wzmacniacz m.cz. w układzie przeciwsobnym

K.W., "Wzmacniacz m.cz. w układzie przeciwsobnym"
Radioamator i Krótkofalowiec 6/1965

Opisany już poprzednio układ 2-stopniowego wzmacniacza małej częstotliwości był jednym z najprostszych rozwiązań tego typu aparatury. W pewnych przypadkach tak prosty układ może jednak się okazać niewystarczający, szczególnie wówczas, gdy zależy nam na większej mocy wyjściowej wzmacniacza.
Jak wiemy, stopień głośnikowy z pojedynczą lampą typu EL84 przy pełnym wysterowaniu może dostarczyć mocy akustycznej do 5W (z lampą ECL82 - 2÷3W). Moc tego rzędu w zupełności wystarcza dla przeciętnego odbiornika radiowego czy telewizyjnego, jak również dla niewielkiego wzmacniacza, przeznaczonego np. do współpracy z gramofonem elektrycznym. Urządzenia takie mogą nagłośnić pomieszczenie mieszkalne o przeciętnej kubaturze około 50÷100m². Dla nagłośnienia większych pomieszczeń, lub też uruchomienia większej ilości głośników (tzw. lokalny radiowęzeł, np. szkolny) wymagane są większe moce wyjściowe, rzędu 10÷20W. Taką aparaturę wzmacniającą można zestawić z typowych lamp głośnikowych, stosując tzw. układ przeciwsobny (znany również pod nazwą zapożyczoną z jęz. angielskiego push-pull, co znaczy pchać-ciągnąć). Wyjaśnimy zasadę działania takiego układu.

Rys.1. Uproszczony schemat ideowy stopnia mocy w układzie przeciwsobnym

Na rys.1 przedstawiony jest uproszczony schemat ideowy stopnia mocy w układzie przeciwsobnym. Widzimy tam dwie lampy głośnikowe pracujące na odpowiedni wspólny transformator wyjściowy. Siatki sterujące obu lamp przedstawiają dwa niezależne od siebie wejścia: siatka S'₁-"masa" układu oraz siatka S''₁-"masa" układu. Do tych wejść powinny być doprowadzone sygnały sterujące stopień mocy w pewien specjalny sposób, nader charakterystyczny dla układu tego typu. Technicy mówią, że siatki lamp stopnia przeciwsobnego są sterowane napięciami przesuniętymi względem siebie w fazie o 180 stopni, a więc w przeciwnej fazie. Co oznacza to na pozór skomplikowane określenie?

Rys.2. Dwa jednakowe przebiegi napięciowe przesunięte względem siebie w fazie o 180^o (w przeciwnej fazie)

Na rys.2 przedstawiono graficznie dwa przebiegi napięciowe. Są one do siebie bardzo podobne: posiadają jednakową amplitudę A oraz ten sam okres drgań (czyli mówiąc obrazowo - ten sam "skok" krzywej). Nawet niezbyt bystry obserwator spostrzeże, że dolna krzywa jest po prostu lustrzanym odbiciem górnej krzywej. Istotnie, dolna krzywa przedstawia przebieg uzyskany przez "odwrócenie fazy" przebiegu górnego. Teraz określenie "w przeciwnej fazie" jest już chyba zrozumiałe. Pozostaje jeszcze do wyjaśnienia, w jaki sposób można uzyskać takie dwa identyczne, lecz przeciwnie skierowane przebiegi. Istnieje kilka metod ich uzyskiwania. Najprostsza - można powiedzieć "naturalna" - metoda wykorzystuje do tego celu odpowiedni transformator.
Pokazany na rys.3a transformator zawiera dwa identyczne, niezależne uzwojenia wtórne, nawinięte w tym samym kierunku. Jeżeli połączymy je szeregowo tak, jak na rys.3b, uzyskamy na wyjściu układu (między skrajnymi końcówkami uzwojeń, a ich "środkiem" połączonym z masą) dwa identyczne sygnały, lecz w przeciwnej fazie.

Rys.3. Uzyskiwanie napięć przesuniętych w fazie o 180^o za pomocą transformatora

Istnieją również inne metody uzyskiwania sygnałów przesuniętych w fazie o 180^o, np. za pomocą układów lampowych. Takie dwa sygnały doprowadzamy do wejścia stopnia mocy w układzie przeciwsobnym. Sygnały te niezależnie wzmacniane w lampie dolnej (na schemacie) i w górnej, automatycznie sumują się w odpowiednim transformatorze wyjściowym, zawierającym podobne dwa uzwojenia pierwotne, od strony anod lamp. Pełny obraz przebiegów napięciowych w układzie wzmacniacza przeciwsobnego uwidoczniono na rys.4.

