Polaryzacja lamp odbiorczych

Sama lampa radiowa w układzie nie zadziała. Zawsze musi ona współpracować z innymi elementami ustalającymi tzw. punkt pracy lampy, czyli określone, statyczne (bez żadnego sygnału) napięcia i prądy stałe na poszczególnych elektrodach lampy. Warunki te muszą ponadto odpowiadać celowi który lampa ma wypełniać w konkretnym układzie i możliwościom samej lampy - inne parametry ma przecież lampa przeznaczona do pracy jako wzmacniacz mocy, a inne lampa typowo napięciowa. Określenie "punkt pracy" oznacza po prostu pewien punkt na charakterystykach lampy który odpowiada wybranym prądom i napięciom na elektrodach lampy. W praktyce nie będzie to rzeczywiście jeden punkt na wykresie, raczej pewien obszar (wynika to z rozrzutów parametrów elementów użytych do polaryzacji lampy jak i parametrów samej lampy). Zrozumienie opisanych tu informacji wymaga znajomości budowy i działania lamp. Nie będą w tym rozdziale opisywane diody - ich polaryzacja w typowych układach wynika z zastosowania (detektor, prostownik w zasilaczu itp).

Każdy z innych niż dioda rodzajów lamp posiada katodę, anodę i przynajmniej jedną elektrodę sterującą (siatkę). W czasie normalnej pracy lampy katoda znajduje się zazwyczaj na potencjale zbliżonym do masy, anoda na potencjale dodatnim. Siatka sterująca znajduje się z reguły na niewielkim potencjale ujemnym względem katody, pozostałe siatki mogą pracować przy różnych napięciach, w zależności od roli jaką spełniają w lampie.

Na rysunku z prawej strony pokazany jest przykład polaryzacji triody odbiorczej wykorzystującej oddzielne źródło napięcia do polaryzacji siatki i anody. Jest to To bardzo ogólny schemat, mający na celu jedynie pokazanie metody ustalania punktu pracy triody. Pokazano na nim źródła napięciowe polaryzujące elektrody lampy, istotne są na nich kierunki strzałek. Siatka jest standardowo zasilana napięciem ujemnym względem katody, a anoda dodatnim. Napięcia zasilania anody i siatki na ogół są podane w katalogu, producent danego typu lampy określa warunki w których dany typ lampy pracuje najlepiej. Często zamiast napięć i prądów elektrod podany jest w katalogach punkt pracy w postaci napięcia zasilającego układ i wartości oporników w typowym układzie polaryzacji opisanym dalej. Jeżeli konstruktorowi urządzenia katalogowy punkt pracy z jakiegoś powodu nie odpowiada, to możne policzyć inny znając parametry lampy, takie jak nachylenie charakterystyki i przechwyt, oraz założone przez siebie warunki pracy lampy - napięcie i prąd anody. Prąd anody proporcjonalny jest do wzoru Ia = Us*Sa+ D*Ua, gdzie Ua to napięcie anody, Ia to prąd anody, Us to napięcie siatki, Sa to nachylenie, a D to przechwyt. W praktyce wzór ten jest mało użyteczny, bo obliczanie konkretnej wartości prądu anody dla konkretnych napięć wymaga znajomości pewnych parametrów (dla uproszczenia nie pokazanych w tym wzorze), ale wynika z niego zależność zmian prądu anody - jak oddziałuje na ten prąd napięcia siatki, a jak napięcia anody - można określić jak należy zmienić napięcia na elektrodach gdy potrzeba uzyskać żądany prąd w nowych warunkach. Na przykład lampa o nachyleniu 1mA/V i przechwycie 0.1 pracuje przy napięciu siatki równym 0V, napięciu anody 100V i prądzie 1mA. Gdy chcemy uzyskać prąd 1mA, ale przy napięciu anody 200V widać z tego wzoru, że wtedy napięcie siatki musi wynosić -10V. W praktyce jednak, jak tylko jest taka możliwość najlepiej określić wartości prądów i napięć w punkcie pracy z charakterystyki, umożliwi to też uniknięcie przykrych niespodzianek - np. wejścia lampy w obszar nasycenia (sytuacji, gdy lampa ma już najmniejsze możliwe napięcie anody przy danym prądzie).

