regulacja wzmocnienia za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego

Maciej Jankowski, Regulacja wzmocnienia za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego
Radioamator 8/1957

Najczęściej stosowany stopień regulacji wzmocnienia (siły głosu) we wzmacniaczach m.cz. przedstawiony jest schematycznie na rys.1. W układzie tym siatka lampy pierwszego stopnia wzmacniacza sterowana jest jedynie częścią napięcia wejściowego. Wielkość tego napięcia regulowana jest przez zmianę położenia suwaka potencjometru R. Nie trudno tu o przesterowanie wzmacniacza, co prowadzi do jego przeciążenia i znacznych zniekształceń odbioru. Dlatego regulację taką przeprowadza się zawsze na wejściu wzmacniacza. Poza tym układ ten wykazuje zależność regulacji napięcia od częstotliwości ze względu na bocznikujące działanie pojemności wejściowych lampy.

Rys.1

     Istnieje inny sposób regulacji wzmocnienia we wzmacniaczach o dużym wzmocnieniu, zapewniający wierne odtwarzanie wzmacnianych dźwięków i duży zakres regulacji wzmocnienia bez obawy przesterowania. Polega on na zastosowaniu regulowanego ujemnego sprzężenia zwrotnego.
     Jak wiadomo, ujemnym sprzężeniem zwrotnym nazywamy przyłożenie części wzmocnionego napięcia zmiennego z powrotem do siatki lampy, przy czym faza tego napięcia jest przeciwna do fazy napięcia wejściowego. W rezultacie wypadkowe napięcie zmienne na siatce jest mniejsze w porównaniu z napięciem wyjściowym w przypadku nie stosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wadą ujemnego sprzężenia zwrotnego jest to, że przy jego zastosowaniu uzyskuje się mniejsze wzmocnienia, co z kolei wymaga stosowania większej ilości stopni wzmocnienia lub lamp o dużym wzmocnieniu.
     Wielkość ujemnego sprzężenia zwrotnego zależy od wzmocnienia stopnia. Często zdarza się, że wzmocnienie stopnia zmienia się, np. przy wzmacnianiu sygnałów o znacznie różniących się częstotliwościach (wzmacniacze szerokopasmowe). Zmienia się więc również napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Przy spadku wzmocnienia napięcie to maleje, a więc wzmocnienie automatycznie zwiększa się. Załóżmy na przykład, że wzmacniacz o wzmocnieniu K=20 daje na wyjściu napięcie U_w=60V. Aby we wzmacniaczu bez ujemnego sprzężenia zwrotnego otrzymać na wyjściu napięcie U_w=60V, na wejście tego wzmacniacza należy przyłożyć napięcie:

U = U_w/K = 60/20 = 3V

Przypuśćmy teraz, że we wzmacnianiu tym stosujemy ujemne sprzężenie zwrotne. Jeśli np. napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego Us równe jest 10% napięcia wyjściowego

U_s = 0,1U_w = 0,1 ^. 60 = 6V

wtedy dla otrzymania na wyjściu napięcia U_w=60V do siatki należy przyłożyć napięcie

U' = U + U_s = 3 + 6 = 9V

gdzie U’ – napięcie wejściowe przy zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Załóżmy, że wzmocnienie stopnia spadło (np. wskutek znacznej zmiany częstotliwości wzmacnianych sygnałów) do 10. Aby więc we wzmacniaczu bez ujemnego sprzężenia zwrotnego otrzymać na wyjściu U_w=60V, na wejściu stopnia musi wystąpić napięcie:

U = U_w/K = 60/10 = 6V

Przy zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego o napięciu

U_s = 0,1U_w = 0,1 ^. 60 = 6V

na wejście stopnia należy przyłożyć napięcie

U' = U + U_s = 6 + 6 = 12V

     Wzmocnienie stopnia z ujemnym sprzężeniem zwrotnym wynosi w pierwszym przypadku 60/9=6,66 a w drugim 60/12=5. Przy użyciu ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmocnienie stopnia spada w drugim przypadku o 25%. Bez ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmocnienie spada z 20 na 10, a więc o 50%.
     Ujemne sprzężenie zwrotne stara się zatem utrzymać stałą wartość wzmocnienia. Zmniejszone zostają więc zniekształcenia liniowe (wynikające z różnego wzmacniania sygnałów o różnych częstotliwościach).
     Ujemne sprzężenie zwrotne zatem zmniejsza również zniekształcenia nieliniowe. Wynikają one z nieprostoliniowego przebiegu charakterystyki anodowo-siatkowej lampy i sprawiają, że kształt krzywej napięcia na wyjściu wzmacniacza jest inny niż kształt krzywej napięcia wejściowego. Wobec tego napięcie wyjściowe zawiera szereg harmonicznych nie występujących w napięciu wejściowym. Zniekształcenia nieliniowe wywołane są obecnością tych harmonicznych w krzywej napięcia wyjściowego. Wszystkie te harmoniczne zawiera również napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Ponieważ jednak jest ono w stosunku do napięcia wejściowego w przeciw-fazie, w rezultacie osłabia również amplitudy tych harmonicznych, zmniejszając tym samym zniekształcenia nieliniowe.
     Na rys.2 przedstawiono sposoby uzyskiwania ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Rys. 2

