Wzmacniacze mocy m.cz.

Schemat wzmacniacza głośnikowego

Schemat wzmacniacza mocy w klasie A

Ogólny schemat i zasada pracy wzmacniacza mocy małej częstotliwości jest podobny do wzmacniacza napięciowego. Różnicą jest przede wszystkim obciążenie - dla wzmacniaczy napięciowych był to rezystor (lub bardziej złożony układ), dla wzmacniaczy mocy jest nim głośnik. Dlatego też wzmacniacze mocy m.cz. nazywa się wzmacniaczami głośnikowymi, a lampy używane w tych wzmacniaczach lampami głośnikowymi Głośnik podłączony jest albo bezpośrednio do anody lampy albo przez transformator głośnikowy. Drugą różniącą cechą jest inny podstawowy parametr wyjścia wzmacniacza. Dla wzmacniaczy głośnikowych jest to moc dostarczona przez wzmacniacz do głośnika, dla wzmacniaczy napięciowych było to napięcie (zmienne) na anodzie lampy.

Schemat wzmacniacza głośnikowego z transformatorem

Schemat wzmacniacza mocy z transformatorem głosnikowym

Ponieważ moce wzmacniaczy głośnikowych są dość znaczne, istotne jest aby jak najwięcej mocy pobranej ze źródła zasilania przez wzmacniacz zostało oddane do głośnika a jak najmniej było tracone w lampie, wtedy wzmacniacz jest najefektywniejszy. W przypadku wzmacniaczy napięciowych moce występujące w układzie są znikome, to moc tracona nie jest ważna, istotna jest za to osiągnięcie maksymalnego wzmocnienia, więc głównie pod ten parametr projektuje się wzmacniacz. Podstawowym parametrem projektowym wzmacniacza mocy jest uzyskiwana moc wyjściowa przy jak najlepszej sprawności, co jest itotne zwłaszcza w przypadku odbiorników zasilanych z baterii.

Schematy obok pokazują typowe układy wzmacniaczy głośnikowych z zastosowaniem triod. Pierwszy z głośnikiem wpiętym bezpośrednio w anodę lampy, drugi z głośnikiem wpiętym za pomocą transformatora głosnikowego. Pierwsza wersja wymaga stosowania głośnika o odpowiedniej, dobranej do danego typu lampy oporności, oraz odpornego na składową stałą prądu. Takie rozwiązania były stosowane w starszych odbiornikach, generalnie do 1935 roku, np. w PZT ECHO 127Z. Drugi sposób pozwalał na zastosowania typowego głosnika dynamicznego, który posiada lepsze parametry akustyczne, ale za to małą oporność (kilka, kilkanaście omów). Ponieważ transformator może dopasować oporność dowolnego głośnika do dowolnej lampy, a ponadto separuje od składowej stałej prądu ten układ połączeń był stosowany aż do końca ery elektroniki lampowej. Przedstawione tu schematy wykorzystują triody, analogicznie konstruowane są układy na pentodach, jedyna różnica to polaryzacja siatki drugiej. Pentody produkowane jako lampy głośnikowe miały z reguły tak konstruowaną siatkę drugą, aby można ją było dołączyć bezpośrednio do napięcia zasilającgo.

Jak już wspomniałem jednym z ważniejszych parametrów wzmacniacza mocy jest sprawność. Nie wdając się w szczegóły matematyczne maksymalna teoretyczna sprawność wzmacniaczy w klasie A to 50%, w klasie B to 67%, w klasie AB gdzieś pomiędzy tymi wartościami, w zalezności od głębokości klasy AB. Klasa C dająca teoretycznie do 100% sprawności nie może być wykorzystana w układach szerokopasmowych, takich jak wzmacniacze audio. Sprawności te są niezależne od rodzaju zastosowanego elementu, w szczególności nie zależą od tego czy lampą głosnikową jest trioda czy pentoda, jednak w praktycznych układach występują tu techniczne ograniczenia.

przebiegi w klasie Aprzebiegi w klasie ABprzebiegi w klasie Bprzebiegi w klasie C