Rys.4. Pełny obraz przebiegów napięciowych w układzie wzmacniacza przeciwsobnego

     To pobieżne omówienie pracy wzmacniacza w układzie przeciwsobnym powinno na razie wystarczyć. Bardziej szczegółowe na ten temat informacje można oczywiście znaleźć w każdym podręczniku radiotechniki. Warto jednak wyliczyć i choć krótko omówić zasadnicze cechy takiego układu w szczególności te, które mają dla nas praktyczne znaczenie.
     A więc przede wszystkim - moc wyjściowa. Jest ona przeszło dwukrotnie większa w porównaniu z mocą dostarczaną przez pojedynczą lampę. I tak, jeśli pojedyncza lampa typu EL84 może dostarczyć moc rzędu 5W, to z układu przeciwsobnego dwóch takich lamp możemy uzyskać moc akustyczną nawet 15÷17W. Drugą bezsprzeczną zaletą układu przeciwsobnego są lepsze parametry techniczne w porównaniu ze wzmacniaczem z jedną lampą. W układzie przeciwsobnym możemy uzyskać (przy pełnej mocy wyjściowej) mniejsze zniekształcenia nieliniowe, jak również szersze pasmo przenoszonych częstotliwości. W więc układ przeciwsobny jest jak najbardziej predystynowany do pracy w układach o wysokiej jakości. Trzecią z ważniejszych tu zalet jest znacznie mniejsza wrażliwość na pozostałe tętnienie wyprostowanego napięcia zasilającego, dzięki czemu wzmacniacz przeciwsobny może współpracować z zasilaczem o skromnie i tanio wykonanym filtrze sieciowym.
     Dla lepszego zrozumienia tego zjawiska spójrzmy jeszcze raz na rys.4. Strzałki biegnące od "plusa" napięcia anodowego U_a wskazują, że prądy z zasilacza w obu uzwojeniach anodowych transformatora wyjściowego płyną w przeciwnych kierunkach, a więc i prądy wywołane napięciem tętnień rozpływają się symetrycznie poprzez obie połówki transformatora wyjściowego; przy prawidłowo wykonanym transformatorze w jego uzwojeniu wtórnym tętnień nie ma, gdyż znoszą się one nawzajem. Układ przeciwsobny wymaga dość skomplikowanego i starannie wykonanego transformatora wyjściowego; ma on zasadniczy wpływ na pracę układu i decyduje o jego jakości. Dlatego też wykonanie takiego transformatora wymaga szczególnej troski i pewnych umiejętności warsztatowych. Warto również dodać, że przynajmniej do tej pory transformatory takie nie są spotykane w sprzedaży na naszym rynku.
     Wiemy już, że odwrócenie fazy sygnałów można uzyskać na odpowiednim transformatorze wejściowym, lecz to samo można również osiągnąć stosując różne układy lampowe.
     Układ odwracający fazę stanowi konieczną część każdego przeciwsobnego wzmacniacza mocy. Wspomniany wyżej transformator wejściowy o symetrycznym uzwojeniu wtórnym jest w nowoczesnych układach lampowych stosowany bardzo rzadko, np. we wzmacniaczach bardzo dużej mocy (Transformator odwracający fazę dla sterowania stopnia mocy w układzie przeciwsobnym jest natomiast z reguły stosowany w układach tranzystorowych, przede wszystkim ze względu na jego prostotę oraz w celu elektrycznego dopasowania oporności wejściowej stopnia mocy do oporności roboczej stopnia sterującego - przyp. autora). We wzmacniaczach mocy rzędu 10÷15W, a w szczególności w układach wysokiej klasy, stosowane są do tego celu najczęściej specjalne układy lampowe.

Rys.5.Uproszczony schemat ideowy prostego układu odwracania fazy (tzw. katodyna)

Schemat ideowy najprostszego z nich widzimy na rys.5. Jest to układ oporowy na lampie triodzie, w którym oporność robocza została rozdzielona na dwie równe części - R. Oporniki umieszczone zostały w obwodzie anody i katody lampy. Sygnał jest zdejmowany jednocześnie z obu tych elektrod, przy czym oba sygnały są identyczne i różnią się jedynie fazą. Dla łatwiejszego zrozumienia działania tego układu zwraca się uwagę, że jeżeli np. napięcie na siatce sterującej S1 wzrasta (staje się bardziej dodatnie), wówczas wzrasta również prąd anodowy lampy. W rezultacie tego rośnie spadek napięcia na oporniku anodowym, a więc napięcie dostarczane na anodę lampy maleje, zaś napięcie na katodzie wzrasta, gdyż podobnie - spadek na oporniku katodowym - rośnie. A więc otrzymywane napięcia na anodzie i katodzie lampy aczkolwiek są wynikiem jednego sygnału sterującego, są względem siebie w przeciwnej fazie (w fazie przesuniętej o 180^o). Właśnie taka para napięć jest nam potrzebna dla sterowania stopnia mocy w układzie przeciwsobnym.

