Uniwersalny Wzmacniacz ze Sprzężeniem Zwrotnym

ARNOLD J. KAUDER (Principal Engineer, Bendix Aviation Corporation, North Hollywood, California)
AUDIO, January, 1960, VOL. 44, No. 1
Artykuł opisuje prosty wzmacniacz o dobrych parametrach, który powinien wystarczyć do praktycznie każdej instalacji audio, ale jego największą wartością jest „uniwersalna” instrukcja dostrajania dowolnego wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym.
(Uwaga: Zachowano oryginalne oznaczenia jednostek stosowane w czasach, gdy opublikowany został artykuł.)

   Opisany wzmacniacz działał dobrze z pięcioma różnymi transformatorami wyjściowymi, co skłoniło autora do użycia określenia „uniwersalny”. W każdym przypadku wzmacniacz okazał się całkowicie stabilny przy: (a) braku obciążenia, (b) 8-omowym obciążeniu rezystancyjnym, (c) 8-omowym obciążeniu za pomocą rzeczywistego głośnika i (d) z  kondensatorem 0,1 μF dodanym do dowolnego obciążenia opisanego za pomocą powyższych konfiguracji. Zastosowany współczynnik sprzężenia zwrotnego wynosił 20 dB ± 1 dB.

   Niewiele wzmacniaczy typu „Williamson” i innych, które autor miał okazje sprawdzić, było w stanie przejść taki test stabilności. Oddychanie stożka głośnika spowodowane oscylacjami o bardzo niskiej częstotliwości oraz oscylacjami naddźwiękowymi, które można łatwo zaobserwować na oscyloskopie, są zbyt powszechne. Każdy rodzaj oscylacji może wytwarzać ładunki ujemne na okładkach kondensatorów sprzęgających od strony osiatek lamp wyjściowych, powodując zniekształcenia i ograniczoną moc wyjściową. Spotkać można również wzmacniacze warunkowo stabilne, które normalnie nie oscylują, ale są wysoce niestabilne przy ekstremalnych częstotliwościach i oscylują, gdy do zacisków wejściowych podawane są sygnały audio o o dużych szybkościach narastania.

   Z całą pewnością interesujący będzie przedstawiony niżej krótki opis powstania wzmacniacza.

Projekt wzmacniacza

   Autor był przez wiele lat fanem Hi-Fi i nadal nie wstydzi się doceniania możliwości wzmacniacza triodowego 2A3 pracującego w przeciwsobnej klasie A (moc wyjściowa 7 watów), który wciąż ma na wyciągnięcie ręki. Po upływie 10 lat ponowne zainteresowanie wysoką jakością odtwarzania dźwięku zaowocowało badaniem sprzężeń zwrotnych i współczesnymi wzmacniaczami, które zyskały uznanie w literaturze tematu. Autor stwierdził ku swojej irytacji, że nie jest możliwe powielenie opublikowanego obwodu wzmacniacza i zastosowanie innego transformatora wyjściowego oraz bardziej zwartego układu - chyba że przeprowadzi się szeroko zakrojone przeprojektowanie obwodów sprzęgających i sprzężenia zwrotnego.

   Autor przeanalizował problemy związane z projektowaniem wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym i ustalił następujące zasady dotyczące własnego wzmacniacza.

  1. Wzmacniacz powinien mieć jak najmniej stopni, aby osiągnąć wymagany wzmocnienie. Dodatkowe stopnie przyczyniają się do przesunięć fazowych przy niskich i wysokich częstotliwościach, co zmniejsza stabilność wzmacniacza.
  2. Należy zastosować możliwie najprostszy układ obwodów elektrycznych. Dodatkowe elementy, które nie są konieczne, po prostu zwiększają koszty, komplikują układ i zwiększają ryzyko awarii.
  3. Stopień wyjściowy powinien być spolaryzowany dla pracy w klasie A. Na ogół projektanci nie zdają sobie sprawy, że odcięcie prądu anodowego w lampie wyjściowej pracującej w klasie AB może powodować efekt "dzwonienia" i oscylacje, a także inne formy zniekształceń z powodu stromych przebiegów prądu w transformatorze wyjściowym.
  4. Aby osiągnąć maksymalną stabilność, należy zastosować wiele obwodów lokalnego sprzężenia zwrotnego zamiast jednego globalnego od wyjścia do wejścia.
  5. Chociaż autor jest przedstawicielem szkoły, która uważa, że moc wyjściowa 6 watów jest wystarczająca dla zastosowań domowych, należy zastosować moc wyjściową między 15 a 20 watów, aby zapewnić niemal idealną liniowość przy typowym maksymalnym poziomie odsłuchu w domu wynoszącym 5 watów i aby umożliwić rezerwę mocy, aby zrekompensować starzenie się lamp, nieefektywne lub niedopasowane głośniki i inne tego typu czynniki.