W rzeczywistości w układach odbiorczych rzadko wykorzystuje się zasilanie każdej z lamp z różnych zasilaczy (choć było używane w starszych odbiornikach bateryjnych, gdzie różne lampy dostawały napięcia z różnych odczepów baterii), gdyż wymaga to znacznej komplikacji części zasilającej. Do zasilania układu wykorzystuje się jedno źródło napięcia dodatniego dla anod lamp i ujemnego dla siatek, a wymaganą wartość napięcia na elektrodach uzyskuje się albo zasilając elektrody poprzez dzielniki napięcia albo poprzez oporniki o tak wybranej wartości, że prąd płynący przez elektrodę wprowadza na oporniku taki spadek napięcia, że na elektrodzie ustala się odpowiednie napięcie. Schemat takiego układu pokazujący typowy układ pracy triody znajduje się po lewej stronie. Opisany poprzednio układ nie był wzmacniaczem - nie ma na nim ani wejścia ani wyjścia sygnału, ustala on jedynie parametry pracy samej lampy, natomiast ten układ ma już wejście i wyjście - elementy (oporniki) polaryzujące lampę stanowią jednocześnie obciążenia wejściowe i wyjściowe dla sygnału, przez które przepływa składowa zmienna prądu. Ten układ nazywany jest wzmacniaczem oporowym, gdyż elementem na którym pojawia się sygnał wyjściowy jest opornik.

W stosunku do poprzedniego schematu pojawiły się nowe elementy - dwa rezystory i dwa kondensatory. Do samej polaryzacji lampy opornik siatkowy nie jest potrzebny, ale bez niego sygnał wejściowy byłby zwarty do źródła polaryzującego siatkę - lampa nie miałaby czego wzmacniać. Analogicznie do polaryzacji nie są potrzebne oba kondensatory, służą one tylko do oddzielenie składowej stałej wynikającej z polaryzacji lampy od źródła sygnału i obciążenia. Ponieważ jeden (dolny) koniec opornika siatkowego ma zawsze stały potencjał wynikający z jego zasilania ze źródła polaryzującego siatkę a do drugiego podłączony jest sygnał wejściowy, to oznacza to, że odkłada się na nim całe wejściowe napięcie zmienne i płynie prąd ze źródła sygnału o wartości zależnej od oporności tego opornika. W typowym warunkach pracy lampy, gdy napięcie stałe na siatce jest ujemne względem katody, to przez saitkę nie płynie prąd, oznacza to, że jedyny prąd ze źródła sygnału pobierany przez wzmacniacz to prąd płynący przez opornik siatkowy. Krótko mówiąc oporność wejściowa wzmacniacza jest równa oporności tego opornika. Oznacza to, że jego wartość nie może on być zbyt mała, aby zanadto nie obciążyć źródła sygnału wejściowego. Z kolei jego maksymalną wartość dla danego typu lampy podają katalogi, typowo w układach stosuje się oporniki siatkowe o wartości rzędu 100kΩ do 1MΩ. Stosowanie zbyt dużych wartości jest również niewskazane, bo im wieksza jest oporność wejściowa tym bardziej taki układ jest wrażliwy na zakłócenia.

