Kilka uwag praktycznych dla konstruktorów wzmacniaczy m.cz.

Autor: M.R.
Radioamator i Krótkofalowiec, Rok 15, Październik 1965r., Nr 10

   W poprzednich artykułach opisano układy wzmacniaczy m.cz. od strony teoretycznej. Podano kilka prostych układów wzmacniaczy asymetrycznych i symetrycznych (w układzie przeciwsobnym), nie komentując bliżej sposobu ich montażu, jak również nie omawiając bliżej niepowodzenia jakie może spotkać początkującego konstruktora najprostszego nawet wzmacniacza m.cz.

   Nie sposób omówić wszystkich możliwych do uniknięcia błędów przy konstrukcji wzmacniaczy, utrudniających potem ich uruchomienie, czy też wręcz wykluczających ich prawidłową pracę. Ograniczymy się więc jedynie do omówienia niektórych najczęściej występujących przyczyn niepowodzenia.

   Zakładamy oczywiście, że wybrany schemat układu jest bezbłędny. Nie jest to takie oczywiste, jak się wydaje. Często bowiem występują w schemacie błędy kreślarskie, które trudno wykryć nawet fachowcowi. Zdarzają się również błędy celowe, wprowadzane zwłaszcza w schematach zamieszczanych w prospektach firm zagranicznych. Ma to na celu utrudnienie kopiowania reklamowanych wyrobów danej firmy. Nawet w prawidłowych pod względem układowym schematach spotyka się błędne wartości poszczególnych elementów. Niekiedy niewłaściwie dobrany kondensator lub opornik może całkowicie zmienić parametry układu. Załóżmy jednak, że wybrany prze nas układ jest bezbłędny zarówno pod względem ujęcia schematowego, jak i doboru wartości poszczególnych elementów.

   Przystępując do montażu wzmacniacza należy sprawdzić najpierw zgodność wartości poszczególnych jego części składowych (czyli elementów układu) z podanymi na schemacie wartościami nominalnymi. Nie zawsze podane na elementach wartości zgadzają się z rzeczywistą pojemnością lub opornością, jakie dany element wykazuje.

   Kondensatory stałe wykazują często usterkę polegającą na tym, że ich końcówki nie kontaktują z wewnętrznymi okładkami, bądź też, że kontakt ten nie jest pewny. Usterka taka może spowodować duże trudności przy uruchomieniu wykonanego wzmacniacza. Tym samym rodzajem defektów bywają obciążone i oporniki masowe. Ich końcówki nie zawsze dobrze kontaktują z masą oporową.

   Po mechanicznym zbadaniu elementów należy zbadać je również pod względem elektrycznym; chodzi tu o zgodność ich rzeczywistych parametrów z podanymi na elementach wartościami nominalnymi. Nie zawsze będzie to możliwe (brak odpowiednich do tego celu przyrządów pomiarowych), zresztą niewielkie odchylenia wartości rzeczywistych od wartości nominalnych nie odgrywają zasadniczej roli i nie wpływają w decydujący sposób na funkcjonowanie wzmacniacza.

   Jeżeli po całkowitym ukończeniu montażu wzmacniacz nie wykazuje pełnej sprawności (np. za małe wzmocnienie i zniekształcenie nawet przy małym wysterowaniu), należy szukać przyczyny w niewłaściwym ustaleniu się punktu pracy na charakterystyce jednej lub więcej lamp zastosowanych w układzie. O ile po zbadaniu lamp (pod względem właściwej emisji) okaże się, że nie są one przyczyną złej pracy wzmacniacza, przystępujemy do wykrywania innych możliwych usterek. Przede wszystkim mierzymy napięcia na opornikach katodowych poszczególnych lamp za pomocą woltomierza na prąd stały. Dodatni zacisk woltomierza łączymy z katodą lampy, zaś ujemny - z masą, czyli "chassis" wzmacniacza. Jeżeli mierzone napięcie jest za małe lub równe zeru, oznacza to, że albo przez lampę nie płynie żaden prąd, albo że katoda lampy jest zwarta z masą. Z kolei mierzymy napięcie anodowe lampy, czyli napięcie między jej anodą i masą. Jeżeli napięcie to jest prawidłowe, wówczas brak napięcia katodowego świadczy o zwarciu katody z masą. Odłączamy kondensator blokujący katodę lampy i jeżeli wówczas napięcie katodowe się pojawi, mamy pewność, że defekt tkwi w kondensatorze blokującym opór katodowy.

