Nazj-.

OSNOVNI PRINCIPI CEVNIH OJAČEVALNIKOV

    Tukaj bom opisal nekaj osnov iz teorije cevnih ojačevalnikov ki bi jih naj vedel vsakdo, ki namerava sestaviti takšen ojačevalnik. Ne bom se spuščal v visoko teorijo, saj moje znanje tudi ni takšno. Napisal bom pač, kar je po tridesetih ali še kaj več letih od takrat ko sem se s tem ubadal, ostalo v moji glavi. Napisano naj bo kot vzpodbuda vsem, ki nameravajo graditi NF cevni ojačevalnik, da si tudi na internetu pogledajo nekaj teorije, saj razumevanje vsega skupaj ni tako težko. Sam sem obnovil znanje z literaturo iz šestdesetih let prejšnjega stoletja (kako je to daleč - v prejšnjem tisočletju), ki jo še vedno imam v svoji knjižnici. Za napake naj mi bo oproščeno, saj teorija nikoli ni bila moja močna stran.

Enotaktni (SE) izhodni ojačevalnik v klasi A

   Pod enotaktni ojačevalnik v klasi A (Single End Class-A; Eintakt-A-Betrieb) razumemo ojačevalnik z eno pentodo. Napetost krmilne mrežice elektronke je izbrana tako, da je njena delovna točka v ravnem delu delovne karakteristike cevi in da doseže v tovarniških podatkih o elektronki podani izmenični napetosti krmilne mrežice (Ug1~) podano nazivno moč  (P) pri 10% popačenju.

    Za največ uporabljane enotaktne ojačevalnike v klasi A se računa prilagoditvena upornost s formulo: Ra = Ua / Ia.

    Poglejmo primer - za EL84 so podatki iz tovarniških tabel:  Ua = 250 V, Ug2 = 250 V, Ia = 48 mA, Ig2 = 5,5 mA, Rk = 135 Ohm, S = 11 mA/V, Ugi~ = 4,3 Veff, P = 5,7 W pri 10% popačenju.

Po zgornji formuli izračunamo: Ra = 250 / 0,048 = 5208 Ohm = 5,2 kOhm

Na splošno velja da ima primarno navitje transformatorja pri 800 hZ pividno upornost ki odgovarja za EL84 izračunanim 5,2 kOhm. Upornost za enosmerni tok je znatno manjša, tako da lahko uporabimo 270 do 300 V anodne napetosti.

Elektronka dela preko katodnega upora z avtomatsko mrežno prednapetostjo Ug1 = (Ia + Ig2) * Rk = (0,048 + 0,005) A * 135 Ohm = -7,22 V.

Naslednji diagram prikazuje v levem delu iz tovarniških podatkov vzeto karakteristiko Ia / Ua elektronke EL84. Rdeče obarvana linija kaže disipacijo moči Pa, ki v nobenem primeru ne sme biti presežena v delovanju ojačevalnika.

Diagram za EL84

    Naklon uporovne linije za Ra ugotavljamo po sledeči formuli: Ua = Ub - Ia * Ra

Po pretvorbi te formule računamo: Ub = Ua + Ia * Ra.

Pri Ua = 0 je torej: Ia = Ub / Ra = 499,6 V / 5200 Ohm = 96 mA

in pri Ia = 0 bo: Ua = Ub = 499,6 V.

Če potegnemo črto med 96 mA in 499,6 V se sekata na delovni točki A, s čim je dokazana točnost naših izračunov.

Desni del diagrama daje ponovno delovne točke prenesene iz Ua / Ia leve linije za EL84.

Kot najvišje dovoljena izmenična mrežna napetost Ug1~ je podano 4,3 Veff ^ 1,41 * 4,3 ~ 6 V.

Okoli točke A pri Ug1 = - 7,22 V lahko torej variira napetost od - 13,22 V do -1.22 V, kar daje anodne spremembe napetosti med 24 V in 475 V in spremembe anodnega toka med 93 mA in 5 mA. To velja za čisto ohmsko upornost potrošnika Ra = 5,2 kOhm. Upornost primarja izhodnega transformatorja je močno odvisna od frekvence; torej njena vrednost se menja s frekvenco, zato je njena karakteristika eliptična in ne linearna (obstoja fazni kot med tokom in napetostjo). Vendar nastanejo v anodnem krogu izhodne elektronke napetosti in tokovi, ki zaradi dodatnih izmeničnih amplitud pri polnem izkrmiljenju dosežejo skoraj dvojno vrednost.