Rys.6. Uproszczony schemat dwulampowego układu odwracania fazy

     Innym układem odwracającym fazę jest układ przedstawiony na rys.6. Stopień z pierwszą lampą jest typowym wzmacniaczem oporowym. Wzmocniony w nim sygnał może być wykorzystany do sterowania jednej z lamp mocy układu przeciwsobnego, jednocześnie zaś odpowiednio mała część tego sygnału (otrzymywana z dzielnika R₁+R₂) doprowadzana jest do siatki sterującej drugiej lampy następnego stopnia. Lampa ta wzmacnia sygnał do potrzebnego poziomu, jednocześnie zaś w układzie następuje odwrócenie fazy sygnału (napięcie na siatce sterującej wzrasta, napięcia na anodzie lampy maleje). Sygnał ten można wykorzystać do sterowania drugiej lampy układu przeciwsobnego.
     Warto przeprowadzić porównanie obu układów. Układ pierwszy z jedną lampą jest bezwzględnie prostszy, wykazuje jednak zasadniczą wadę - nie wzmacnia. W istocie, napięcia sygnałów zdejmowane z anody i katody lampy mają wielkość sygnału sterującego. Natomiast zaletą jest to, że układ praktycznie nie wnosi żadnych zniekształceń, a przy dokładnym dobraniu opornika katodowego i anodowego dostarcza sygnały o identycznych amplitudach.
     Układ drugi z dwiema lampami jest oczywiście bardziej skomplikowany, jednak daje już wzmocnienie równe normalnemu wzmocnieniu uzyskiwanemu w pojedynczym stopniu, a przy tym uzupełnia je swoimi własnymi zniekształceniami. W rezultacie - aczkolwiek sygnały doprowadzone z takiego układu do siatek sterujących obu lamp przeciwsobnego stopnia mocy mogą być identyczne pod względem amplitudy (dzielnik oporowy R₁+R₂ można zawsze odpowiednio dobrać) - oba stopnie posiadają zupełnie inną zawartość zniekształceń, co jest bardzo nie wskazane. Dlatego też w praktyce, jeśli już decydujemy się na bardziej skomplikowany, dwulampowy stopień mogą być oczywiście umieszczone w jednej bańce, np. lampa typu ECC83 itp.), stosujemy raczej inne, bardziej nowoczesne i lepsze układy. Ale o nich nie będziemy tu jednak mówić.
     Stopień mocy w układzie przeciwsobnym oraz stopień odwracania fazy są zasadniczymi elementami każdego wzmacniacza o wysokiej jakości. Po zapoznaniu się - choć tak bardzo pobieżnym - z tymi stopniami możemy już samodzielnie zestawić schemat ideowy takiego wzmacniacza. Zrobimy to oczywiście z pewnymi uproszczeniami, aby nie przesłaniać samej idei układu.

Rys.7. Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza m.cz. ze stopniem końcowym w układzie przeciwsobnym

Na rys.7 widzimy na wejściu wzmacniacz oporowy z pentodą, który zapewnia odpowiednio duże wstępne wzmocnienie sygnału. Następny stopień - to omówiony już układ odwracania fazy z triodą - ten najprostszy, z takim samym opornikiem roboczym w obwodzie anody i katody. Stopień ten dostarcza symetrycznych napięć sterujących dla stopnia końcowego w układzie przeciwsobnym. Typowy zestaw lamp takiego wzmacniacza: EF80, EC92 (lub 1/2 ECC83 itp.) oraz para lamp typu EL84. Można oczywiście zamiast EF80 i EC92 zastosować jedną lampę "kombinowaną" typu ECF82. Para takich lamp w układzie przeciwsobnym może dostarczyć mocy wyjściowej rzędu 6W, przy czym ich triody mogą pracować jako stopień wstępny i stopień odwracania fazy. Uproszczony schemat ideowy takiego wzmacniacza przedstawiony jest na rys.8.

Rys.8. Schemat ideowy małego wzmacniacza m.cz. z dwiema lampami typu ECL82

Samodzielny montaż wzmacniacza w układzie przeciwsobnym jest dość trudny i wymaga odpowiedniego doświadczenia konstruktorskiego. Zainteresowani Czytelnicy mogą znaleźć tego rodzaju opisy w numerach:

K.W.

[informacje praktyczne]