Wspomniana powyżej klasa pracy wzmacniaczy nie ma nic współnego ich jakością, a jedynie z punktem pracy lampy. W klasie A w lampie prąd płynie przez cały okres sygnału wejściowego, w klasie B tylko przez połowę - przepuszczana jest jedna połówka, górna lub dolna. W klasie C prąd płynie przez mniej niż połowę okresu, czyli przepuszczana jest niecała jedna połówka. Klasa AB jest pośrednia pomiędzy klasą A i klasą B - prąd płynie przze więcej niż pół okresu, ale mniej niż przez cały. Aby sygnał akustyczny był pozbawiony zniekształceń przez głosnik musi oczywiście prąd płynąć przez cały czas trwania okresu sygnału. Z tego względu wzmacniacze klasy A mogą zawierać jedną lampę, wzmacniacze klasy AB lub B dwie, aby z dwóch fragmentów sygnału złożyć cały sygnał. Klasa C nie nadaje się do układów audio, bo nie ma możliwości uzyskaniaprzepływu prądu przez cały okres sygnału, dostanie się wtedy tylko "czubki" obu połówek. Poglądowy rysunek po lewej stronie pokazuje jak wygląda kształt prądu w lampie dla różnych klas pracy. Czerwona linia to prąd płynący przez lampę, czarna kropkowana - "brakujące" fragmenty przebiegu.

Ponieważ, jak już wspomniałem układ w klasie A pracuje z jedna lampą, to jest najczęściej stosowany w praktyce. Schematy przykładowe przedstawione na początku tego artykułu przedstawiają właśnie układ w klasie A. Ponieważ w klasie A prąd musi płynąć przez cały czas trwania okresu sygnału to punkt pracy lampy musi być ustawiony tak, aby prąd spoczynkowy (bez sygnału) był większy niż maksymalna amplituda prądu. Proste rachunki (których tu przedstawiać nie będę) pokażą, że wartość średnia prądu pobieranego przez wzmacniacz w klasie A jest zawsze taka sama, niezaleznie od wysterowania ("górki" i "dołki" przebiegu się zniosą i wartść średnia będzie taka sama jak bez sygnału).

Ma to dwa ważne następstwa. Po pierwsze prąd pobierany z zasilacza jest stały, niezalezny od wysterowania, co oznacza, że i moc pobierana z zasilacza jest stała. Druga rzecz wynika z pierwszej - wzmacniacz ma największą sprawność przy maksymalnym wysterowaniu. Prosto to wytłumaczyć - skoro moc pobierana z zasilacza jest zawsze taka sama, a moc oddawana na wyjściu rożnie z wysterowaniem to sprawność też rośnie z wysterowaniem. Wzmaniacz w tej klasie jest odporny na zwarcia na wyjściu - nie oddaje wtedy żadnej mocy na wyjściu, cała moc pobierana z zasilacza wydziela się na lampie, dokładnie tak samo jak w sytuacji bez wysterowania. Teoretycznie wzmacniacz jest też odporny na rozwarcie na wyjściu (pracę bez obciązenia), jednak ze względu na występowanie w układzie indukcyjności w postaci transformatora powstają wtedy przepięcia mogące uszkodzić układ, np. przebijając kondensatory czy transformator.

punkt pracy wzmacniacza pentodowego w klasie A

Wyznaczanie punktu pracy wzmacniacza mocy w klasie A

Obliczanie wzmacniacza w klasie A jest proste. Ponieważ największa moc w lampie wydziela się bez sygnału, to punkt pracy można tak dobrać, aby leżał na krzywej maksymalnej mocy lampy. Oporność obciążenia z kolei dobiera się w ten sposób, żeby uzyskać jak największą aplitudę pradu i napięcia na wyjściu, co zapewni maksymalną moc wyjściową. Na ogół nie uzyska się wtedy najmniejszych zniekształceń, punkty pracy dla maksymalnej mocy i dla minimalnych zniekształcń na ogół są od sibie różne, choć w lampach głosnikowych nie są to duże różnice. Dobierając punkt pracy musimy ustalić trzy parametry - napięcie zasilania, prąd spoczynkowy, oporność obciązenia. Napięcie zasilania musi uzwględniać również inne stopnie urządzenia i jego zakres z którego mozna wybierać jest dość ograniczony, tak więc głównie ustala się prąd spoczynkowy i oporność obciązenia.

Po prawej stronie zaprezentowane są charakterystyki anodowe pentody mocy typu EL41 z wyznaczonym punktem pracy: Ua=250V, Ia=36mA, Ro=7kΩ. Odpowiada to napięciu siatki -7V. Z charakterystyk widać, że napięcie siatki może zmieniac się w zakresie od około -2V do około -12V. Od strony wyższych napięć ogranicza je nieliniowość charakterystyki, lampa tu zaczyna się już nasycać, od strony niższych napięć ograniczeniem jest prąd anody - lampa jest już prawie zatkana.