Podobnie aby uzyskać sygnał wyjściowy należało dołożyć dodatkowy element - rezystor anodowy Ra i kondensator wyjściowy Ca. Obwód wejściowy, a dokładniej - napięcie zmienne sygnału wejściowego oddziałuje na prąd anodowy lampy. Jeżeli chcemy na wyjściu uzyskać zmienne napięcie, będące wzmocnionym napięciem wejściowym, to układ bez rezystora anodowego się nie nadaje - na wyjściu będzie panowało stałe napięcie równe napięciu źródła zasilającego obwód anodowy lampy Va. Aby uzyskać zmienne napięcie wyjściowe należy zmienny prąd anody przetworzyć na napięcie, można to zrobić albo za pomocą transformatora, albo właśnie za pomocą rezystora. Przez ten rezystor przepływa cały prąd anody, składowa stała i zmienna, a więc wywołany tym prądem spadek napięcia - będzie sumą składowej stałej i zmiennej. Ponieważ napięcie zasilające anodę lampy rozkłada się teraz na dwóch elementach - rezystorze anodowym i na obwodzie anoda-katoda lampy to napięcie na anodzie lampy jest mniejsze od napięcia zasilającego o spadek napięcia na oporniku anodowym. Ten fakt wykorzystany jest właśnie do ustalania punktu pracy lampy, a jeden opornik pełni w układzie dwie role - elementu polaryzującego lampę i oporności obciążenia dla składowej zmiennej. Występujące na anodzie lampy napięcie jest sumą składowej zmiennej (będącej wzmocnionym sygnałem wejściowym) i składowej stałej, wynikającej z punktu pracy lampy. Ponieważ na wyjściu potrzebny jest sam sygnał, czyli sama składowa zmienna, składową stałą należy oddzielić za pomocą kondensatora wyjściowego Ca. Jeżeli dwa lub więcej takich układów jest połączonych szeregowo jeden za drugim, to kondensator wejściowy poprzedzającego stopnia jest jednocześnie kondensatorem siatkowym następnego stopnia, nie ma potrzeby stosować dwóch szeregowo połączonych kondensatorów.

Jak już wspomniałem wcześniej, rozwiązanie polaryzacji lamp z dwoma zasilaczami jest stosowane rzadko, najczęściej w postaci zasilaczy z ogólnym minusem, lub w radiach bateryjnych, wyposażonych w dwie baterie - anodową i siatkową. Opracowane zostały inne układy zapewniające polaryzację siatki napięciem ujemnym względem katody. Jeden z nich pokazany jest na rysunku obok. Jest to tak zwany układ potencjometryczny. Najważniejszymi elementami tego układu są dwa rezystory Rk1 i Rk2. Dzielą ona napięcie zasilania układu w celu uzyskania takiej wartości napięcia jaka jest potrzebna do polaryzacji siatki. Siatka za pomocą rezystora siatkowego Rs jest podłączona bezpośrednio do masy, a więc ma potencjał zerowy. Na katodzie występuje natomiast wytworzone rezystorami Rk1 i Rk2 napięcie dodatnie, dzięki czemu siatka ma ujemny potencjał względem katody - lampa jest odpowiednio spolaryzowana. Taki układ jest często spotykany w praktyce, zwłaszcza w stopniach wejściowych dwu lub więcej obwodowych odbiorników reakcyjnych zbudowanych na lampach o regulowanym nachyleniu - selektodach. Na ogół wtedy rezystor Rk2 zastąpiony jest opornikiem zmiennym, którego rezystancja może być regulowana od wartości początkowej do zera, dzięki czemu ujemne napięcie siatki względem katody można regulować od zera do pewnej wartości, zależnej od konkretnego układu, zaś dzięki właściwościom selektody wpływa to na nachylenie tej lampy, czyli w wyniku - na wzmocnienie całego stopnia. Rezystory siatkowy Rs i anodowy Ra mają takie samo znaczenie jak w przypadku poprzednim, podobnie kondensatory.