Obwody wzmacniacza

   Schemat wzmacniacza pokazano na rys. 1, a jego zasilacz na rys. 2. Składa się on z pentodowego wzmacniacza napięciowego połączonego bezpośrednio z triodowym rozdzielaczem fazy z dzielonym obciążeniem, który jest rezystancyjnie sprzężony z przeciwsobnym wyjściem na pentodach. W rzeczywistości wzmacniacz można traktować jako najprostszy dwustopniowy pentodowy sprzężony rezystancyjnie typ, z dodanym rozdzielaczem fazy w celu przekształcenia stopnia wejściowego w układ przeciwsobny. Ten prosty, projekt układowy nie jest ani zaskakująco nowy, ani nawet oryginalny, ale doskonale spełnia wymagania dotyczące jak najmniejszej liczby stopni i obwodów sprzęgających. Jest to wstępny podejście do uzyskania stabilności we wzmacniaczu ze sprzężeniem zwrotnym. Ostatnie podejście do uzyskania wysokiego poziomu stabilności leży w trzech ścieżkach sprzężenia zwrotnego, które zostaną omówione w kolejnym akapicie.


Rys. 1. Schemat ideowy "uniwersalnego" wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym.


Rys. 2. Zasilacz "uniwersalnego" wzmacniacza.

   Aby spełnić wymagania dotyczące pracy wzmacniacza w klasie A i uzyskania określonej mocy, lampy wyjściowe musiały być lampami mocy wiązki typu 6L6, o ulepszonej konstrukcji, czego przykładem są typy 5881 i 6L6GB. Żadne dostępne triody nie są w stanie zapewnić ani wysokiego wzmocnienia, ani mocy wyjściowej w klasie A, jaką zapewniają tetrody strumieniowe mocy zapewniając jednocześnie skromne wymagania dotyczące zasilania jak i stopnia sterującego. Rezystory stabilizujące o odpowiednich wartościach są stosowane w siatce, siatce ekranowej i obwodach anodowych. Lampy są polaryzowane automatycznie, ponieważ wydaje się, że stałe napięcie polaryzacyjne nie daje żadnej korzyści w przypadku lamp mocy bazujących na tetrodach strumieniowych, podczas gdy polaryzacja automatyczna pozwala na zastosowanie wyższej impedancji w obwodach siatkowych, przy mniejszym obciążeniu stopnia sterującego.

    Stopień wyjściowy przeciwsobny jest sterowany przez rozdzielacz fazy z dzielonym obciążeniem lub katodynę, wykorzystujący miniaturową triodę typu 6C4. Po gruntownych badaniach rozdzielaczy faz, ten typ jest uważany przez autora za lepszy od wszystkich innych, w tym inwertera ze sprzężeniem katodowym - właściwie jedynego innego typu uznanego za warty rozważenia. Dużo mówi się o asymetrii katodynowego inwertera fazowego przy wysokich częstotliwościach, ale po odwołaniu się do dostępnej literatury autor uważa, że jest to dużo gadaniny nieopartej na odpowiednimi badaniami.

   Równoważna impedancja źródła każdego kanału wyjściowego wynosi1:

(1)

Podstawiając wartość 56 000 omów za RL, 10 000 omów za rp i 19,5 jako parametr zastosowanej w tym wzmacniaczu lampy 6C4 otrzymujemy:

 

Pojemności wyjściowe Co dla każdego kanału wynoszą odpowiednio1:

Obwód anodowy:

(2)

Obwód katodowy:

(3)

gdzie:

  • A - wzmocnienie kanału w przybliżeniu równe 0.9
  • Cpk - pojemność anoda-katoda lampy
  • Cgp - pojemność siatka-anoda lampy
  • Cgk - grid-to-cathode tube capacitance
  • Chk = pojemnośćżarzenie-katoda lampy

Dla triody 6C4:

