy układ wzmacniającego nie otrzymuje żadnego sygnału (wzmacniacz znajduje się w "stanie spoczynku"), napięcie na anodzie lampy wynosi 50V. A co się będzie działo, gdy do wejścia wzmacniacza zostanie doprowadzony pewien sygnał o dowolnej częstotliwości, a więc pewne napięcie zmienne o wartości np. 2V? Potencjał siatki sterującej będzie się zmieniał w granicach ±1V wokół potencjału ustalonego przez baterię siatkową. Jak pamiętamy z wyjaśnień podanych w numerze 9/64, im większy ujemny potencjał panuje na siatce sterującej - tym mniejszy przez nią przepływa prąd. A więc, jeżeli w wyniku doprowadzonego sygnału - potencjał siatki sterującej zmniejszy się - tak, jak to przykładowo podano, o 1V, to jednocześnie zmniejszy się prąd anodowy Ia lampy, np. z 1mA do 0,5mA (wartości przykładowe). A co będzie wówczas z napięciem doprowadzonym do anody lampy? Można je łatwo obliczyć, ponieważ znamy wartość opornika roboczego.
     Obliczmy najpierw spadek napięcia na tym oporniku:

     Teraz już łatwo znajdziemy wartość napięcia doprowadzonego w tym momencie do anody lampy:

     A więc przy obniżonym o 1V napięciu siatkowym (wskutek oddziaływania sygnału zmiennego) napięcie na anodzie lampy wynosi 75V. Analogicznie możemy wyliczyć, że przy sterującym napięciu siatki wyższym o 1V, gdy wskutek przyłożonego sygnału zmiennego wzrośnie ono, prąd anodowy lampy również wzrośnie do wartości, np. 1,5mA. Spadek napięcia wówczas będzie:

zaś napięcie na anodzie lampy będzie równe:

     Ten prosty przykład liczbowy bardzo jasno przedstawia nam wzmacniające działanie układu. Widzimy, że doprowadzając do "wejścia" wzmacniacza napięcie zmienne o wartości, np. 2V (zmieniające się ±1V wokół pewnego ujemnego przednapięcia siatki) uzyskujemy na "wyjściu" układu napięcie zmienne o wartości 50V (zmieniające się ±25V wokół napięcia jakie istnieje na anodzie lampy w stanie spoczynku układu). Można stąd w prosty sposób wyliczyć, że wzmocnienie układu wówczas wynosi:

     Podkreślamy tu, że odnosi się to do wzmocnienia całego układu, tj. lampy elektronowej, połączonej odpowiednio z opornikiem roboczym i źródłem zasilania (oraz innymi elementami układu o znaczeniu pomocniczym). Wzmocnienie to dla danego określonego układu jest wartością stałą, a więc, np. sygnał 0,1V zostanie wówczas wzmocniony do wielkości 2,5V; sygnał 0,5V - do wielkości 12,5V itp.
     Jeżeli wzmocnienie uzyskiwane w jednym stopniu wzmacniającym jest za małe dla naszych potrzeb, można połączyć w szereg dwa stopnie wzmacniające. W tym celu wstępnie wzmocniony sygnał z wyjścia pierwszego wzmacniacza należy doprowadzić do wejścia drugiego wzmacniacza, w którym ulegnie on dalszemu wzmocnieniu. Łączne wzmocnienie obu stopni, gdy każdy z nich wzmacnia, np. 25 razy, wynosi 25 . 25 = 625.
     Na rys.3 przedstawiony jest taki układ dwustopniowego wzmacniacza ze wspólną baterią anodową. Sygnał z anody lampy pierwszego stopnia wzmocnienia jest doprowadzany do siatki sterującej lampy drugiego stopnia wzmocnienia poprzez kondensator Cs, który oddziela te dwa punkty układu o różnych potencjałach elektrycznych. Kondensator ten dla przebiegów zmiennych nie przedstawia, jak wiemy, zbyt dużej oporności, a "odcina" przepływ prądu stałego. Kondensator ten nazywamy popularnie "sprzęgającym".


Rys.3. Wzmacniacz dwustopniowy, zestawiony z dwóch stopni wzmacniacza oporowego

     Analogicznie jak wzmacniacz napięciowy działa również wzmacniacz mocy. Zasadnicza różnica pomiędzy nimi polega na tym, że w obwód anodowy wzmacniacza mocy jest najczęściej włączony transformator m.cz. sprzęgający lampę z opornością obciążenia, którą w tym przypadku jest cewka głośnika (rys. 4). W tej sytuacji w obwodzie anodowym lampy może płynąć dość znaczny prąd stały (przeciętnie 30÷50mA), zaś napięcie na anodzie lampy (w stanie spoczynku) jest praktycznie równe napięciu baterii anodowej (oporność omowa pierwotnego uzwojenia transformatora jest do pominięcia). W ten sposób możliwe jest dostarczenie do obwodu anodowego układu wzmacniającego dość znacznej mocy prądu stałego (z baterii) i w konsekwencji uzyskanie na oporności obciążenia silnego sygnału, zdolnego do wykonania pewnej pracy (np. poruszania membrany głośnika).


Rys.4. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza mocy

     Przedstawiona powyżej zasada pracy układów wzmacniających została podana z olbrzymimi uproszczeniami i w dużym skrócie. Powinno to jednak wystarczyć naszym początkującym radioamatorom do pobieżnego chociaż zrozumienia zasady pracy prostych wzmacniaczy, spotykanych w radiotechnice nieomal na każdym kroku. W rzeczywistości każdy stopień wzmacniający jest bardziej złożony, szczególnie w układach wielostopniowych i tzw. "sieciowych", tj. zasilanych z sieci oświetleniowej prądu zmiennego. W tym ostatnim przypadku, zamiast baterii anodowej (i akumulatora lub baterii żarzenia) stosuje się odpowiedni zasilacz sieciowy, zaś ujemne przednapięcie dla siatek sterujących - jest uzyskiwane innymi, bardziej złożonymi sposobami, niż przy zastosowaniu baterii siatkowej. Już obecnie jednak powinniśmy łatwo rozróżniać "wejście" i "wyjście" wzmacniacza (czy też poszczególnych stopni), oporność roboczą, kondensator sprzęgający itp.
     Samodzielne zestawienie układów wzmacniających nie jest w praktyce bynajmniej trudne, jednak tylko dla tych, którzy znają ich zasadę działania. Właśnie praktyczne zestawienie wzmacniacza m.cz. nadającego się do współpracy z gramofonem elektrycznym i odtwarzającego nagrania za pomocą głośnika będzie tematem jednego z naszych kolejnych artykułów.

K.W.

[informacje praktyczne]

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