Triody, zwłaszcza głosnikowe mają inny kształt charakterystyk anodowych, tak, że lampa się nie nasyca w okolicach zerowego napięcia siatki, ale napięć dodatnich. Nie ma żadnego powodu, dla którego siatka nie miałaby przybierać potencjału dodatniego, lampa wtedy pracuje poprawnie i oddaje dużą moc do obciążenia. Jest tylko jedna przyczyna natury praktycznej - prąd siatki. Ponieważ dla napięć siatki większych od zera zaczyna płynąć prąd siatki to przy większym wysterowaniu stopień poprzedzający musi dostarczyć odpowiednio duży prąd. Sam ten fakt jeszcze nie jest przeszkodą, gorszą rzeczą jest to, że prąd siatki zależny jest od wysterowania i płynie tylko w jedną stronę (wpływa do siatki), do tego bardzo nieliniowo obciąża stopień poprzedzający, bo płynie tylko w dodatnich szczytach sygnału. Powoduje to trudne warunki pracy stopnia sterującego, problem z polaryzacją siatki triody, sposób polaryzacji siatki musi być taki, aby prąd siatki nie przesuwał punktu pracy triody. Ponadto triody mają mniejsze wzmocnienie co wymaga większej amplitudy napięcia na siatce, o rząd wielkości w stosunku do pentod. W związku z tym w praktyce ogranicza się amplitudę napięcia sterującego do wartości ujemnego napięcia polaryzacji siatki, tak aby chwilowa wartość nigdy nie była większa od zera. To właśnie jest przyczyną mniejszej sprawności wzmacniaczy na triodach. Pomimo to triody są chętnie stosowane we wzmacniaczach wysokiej jakości, ze względu na swoje zalety - mniejszy niż dla pentod współczynnik zniekształceń i małą oporność wyjściową, ułatwiającą zbudowanie dobrej jakości tranformatora wyjściowego.

Schemat wzmacniacza przeciwsobnego w klasie B i AB

Schemat wzmacniacza przeciwsobnego w klasie B i AB

Wzmacniacze w klasie B i AB muszą być budowane jako przeciwsobne, z wykorzystaniem dwóch lamp. Ponieważ w tych klasach pracy prąd w lampie nie płynie przez cały okres sygnału musi być on sumowany w transformatorze wyjściowym z prądów dwóch różnych lamp pracujących z różnymi połówkami sygnału. Uproszczony układ pokazany jest na rysunku po lewej stronie. Zawiera on istotne zmiany w stosunku do jednolampowego wzmacniacza w klasie A. Zawiera on dwie identyczne lampy mocy, inny transformator wyjściowy, inaczej jest sterowany i inaczej polaryzowany. Aby sygnał w głośniku zawierał obie połówki, podczas gdy każda lampa wzmacnia tylko jedną zastosowano inny transformator. Uzwojenie pierwotne posiada tu odczep po połowie ilości zwojów, napięcie zasilające podłączne jest do odczepu, a anody lamp do obu końców. Ponieważ prady obu lamp płyną w uzwojeniach w przeciwne strony to i strumienie magnetyczne wytwarzane przez te uzwojenie skierowane są w przeciwnych kiernkach. Jeżeli górna lampa wzmacnia swoją połówkę sygnału to pojawi się ona na głosniku jako połówka dodatnia. Jeżeli dolna lampa wzmacnia swoją półówkę sygnału to ponieważ jej prąd płynie w transformatorze w przeciwną stronę to pojawi się ona na głośniku jako połówka ujemna - razem na głosniku będą obie połówki sygnału, dodatnia i ujemna.

Ponieważ lampa w klasie B wzmacnia tylko dodatnią połówkę, w czasie ujemnej jest zatkana, a dolna lampa ma pracować właśnie w czasie ujemnej połówki, to musi ona dostać sygnał zamieniony w fazie, tak aby na jej siatce była dodatnia półwka sygnału w czasie trwania ujemnej połówki sygnału na wejściu wzmacniacza. Innymi słowy - obie lampy muszą być sterowane w przeciwfazie, sygnałami przesuniętymi o 180°. Dlatego też ten schemat posiada dwa wejścia, oddzielne dla każdej lampy, i musi być sterowane ze specjalnego stopnia poprzedzającego, nazywanego odwracaczem fazy.