  • Cpk = 1.3 μμF
  • Cgp = 1.6 μμF
  • Cgk = 1.8 μμF
  • Chk = 2.5 μμF

Podstawiając te wartości do równań (2) i (3) otrzymujemy:

Obwód anodowy:

 

Obwód katodowy:

 

Jeśli te pojemności wyjściowe zostaną dodane do wartości 10 μμf dla okablowania i 10 μμf dla pojemności wejściowej lamp wyjściowych, całkowita pojemność bocznikowa dwóch kanałów wyniesie odpowiednio 25,96 μμf i 25,28 μμf, co stanowi różnicę 0,68 μμf lub około 1,5 procent Odnosząc się z powrotem do równania (1), wartość równoważnej impedancji źródła Ro wynoszącej 460 omów z pojemnością bocznikującą 30 μμf spowoduje, że sygnał wyjściowy w zakresie 3 db w stosunku do średniej częstotliwości wyjściowej będzie przekraczać 10 mc, znacznie poza zakresem jakiegokolwiek wzmacniacza audio, którego słuchacz wzmacniacza kiedykolwiek sobie życzy posiadać. Wszelkie niewyważenia w zakresie do kilkuset kilocykli uważa się za nieistotne.

   Zastosowany układ katodynowy powoduje niewielkie przesunięcie fazowe, sam jest praktycznie wolny od zniekształceń, można go łatwo zrównoważyć za pomocą dwóch dopasowanych rezystorów obciążeniowych i z łatwością spełnia wymagania dotyczące 30-woltowego napięcia międzyszczytowego dla dwóch lamp wyjściowych. Rozdzielacz fazy jest bezpośrednio połączony z lampą wzmacniacza wejściowego, miniaturową pentodą typu 6BH6 o wysokim transkonektorze. Projekt pierwszego etapu jest konwencjonalny. Jednak potencjał siatki ekranu jest dobrany tak, aby umożliwić pracę ze stosunkowo niską wartością rezystora polaryzacji w obwodzie katody lampy, aby zmniejszyć impedancję głównej sieci sprzężenia zwrotnego.

   Chociaż uważa się, że w pierwszych dwóch stopniach można zastosować inne lampy triodowe i pentodowe o podobnych właściwościach, wybrano 6BH6 i 6C4, ponieważ mają niskie prądy żarzenia (150 mA), które, jak stwierdzono, minimalizują problemy z przydźwiękiem.

Zagadnienia związane ze stabilnością

   Wysoki stopień stabilności w tym wzmacniaczu został osiągnięty za pomocą trzech ścieżek ujemnego sprzężenia zwrotnego najprostszego typu, jak opisano poniżej :

  1. Pierwszy stopień posiada rezystor katodowy, który stanowi pierwszy tor dostarczający ujemne sprzężenie zwrotne..
  2. Mały regulowany kondensator Cf1 (3-12 μμF) włączony między anodę jednej lampy wyjściowej a katodę lampy wejściowej wzmacniacza zapewnia drugą ścieżkę ujemnego sprzężenia zwrotnego. Ta ścieżka zapewnia znaczne sprzężenie zwrotne przy częstotliwościach naddźwiękowych, eliminując szczyt występujący w tym obszarze, gdy współczynnik sprzężenia zwrotnego jest zwiększany.
  3. Trzeci tor sprzężenia zwrotnego zapewnia dzielnik napięcia podłączony do transformatora wyjściowego, składający się z rezystora sprzężenia zwrotnego Rf i 680-omowego niezbocznikowanego rezystora katodowego wejściowej lampy wzmacniacza pentodowego.

   Regulowany kondensator Cf2 = (30 - 300 μμf) jest podłączony do rezystora sprzężenia zwrotnego, aby zapewnić kontrolę współczynnika sprzężenia zwrotnego przy wyższych częstotliwościach poniżej wartości szczytowej wyrównanej przez Cf1, omówionej powyżej.

Procedure dostrajania

   Poniższa procedura powinna być zastosowana w celu ustawienia obwodów sprzężenia zwrotnego w celu zapewnienia stabilnej pracy uniwersalnego wzmacniacza.