Nazivna moč elektronke (anodna disipacija) Pa se računa kot zmnožek anodnega toka in napetosti:

Pa = Ia * Ua

Za tu obravnavano elektronko EL84 je torej v delovni točki A:

Pa = 0,048 A * 250 V = 12 W

Moč v zvočniku, če zanemarimo izobličenja in izgube v trasformatorju, iz polovice zmnožka anodnega izmeničnega toka Ia ~ / 2 in polovice anodne izmenične napetosti Ua ~ / 2.

Pzv ~ = 1 / 2 . Ia ~ / 2 = Ia~ Ua~ / 8

Tukaj sta Ua ~ in Ia ~ merjena od vrha do vrha (Peak to Peak). Ker so efektivne vrednosti obe za 1,414 krat manjše, je resnična izhodna moč manjša za faktor 2. Na to pozabljajo proizvajalci in prodajalci raznih besnih ojačevalnikov z deklaracijo strahotnih moči (čast izjemam).

Pri EL84 dobimo pri polni izkrmiljenosti:

Pzv = (0.093 - 0,005) A . (475 - 24) V / 8 = 0,008 A . 451 V / 8 = ~ 5 W

Vse izhodne stopnje imajo povratno vezavo, ki zmanjšuje izhodno moč in tudi popačenja. Ampak o tem kdaj drugič in na drugem mestu.

Protitaktni (Push -Pull) izhodni ojačevalnik

    Protitaktni izhodni ojačevalniki niso nikakšna novost. Njihova prednost je v tem da je izkoristek dosti večji pri manjših izobličenjih.Spodnja slika prikazuje tipičen protitakten izhodni ojačevalnik s triodami.

Push -Pull izhodni ojačevalec Nizkofrekvenčna izmenična napetost U ~ prihaja preko vhodnega transformatorja na krmilne mrežice izhodnih triod. Srednji izvod sekundarja vhodnega transformatorja je za izmenični tok vezan na obe katodi. V trenutku naraščanja napetosti na eni mrežici v pozitivni smeri pada na drugi. V anodnem krogu je primarno navitje izhodnega transformatorja, ki ima ravno tako srednji izvod. Preko tega srednjega izvoda napajamo anodi z enosmerno anodno napetostjo. Amplituda v zgornjem delu izhodnega transformatorja narašča ko se amplituda na mrežici menja v negativni smeri. V istem trenutku narašča amplituda na mrežici spodnje elektronke v pozitivni smeri, kar povzroči padanje amplitude na spodnjem delu izhodnega transformatorja. Torej, ko narašča napetost med točkama a - c med točkama b - c pada. Izmenični tokovi v primarju inducirajo napetost v sekundarju in to tako da se seštevajo.
Dinamične linije PP izhodne stopnje s triodama

 

Na tem diagramu sta dinamični liniji obeh elektronk obrnjeni za 180 o in ležita delovni točki A na istem nivoju. Na desni strani diagrama je amplituda na sekundarni strani izhodnega transformatorja. Mrežna izmenična napetost povzroča tudi nastanek harmoničnih izobličenj. Z vijoličasto barvo so prikazana harmonična izobličenja drugega, z rdečo pa tretjega reda. Ker povzročajo izobličenja izmeničnega anodnega toka v glavnem ti dve, so tudi samo onidve narisani. Seštejemo vse te izmenične tokove in dobimo krivuljo na desni strani. Parna hahmonična izobličenja se povzdigujejo, neparna pa seštevajo.
    Zgoraj navedeno se nanaša na izhodne ojačevalnike s triodami, ki so se nerazumno malo gradili. V današnjih časih smo ugotovili nesporne prednosti takšnih vezij in se gradi vedno več izhodnih ojačevalnikov s triodami. Pri pentodnih ojačevalnikih so namreč druge hamonične frekvence močneje prisotne če izberemo formulo za izračun bremena Ra = Ua/Ia . V protitaktnih izhodnih stopnjah s pentodami zato upornost bremena zmanjšamo od vrednosti Ua / Ia. S tem povečamo izkoristek pentode. Tretja in vse nadaljne neparne harmonične frekvence producirajo za čliveško uho neugodne učinke (deluje hladno in popačeno). Te neparne harmonične frekvence niso pri triodnih sistemih tako prisotne, zato deluje zvok toplejše in ugodnejše. Če pogledamo malo po diskusijah na internetu bomo videli da se največ priporočajo izhodne stopnje z AD1 in 300B. Puristi skorajda prepovedujejo uporabo pentod. No to je stvar okusa in možnosti nabave materiala.