Wróćmy jeszcze na chwilę do transformatora wyjściowego. Ponieważ w uzwojeniu wtórnym górna lampa jest widoczna ze znakiem plus a dolna ze znakiem minus, to oznacz to że jak w obu lampach płynie prąd w tą samą stronę to jego wpływ znosi się w transformatorze wyjściowym. A tak się okazuje, że jest w praktyce jedna składowa pradu anod lamp która jest skierowana w obu lampach w tą samą stronę i o takiej samej wartości - tętnienia napięcia zasilania. Rzeczywiście, w praktyce wzmacniacze w układzie przeciwsobnym są duzo odporniejsze na źle odfiltrowane napięcie zasilające niż jednolampowe wzmacniacze w klasie A. Analogicznie zachowuje się składowa stała pradu anod lamp - każda lampa podmagnesowuje rdzeń w przeciwną stronę, podmagnesowania generowane przez obie lampy się znoszą i w efekcie rdzeń nie jest podmagnesowany prądem stałym. Przez to nie musi posiadać szczeliny powietrznej, może mieć mniejszy rdzeń i mniej zwojów niż transformator analogicznej mocy do wzmacniacza jednolampowego w klasie A. Ponadto w taki sam sposób znoszą się wszystkie parzyste harmoniczne sygnału, dzięki czemu wzmacniacze przeciwsobne (niezaleznie od klasy pracy) mają mniejsze zniekształcnia. Te dwie zalety są na tyle istotne, że konstruowane są również wzmacniacze przeciwsobne w klasie A.

Lampa pracująca w klasie B wzmacnia tylko jedną połówkę sygnału, więc musi być spolaryzowana tak, aby bez sygnału nie płynął przez nią prąd, ale już mimalnie większe napięcie na siatce (początek dodatniej połówki) powodowało przepływ prądu, czyli powinna być spolaryzowana w pukcie odcięcia na charakterystyce siatkowej. Oznacza to, że bez sygnału prąd w lampie nie płynie, pojawia się tylko przy wysterowaniu. Prąd w lampie płynie tylko w jedą stronę, od anody do katody, więc polaryzacja automatyczna opornikiem katodowym jest w tym układzie niemożliwa, gdyż aby lampę zatkać potrzebne jest spore napięcie ujemne, a brak sygnału to brak prądu katody czyli i brak napięcia na oporniku katodowym. Ponadto ponieważ prąd katody jest zależny od wysterowania to polaryzacja zmieniałaby się wraz z wysterowaniem, co jest niedopuszczalne. Dlatego we wzmacniaczach w klasie B i AB stosuje się polaryzację siatek lamp mocy za pomocą doatkowego źródła napięcia ujemnego, oznaczonego na schemacie jako -Us. Dodatkową zaletą wzmacniacza w klasie B jest fakt, że oprócz wyższej teoretycznej sprawności (maksymalnie 67%) moc pobierana ze źródła zasilania jest zmienna, zależna od wysterowania, co jest bardzo cenne zwłaszcza w układach bateryjnych, dlatego tam układy przeciwsobne w klasie B były stosowane najczęściej, produkowano nawet specjalne lampy do tego typu układów, jak np. KDD1 czy DDD11.

Układ w klasie AB jest identyczny z układem w klasie B, jedyna różnica to punkt pracy lamp. Nie są one spolaryzowane w punckie odcięcia, ale tak, aby płynął przez nie w spoczynku pewien prąd, mniejszy jednak niż dla klasy A. Dzięki temu lampy pracują w korzystniejszych punktach charakterystyk, przy mniejszych zniekształceniach, bo charakterystyki lamp w okolicy punktu odcięcia są mocno nieliniowe. Jak wspomniałem przed chwilą w układzie pzeciwsobnym mogą pracować również wzmacniacze w klasie A, układ jest wtedy taki sam, można tylko stosowac polaryzację automatyczną opornikiem katodowym, bo w klasie A, niezależnie od układu pracy średni prąd katody jest stały i niezalezny od wysterowania

Podsumowując te rozważania - wzmacniacze jednolampowe w klasie A (określane angielskim skrótem SE, od "Single Ended") mają małą sprawność, zwłaszcza dla małych sygnałów, ale są bardzo proste w budowie, nie wymagają specjalnego układu sterującegoi są tanie w budowie. Wzmacniacze w klasie B posiadają dużo lepszą spawność, do tego pobór mocy z zasilacza rośnie wraz z wysterowaniem, co jest korzystne w układach bateryjnych, jednak są bardziej skomlikowane w konstrukcji i wymagają dodatkowego zasilacza napięcia ujemnego siatek. Zaletą układów przeciwsobnych (w klasie A, AB i B) jest mniejszy dla tej samej mocy transformator głosnikowy, mniejsze zniekształcenia i lepsza odporność na tętnienia zasilania. Wadą układów przeciwsobnych jest większa komplikacja układu sterującego, ktory trzeba rozbudować o odwracacz fazy, bardziej skomplikowana konstrukcja transformatora głosnikowego oraz konieczność zachowania symetrii układu, co oznacza dokładne dobranie obu lamp, aby miały jak najbardziej zbliżone do siebie charakterystyki.

Powrót