Czasami, w sytuacji gdy wymagane ujemne napięcie siatki względem katody nie jest duże, ma mieć około jednego wolta, stosuje się układ jak na rysunku obok. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że siatka nie ma polaryzacji i napięcie siatka-katoda jest równe zeru. Tak jednak nie jest, za sprawą tzw. prądu wybiegu. Wyjaśnienie zjawiska prądy wybiegu zawarte jest w rozdziale opisującym diody. Wartość opornika Rs musi być duża, spotykane są w praktyce wartości nawet 10MΩ. Prąd wybiegu siatki przepływając do katody przez ten opornik wywołuje niewielki spadek napięcia, skierowany ujemnie względem katody, wykorzystywany do polaryzacji lampy. W praktyce tego rodzaju polaryzację stosuje się dla stopni pracujących z dużym opornikiem anodowym Ra i małym prądem anodowym.

Identyczny pod względem połączeń układ często jest też stosowany w generatorach lub w stopniach mocy sterowanych sygnałem o dużej amplitudzie. W tych jednak układach prąd przepływający przez opornik Rs nie jest prądem wybiegu, a prądem uzyskiwanym z prostowania sygnału wejściowego. Wykorzystuje się tu fakt, że obwód siatka pierwsza-katoda lampy jest diodowym detektorem równoległym i dzięki własnościom prostującym z doprowadzonego sygnału zmiennego wytwarza ujemne napięcie polaryzujące. Oczywiście taki układ obciąża stopień poprzedzający - przez lampę płynie prąd siatki, i to obciąża w sposób nieliniowy. Ta metoda polaryzacji jest szczególnie przydatna w przypadku generatorów - większa amplituda generowanych drgań daje większe ujemne napięcie, co powoduje zmniejszenie wysterowania lampy i w konsekwencji spadek amplitudy generowanych drgań - mamy czynnik stabilizujący amplitudę. Praktycznie każdy generator lokalny w odbiorniku (heterodyna) jest polaryzowany w ten sposób. Obecność ujemnego napięcia polaryzującego siatkę może też być wtedy wykorzystana do sprawdzenia, czy generator pracuje poprawnie. Ta metoda może być jednak niebezpieczna dla lamp, zwłaszcza lamp mocy. Gdy w układzie nie ma innego ograniczenia przed nadmiernym wzrostem prądu anody (np. w postaci dużego opornika anodowego) to w przypadku zaniku sygnału sterującego (np. generator przestanie się wzbudzać) siatka pierwsza nie ma ujemnej polaryzacji, przez lampę płynie duży prąd anody i może ona ulec zniszczeniu. Jest to istotny problem np. w przypadku wzmacniaczy mocy w.cz., ale i w lampowych stopniach odchylania poziomego w telewizorach, gdzie taką metodę polaryzacji stosowano powszechnie.

Oba opisane do tej pory sposoby polaryzacji lamp mają jedną wspólną, czasem dość istotną wadę - dużą wrażliwość na rozrzuty wartości elementów, zwłaszcza napięć i parametrów lamp, gdyż nie ma tam żadnego mechanizmu stabilizującego warunki pracy lampy i np. wymiana lampy na inną, o trochę innych parametrach, albo zmiany wywołane starzeniem się elementów, zwłaszcza zużyciem lampy, mogą znacznie zmienić punkt pracy lampy. Schemat umieszczony po prawej stronie pokazuje tak zwaną polaryzację automatyczną lampy. W układzie tym, tak jak i poprzednio, siatka lampy znajduje się na potencjale zerowym, natomiast katoda na pewnym niewielkim potencjale dodatnim. Potencjał dodatni na katodzie wytworzony jest poprzez spadek napięcia na oporniku katodowym przez który przepływa cały prąd katody lampy. Dobierając wielkość tego opornika, przy założonym prądzie katody otrzymujemy żądane napięcie dodatnie katody. Ponieważ siatka jest na potencjale zerowym to napięcie siatki jest na potencjale ujemnym względem katody, wartość zaś tego potencjału jest równa spadkowi napięcia na oporniku katodowym. Układ ten jest znacznie bardziej odporny na zmiany różnych parametrów elementów układu, odporność ta jest tym większa im większy jest opornik katodowy Rk. Mechanizm działania tej stabilizacji jest prosty - jeżeli z jakiegokolwiek powodu (np. z powodu starzenia lampy) spadnie prąd katody to spadnie dodanie napięcie na katodzie, czyli wartość ujemnego napięcie na siatce względem katody się zmniejszy, a więc wzrośnie prąd katody. Analogicznie wzrost prądu powoduje wzrost spadku napięcia na oporniku katodowym, czyli wzrost ujemnego napięcia na siatce względem katody a więc spadek prądu anody. Widać tutaj od razu że im większy jest opór katodowy tym stabilizacja jest lepsza, bo nawet mała zmiana prądu katody wywoła dużą zmianę napięcia na tym oporniku. Taki rodzaj polaryzacji lamp jest najczęściej stosowany w układach odbiorczych, zwłaszcza zasilanych z sieci.