W układzie na rys.2a napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego występuje na oporniku R. Opornik R_k służy do otrzymania stałego ujemnego napięcia siatki. Kondensator C_k bocznikuje ten opornik dla składowej zmiennej małej częstotliwości. Ze schematu wyraźnie widać, że napięcie na oporniku R jest w przeciw-fazie w stosunku do napięcia siatki.
     Rys.2b przedstawia sposób otrzymania ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu przeciwsobnym. Napięcie ujemne sprzężenia zwrotnego występuje tu na opornikach R. W układzie tym obie połówki wtórnego uzwojenia transformatora wejściowego nie mogą być bezpośrednio połączone. Ujemne napięcie siatkowe uzyskuje się na oporniku R_k.
     Napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego można również uzyskać z obwodu anodowego tego samego stopnia, lub też poprzez kilka stopni, jak na rys.2c. W tym przypadku napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego z transformatora wyjściowego przykłada się nie na siatkę lampy zasilającej ten transformator, lecz na siatkę lampy poprzedzającej. Napięcie to rozkłada się potencjometrycznie na opornik upływowy siatki R_s i opornik R₁. Opornik ten zmniejsza więc napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego. W przypadku stosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego poprzez kilka stopni istnieje możliwość wzbudzenia się drgań w układzie. Zjawisko to wystąpi wówczas, gdy faza napięcia sprzężenia zwrotnego będzie dla pewnych częstotliwości zgodna z fazą napięcia zmiennego na siatce, czyli, gdy ujemne sprzężenie zwrotne zmieni się na dodatnie. Dlatego też nie zaleca się stosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego obejmującego więcej niż dwa stopnie.
     Z powyższych rozważań wynika, że wprowadzenie do układu wzmacniacza regulowanego ujemnego sprzężenia zwrotnego pozwala na regulację wzmocnienia w szerokim zakresie bez obawy powstania zniekształceń i przeciążenia wzmacniacza.
     Rys.3 przedstawia schemat wzmacniacza, w którym do regulacji wzmocnienia zastosowano regulowane ujemne sprzężenie zwrotne. W układzie tym napięcie zmienne na siatce sterującej lampy V₁ zmienia się przez wprowadzenie w obwód tej siatki mniejszej lub większej wartości napięcia ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Rys.3.

Napięcie to otrzymywane jest w następujący sposób: część składowej zmiennej m.cz. prądu anodowego lampy V₂ płynąc przez kondensator C₂, opornik R₂ i potencjometr R₁, wywołuje na nim pewien spadek napięcia. Napięcie to poprzez kondensator C₁ włączone jest (od strony katody) na siatkę lampy V₁. Stanowi ono właśnie wykorzystywane do regulacji wzmocnienia napięcie ujemne sprzężenia zwrotnego. W stosunku do napięcia wejściowego jest ono w przeciwfazie. Wskutek tego napięcie U₁ występujące między siatką a katodą lampy V₁ będzie mniejsze od napięcia U. Zmieniając wartość opornika R₁, zmieniamy wielkość ujemnego sprzężenia zwrotnego (napięcie U) i w ten sposób regulujemy wzmocnienie. Przy zwiększaniu wielkości R₁ napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego przyłożone do siatki lampy V₁ zwiększa się, w związku z czym wzmocnienie maleje. Zmniejszaniu wzmocnienia przy zwiększaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego towarzyszy zmniejszanie się szumów i zniekształceń.
     Inną ważną cechą tego rodzaju regulacji jest to, że nie ma obawy przeciążenia pierwszej lampy przy zmianie w bardzo szerokich granicach (w przybliżeniu w stosunku 1:3000) napięcia wejściowego.
     Wprowadzając w obwód regulatora elementy bierne L i C można uzyskać „fizjologiczną” regulację siły głosu, odpowiadającą przebiegowi krzywych czułości ucha na różnych poziomach siły głosu.
     Praktyczny układ wejścia wzmacniacza przedstawiony jest na rys. 4.

Rys.4.

Ujemne napięcie siatki zdejmuje się tylko z części opornika katodowego (pełne napięcie występujące na tym oporniku byłoby za duże).
Jako lampę V₁ można stosować pentodę 6J7, a jako V₂ – triodę 6C5. Cały obwód sprzężenia zwrotnego należy starannie ekranować.

[artykuły][teoria]