  1. Z Cf1, Cf2. a główny rezystor sprzężenia zwrotnego Rf, odłączony, przeprowadź krzywą odpowiedzi na wzmacniaczu z rezystorem 4 , 8 lub 16 omów podłączonym do odpowiednich zacisków wyjściowych wzmacniacza. W zależności od jakości transformatora wyjściowego, odpowiedź powinna mieścić się w zakresie od około 3 dB (około 30 procent) odpowiedzi średniotonowej (400 do 1000 cps) do około 10 000 cps lub więcej. Odpowiedni jest każdy oscylator audio obejmujący od 20 do 100 000 cps.
  2. Podłącz rezystor zmienny o wartości 25 000 omów do maksymalnej rezystancji Rf i zanotuj, czy wzmocnienie wzmacniacza maleje. Jeśli wzrasta, zamień miejscami połączenia anody lamp wyjściowych z transformatorem wyjściowym lub odwróć połączenia z uzwojeniem wtórnym transformatora wyjściowego..
  3. Powoli zmniejszaj wartość Rf i szukaj szczytu odpowiedzi wzmacniacza w zakresie wysokich częstotliwości (zwykle znajduje się przy około 40 000 cps lub więcej)..
  4. Podłącz Cf1 i wyreguluj zgodnie z wymaganiami, aby wyeliminować omówione powyżej piki wysokiej częstotliwości.
  5. Kontynuuj zmniejszanie Rf i koryguj Cf2 zgodnie z wymaganiami, aż wzmocnienie wzmacniacza zmniejszy się do jednej dziesiątej wartości bez sprzężenia zwrotnego. Jest to współczynnik sprzężenia zwrotnego równy 20 dB. W przypadku wszystkich transformatorów wyjściowych, z wyjątkiem najwyższej jakości, drugi szczyt odpowiedzi, w zakresie częstotliwości pomiędzy 17 a 30 kc, zwykle staje się oczywisty. Ten pik będzie znacznie szerszy niż pierwszy pik odpowiedzi..
  6. Podłącz Cf2 i wyreguluj zgodnie z wymaganiami, aby wyrównać drugi pik.
  7. Ponownie sprawdź odpowiedź częstotliwościową wzmacniacza i dokonaj niewielkich korekt Cf1 i Cf2, aby wyrównać wszelkie wzrosty krzywej odpowiedzi. Podłącz głośnik w miejsce rezystora obciążenia i powtórz ten krok.
  8. Wzmacniacz może teraz zostać poddany testowi polegającemu na podłączeniu kondensatorów do zacisków wyjściowych. Jeśli wzmacniacz nie jest stabilny z kondensatorem o pojemności co najmniej 0,02 μf na zaciskach wyjściowych, w razie potrzeby należy wykonać dalsze regulacje Cf1 i Cf2. Należy teraz zmierzyć Rf i Cf2 i zastąpić je składnikami o stałej wartości.

   Jeżeli szczyt odpowiedzi niskoczęstotliwościowej wzmacniacza stanie się widoczny podczas regulacji sprzężenia zwrotnego, wartość kondensatora bocznikującego ekran-katoda Csg wejściowego wzmacniacza pentodowego może zostać zmniejszona (w jednym przypadku z 0,5 μf do 0,05 μf) aby wyrównać pasmo przenoszenia niskich częstotliwości.

   Dzięki wysokiej jakości transformatorom osiągnięto współczynniki sprzężenia zwrotnego sięgające 40 dB (zmniejszenie wzmocnienia o 100:1). Jednak wzmacniacz wymaga wtedy sygnału wejściowego 10 V rms dla mocy wyjściowej 15 watów, podczas gdy około 1 wolt wystarcza do pełnego wyjścia z 20 dB sprzężenia zwrotnego. Żadna różnica w jakości odsłuchu nie była zauważalna przy wzroście współczynnika sprzężenia zwrotnego powyżej 20 dB.

   Jeśli jakikolwiek perfekcjonista (więcej mocy) nie akceptuje równowagi katodowego rozdzielacza fazy jako odpowiedniej, może osiągnąć teoretycznie idealną równowagę, dodając mały regulowany kondensator do rezystora obciążenia katody i sprawdzając idealną równowagę w regionie megacykli. Jednak żadne przyrządy testowe nie powinny być podłączane do samego odwracacza katodowego, ponieważ dodana pojemność zafałszuje wyniki testu. Pomiarów wagi należy dokonywać na zaciskach katod.