Obračalec faze

 

Obračalnik faze

      Namesto dragih in frekvenčno odvisnih vhodnih  transformatorjev se danes skoraj izključno uporablja z elektronko narejen obračalnik faze. Na uporih R2 in R3 sta izmenični komponenti signala obrnjeni za 180o.

Izhodni ojačevalnik v klasi A

   Pri tem ojačevalniku je izbrana prednapetost mrežice tako da skozi celo periodo teče anodni tok.

Prednapetost mrežice je torej izbrana tako da na eni strani ne pade anodni tok do ničle in na drugi strani ne doseže točke ko začne teči mrežni tok.

Izhodni ojačevalnik v klasi B

   Delovno točko ojačevalnika lahko izberemo tudi tako, da je negativna mrežna prednapetost izbrana približno tolika kot je mrežna napetost.

Takšno nastavitev imenujemo B klasa in jo največ uporabljamo pri močnostnih ojačevalnikih. Pri protitaktnih stopnjah bo sinusna napetost na mrežici povzročila pravtako sinusni anodni tok v obeh anodnih polovicah.
 

    Sestavljena krivulja Ia / Ua za obe elektronki v protitaktni izhodni stopnji v klasi B izgleda tako. Pri veliki amplitudi vhodnega izmeničnega signala Ug1 so popačenja anodnega izmeničnega toka Ia1 razmeroma majhna, pri mali amplitudi Ug2 pa so popačenja zaradi ukrivljenosti karakteristične linije elektronk dosti večja.

    Izkoristek takšnega protitaktnega ojačevalnika v klasi B je dosti večji od izkoristka protitaktnega ojačevalnika v klasi A. Protitaktno izhodno stopnjo v moramo pravilno izkrmiliti, drugače nastopijo velika popačenja zaradi ukrivljenosti spodnjega dela delovne krivulje elektronk.

Nastavitev v klasi AB

   V boljših radijskih sprejemnikih so se uporabljale protitaktne izhodne stopnje tako, da je tekel anodni tok izhodnih pentod v celem poteku mrežne izmenične periode in je šele pri večjem signalu na enem delu padel na ničlo.

    Poglejmo tipično nastavitev v klasi AB.
Tukaj teče v trajanju cele periode manjšega vhodnega izmeničnega signala Ug1 anodni tok Ia1, medtem ko je pri večjem izmeničnem signalu Ug2   anodni tok Ia2 povečan. Ta del se razprostre na več kot 180o.
Avtomatska prednapetost mrežic

     Prednapetost mrežic je lahko nastavljena avtomatsko s katodnim uporom. Namesto na levi sliki narisanega skupnega katodnega upora za obe elektronki se lahko uporabijo še razne druge variante. S pazljivim izborom katodnih uporov se da kompenzirati različne karakteristike izhodnih elektronk. Zato se ponavadi uporabljata dva posebna katodna upora v kombinaciji z žičnim trimer potenciometrom.

    Za primerjavo poglejmo ojačevalnik z EL84.
Poglejmo delovne vrednosti elektronke EL84.  Pri dobri nastavitvi delovne točke in brez povratne vezave dobimo iz nje pri enotaktnem ojačevalniku klase A izhodno moč P = 5,7 W pri 10% popačenju, medtem ko v  protitaktnem ojačevalniku klase AB ali B izvlečemo celih 17 W pri samo 4% popačenjih. Ti podatki nam že lahko kaj povedo.

Ultralinearna vezava
    Zgoraj smo že ugotovili dobre lastnosti protitaktnega ojačevalnika v klasi AB (dober izkoristek pri malem popačenju), ki pa ga z dodatno povratno vezavo lahko še izboljšamo. Že dolgo je poznano vezje, ki dela s povratno vezavo med anodo in drugo mrežico, poimenovano ultralinearna vezava. Ta naziv izhaja iz ameriške literature. Vezava omogoča povečanje kvalitete reprodukcije in združuje prednosti triodne in pentodne vezave:
1. manjši (triodni) notranji upor, kar zmanjšuje dušenje zvočnika
2. zadrži pentodi značilno večjo občutljivost (potrebno manjše predojačanje)
3. manjša popačenja in intermodulacije pri malih in velikih signalih
4. dosti velik izkoristek, tako da niso veliki stroški za predojačevalnik.
Ultralinearno vezje z odcepi na primarju     Princip ultralinearnega vezja je:.
del anodnega izmeničnega signala pripeljemo na drugo mrežico izhodne pentode. To lahko storimo z odcepi na primarju izhodnega transformatorja (slika levo), ali pa s posebnim navitjem na istem izhodnem transformatorju (slika desno). Z izbiro odcepa oziroma števila navojev na primarju lahko menjamo med triodnim ali pentodnim načinom dela.		 Ultralinearno vezje s posebnim primarnim navitjem