Polaryzacja tetrod i pentod

Dotychczasowe rozważania były prowadzone dla triod, które mają tylko jedną siatkę. Pozostają one oczywiście słuszne i dla lamp z większą ilością siatek (tetrod, pentod, heksod itp.), należy do tych siatek doprowadzić odpowiednie napięcia. W przypadku siatek które mają pracować na potencjale katody (np. siatka trzecia pentody) po prostu łączy się je z katodą, często zresztą są już z katodą połączone wewnątrz bańki lampy, lub w przypadku, kiedy katoda nie jest uziemiona dla sygnałów zmiennych np. w niektórych układach wzmacniaczy lub generatorów z masą układu. Dla siatek które wymagają potencjału dodatniego (np. siatka druga w pentodzie) należy doprowadzić wymagane napięcia. Napięcia te w typowych zastosowaniach odczytuje się z katalogu, albo konstruktor określa sam, jeżeli warunki katalogowe mu z jakichś przyczyn nie odpowiadają. Istnieją trzy zasadnicze możliwości praktycznej realizacji polaryzacji pokazane na rysunku obok: zasilanie z dodatkowego zasilacza, spotykane w praktyce bardzo rzadko, czasami w tylko w odbiornikach bateryjnych, zasilanie potencjometryczne i podłączenie do napięcia zasilającego całość układu poprzez odpowiedni rezystor. Podobnie jak przy opisanej wcześniej polaryzacji triod rezystor należy tak dobrać, aby napięcie na elektrodzie, równe napięciu zasilającemu pomniejszonemu o spadek napięcia na rezystorze, odpowiadało napięciu założonemu przez konstruktora. Spadek napięcia na tym rezystorze zależny jest od prądu elektrody. W praktyce najczęściej stosowany jest sposób trzeci, czasami sposób drugi, zwłaszcza w sytuacji gdy prąd danej elektrody silnie się zmienia w czasie pracy układu, np. prąd siatki drugiej selektody. Dla większości lamp katalogi podają wartości elementów polaryzujących w kilku typowych punktach pracy, jest to przydatne zwłaszcza dla lamp przeznaczonych do pracy jako wzmacniacze m.cz., gdzie katalogowe punkty pracy są zoptymalizowane pod kątem małych zniekształceń.

Oczywiście w praktyce stosowane jest wiele innych układów, będących często rozwinięciem, czy wariacjami układów opisanych powyżej. Często w układach wielostopniowych czy ze sprzężeniem zwrotnym elementy polaryzujące lampę są jednocześnie elementami kształtującymi sygnał (np. w sprzężeniu zwrotnym), czy stopnie są ze sobą "dziwnie" połączone. Układy takie nie zostały tu opisane, z jednej strony dlatego, że ilość ich wariantów jest ogromna, z drugiej dlatego, że praktycznie nie są spotykane w odbiornikach radiowych produkowanych przed 1939 rokiem. Z tego samego powodu nie opisano metod polaryzacji lamp pracujących w innych konfiguracjach niż układ ze wspólną katodą, np. kaskod, czy układów ze wspólną siatką.