   Autor wypróbował „ultraliniowe” połączenie lamp wyjściowych, ale nie zauważył żadnej przewagi w działaniu, która zrekompensowałaby zmniejszenie wzmocnienia. Ci, którzy preferują ten sposób pracy lamp wyjściowych, mogą zmienić rezystor polaryzacji na wartość zbliżoną do pracy triodowej lamp wyjściowych i postępować zgodnie z procedurą opisaną w tym artykule..

   Ten wzmacniacz został nazwany „uniwersalnym”, ponieważ uważa się, że jest w stanie zapewnić optymalną wydajność, jaką można uzyskać z dowolnego transformatora wyjściowego o odpowiednich stosunkach impedancji. Nie ma powodu sądzić, że większe i mniejsze lampy mocy niż typ 5881 nie mogą być stosowane z równym powodzeniem. Jednak autor nie patrzy na żaden rodzaj pracy lamp końcowych poza klasą A, chyba że transformator wyjściowy jest jednostką najwyższej klasy, a siatki ekranów lamp wyjściowych są zasilane z zasilacza stabilizowanego.

Uwagi dodatkowe

   Poniższe uwagi są przeznaczone dla przyszłych konstruktorów uniwersalnego wzmacniacz.

  • Uwaga 1: Układ na zaciskach wyjściowych transformatora ma zapewnić zwiększoną stabilność przy wysokich częstotliwościach bez obciążenia. Nie jest to potrzebne przy najlepszych transformatorach wyjściowych.
  • Uwaga 2: Zaleca się, aby wszystkie uziemione przewody były podłączone do wspólnej szyny zbiorczej, która jest odizolowana od obudowy, z wyjątkiem zacisku uziemienia złącza wejściowego.
  • Uwaga 3: Nie zastosowano kontroli balansu biasu dla lamp wyjściowych, ponieważ lampy 6L6GB i 5881 mają podobne parametry.
  • Uwaga 4: Środkowy odczep 100-omowego potencjometru balansu podłączonego przez uzwojenie żarzenia jest uziemiony, ponieważ to połączenie powoduje, że przy uchu znajdującym się w odległości jednego odczepu od głośnika nie słychać przydżwięku. W przypadku innych lamp lub innego układu może być wskazane przywrócenie środkowego zaczepu potencjometru do potencjału dodatniego, który może być zapewniony przez rezystancyjny dzielnik napięcia na wyjściu zasilacza. Potencjały dodatnie do około 55 woltów można zbadać pod kątem minimalnego szumu.
  • Uwaga 5: System głośników wymaga impedancji wyjściowej 8 omów i taka została zapewniona na każdym transformatorze wyjściowym. Wartości 16 lub 4 omów będą wymagały innej wartości rezystora sprzężenia zwrotnego Rf. Impedancja pierwotna powinna wynosić od 5000 do 7000 omów dla lamp typu 5881 i podobnych.

   Pomiary zniekształceń i intermodulacyjnych zostały wykonane, ale nie będą prezentowane w tym artykule. Wystarczy, że wzmacniacz jest zasadniczo wolny od zniekształceń aż do punktu przeciążenia lamp wyjściowych lub transformatora, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej. Charakterystyka częstotliwościowa jest płaska od dolnej granicy częstotliwości transformatora wyjściowego do nieco wyższej niż częstotliwość rezonansowa transformatora wyjściowego, powyżej której odpowiedź spada płynnie z szybkością od 6 do 10 db na oktawę. Częstotliwości rezonansowe zastosowanych transformatorów wahały się od około 38 do 100 kc..


Rys. 3. Widok z góry opisywanego wzmacniacza.


Rys. 4. Widok wzmacniacza od spodu.

   Rys. 3 i 4 przedstawiają widok z góry i z dołu jednej z wersji uniwersalnego wzmacniacza, który zapewnia zasilanie dużej konsoli radiofonograficznej AM-FM, a zatem wykorzystuje dwie lampy prostownicze 5V4G..


Rys. 5. Kolejna realizacja "uniwersalnego" wzmacniacza wykorzystująca prostowniki krzemowe w sekcji zasilającej..

   Rys. 5 przedstawia widok drugiej wersji wzmacniacza uniwersalnego wykorzystującego prostowniki krzemowe w zasilaczu. Taśma maskująca stosowana do ochrony powłoki malarskiej transformatorów podczas budowy została przedstawiona na rys. 5 jako przydatna sugestia pomagająca w malowaniu.


1 "Radiotron Designer's Handbook", H. Langford-Smith, Wydanie 4, pstr 330.