Dimenzioniranje ultralinearne stopnje

Pri določeni največji moči Pmax lahko določimo najmanjši mogoč faktor popačenja K in najmanjši notranji uporRi ne glede na izkoristek in potrebno izmenično krmiljenje, ali pa pri določeni vrednosti za K in Ri najdemo najbolj gospodarno moč Po. Raziskave v laboratorijih tovarne Valvo so pokazale prednosti ultralinearnega vezja pred ostalimi povratnimi vezji če se držimo razmerja x = Ug2 / Ua = 0,5. Izkoristek se med x = 0 in x = 0,2 skoraj ne menja, notranji upor pade najbolj pri x = 0,2 in tudi krivulja Pmax je do x = 0,2 skorajda ravna. Ker se ne bomo odpovedali uporabi povratne vezave (tudi v predojačevalniku) je priporočljivo držati se x = 0,2 in s tem izgubiti od 10 do 18 % maksimalne moči. Tako skoraj odpadejo mere za preprečevanje samooscilacij ojačevalnika.
Meritve na različnih izhodnih transformatorjih so pokazale da je pri navijanju potrebno zelo paziti na način navijanja. Obe anodni navitji s svojimi odcepi za mrežici morata biti naviti čimbolj simetrično. Pri navadnem izhodnem transformatorju lahko navijemo primar in sekundar enega vrh drugega, pri ultralinearnem vezju pa je priporočljivo navijanje v dveh sekcijah in to tako da je sekundar navit med primarjem. Vse skupaj mora biti čim bolj simetično. Nesimetričnost pripelje do različnih razsipnih induktivnosti in kapacitivnosti; s tem pride pri visokih frekvencah do neenakosti med fazo in amplitudo mrežnih napetosti, tako da se parne harmonične frekvence več ne izničujejo.

Tiskano vezje ali klasična montaža elementov?

    Na to vprašanje je zelo težko odgovoriti. Če si želimo razčistiti pojme se je treba poglobiti v prednosti in slabosti obeh načinov.
Prvo se poglobimo v prednosti tiskanine. V ospredju je reproduktivnost v masovni proizvodnji, nato zmanjšanje stroškov zaradi strojnega sestavljanja v masovni proizvodnji in avtomatsko lotanje v kositrni kopeli. In na koncu pride na vrsto miniaturizacija.
Pri gradnji samo enega primerka odpadejo prve dve prednosti, nasprotno izdelava tiskanine stane več denarja in časa kot  poštena ročna sestava ojačevalnika. O miniaturizaciji ne bom izgubljal besed. Pogled pod "kiklo" klasično sestavljenega ojačevalnika in ojačevalnika na tiskanini se ne moreta primerjati. Poleg vsega tega se lahko pri klasičnem načinu menjuje položaj elementov naknadno, tako da se izognemo raznim brumom in samooscilacijam.Shema... Za izdelavo unikatnih (kako se to lepo sliši) ojačevalnikov je najbolje uporabiti sistem montiranja elementov na izolirane letvice z ušesci, ki pa jih je danes zelo težko nabaviti. Jaz najraje uporabljam perforirano eksperimentalno ploščico, ki ima na drugi strani okrogle priključke. Pri pametnem načrtovanju pridemo tako do manjših podsklopov, ki jih nato nekako pritrdimo (privijemo, prilotamo, prilepimo...) pod šasijo. Tako dobimo tudi kratke vezi do podnožij elektronk. Za izdelavo takšnih podsklopov si je najbolje narisati shemo, označiti elemente in nato prerisat na milimeterski papir razpored kot je na shemi, ali pa direktno natikati elemente v raster ploščico. Pri tem pazimo da so vse hladne (masa, anoda) vezi na nasprotni strani od vročih. Tako se bomo izognili nepotrebno dolgim žicam.

Razpored na ploščiciIzgled montažnega sklopa.

Malce drugače

Tako smo delali nekoč

Tako smo delali nekoč. In tako naj bi izgledalo tudi danes!

Na vrh