   Może się zdarzyć, że mierzone napięcie katodowe jest większe od wynikającego z warunków układowych i charakterystyki danej lampy. Przyczyna nadmiernego napięcia katodowego może być znów dwojaka: albo za duży prąd anodowy lampy, albo przerwa w oporniku katodowym. Najczęściej spotykanym defektem objawiającym się zbyt dużym prądem anodowym lampy, a stąd i dużym napięciem na jej oporniku katodowym, jest zbyt duża upływność kondensatora siatkowego, sprzęgającego siatkę badanej lampy z anodą lampy poprzedniego stopnia. Przez oporność upływu kondensatora siatkowego siatka badanej lampy otrzymuje dodatni potencjał powodujący wzrost prądu anodowego lampy i przesunięcie punktu pracy lampy w kierunku dodatnich potencjałów siatki, co oczywiście powoduje zniekształcenia wzmacnianych sygnałów.

   Dla lepszego zrozumienia istoty tego zjawiska spójrzmy na rysunek 1.


Rys. 1. Badanie izolacyjności kondensatora Cs przez zwarcie siatki lampy z masą i obserwowanie napięcia katodowego Uk lub prądu anodowego Ia0

Jeżeli kondensator Cs wykazuje upływność, to wówczas płynie prąd stały od punktu A poprzez kondensator Cs i opornik siatkowy Rs do masy.

Wartość tego prądu zależy oczywiście od oporności upływu kondensatora Cs, którą oznaczmy przez Rc oraz od oporności siatkowej Rs:

 

Prąd Is powoduje na oporności Rs spadek napięcia równy IsRs, który przenosi się na siatkę lampy. Siatka lampy wykazuje więc w stosunku do masy napięcie dodatnie równe:

 

To dodatnie napięcie na siatce lampy może uzyskać dość pokaźne wartości zależnie od stosunku oporności upływu Rc kondensatora Cs do oporności siatkowej Rs i zależnie od napięcia anodowego Ua. Jeżeli stosunek oporności siatkowej Rs do oporności upływu Rc kondensatora siatkowego jest równy, np. 1/100, a napięcie anodowe poprzedniej lampy Ua=100V, wówczas dodatnie napięcie siatkowe Us=100⋅1/100=1V. Wzrost potencjału siatki lampy o 1V spowoduje już wyraźny wzrost jej prądu anodowego. Wynika stąd wniosek, że oporność upływu kondensatora sprzęgającego musi być znacznie większa od 100-krotnej wartości oporności siatkowej lampy. Jeżeli, jak zwykle, oporność siatkowa Rs ma wartość 1MΩ, to wartość oporności upływowej kondensatora sprzęgającego musi być znacznie większa od 100MΩ. Widać stąd, jak wysokie wymagania muszą być stawiane izolacyjności między okładkami kondensatora sprzęgającego.

   Nie wszystkie kondensatory spełniają te wymagania. Aby się przekonać, czy izolacyjność tego kondensatora jest wystarczająca i nie powoduje zbytniego podwyższenia potencjału siatki lampy, przyłączamy woltomierz do zacisków opornika katodowego i obserwujemy napięcie katodowe. Następnie zwieramy siatkę lampy z masą wzmacniacza za pomocą kawałka drutu lub przy użyciu śrubokręta. Jeżeli wartość napięcia katodowego lampy pozostanie wówczas bez zmiany, oznacza to, że izolacyjność kondensatora sprzęgającego jest dobra. Jeżeli natomiast napięcie katodowe zmaleje, oznacza to, że kondensator "przepuszcza" napięcie anodowe z poprzedniej lampy na siatkę lampy badanej. Prawidłowe jest to napięcie katodowe, które mierzymy przy uziemionej siatce lampy. Jeżeli różnice w mierzonym napięciu katodowym przy zwartej i rozwartej siatce lampy nie są zbyt duże (nie przekraczają, np. 10% wartości odczytanego napięcia), to upływność kondensatora sprzęgającego może być jeszcze tolerowana. Przy większych różnicach należy wymienić kondensator sprzęgający na inny, o lepszej izolacyjności. Na rysunku 1 przedstawiono sposób badania wpływu upływności kondensatora na punkt pracy lampy końcowej.

   W przypadku wzmacniacza w układzie przeciwsobnym, przedostatni stopień wykonany jest zwykle jako odwracacz fazy (rysunek 2). Całkowity opór anodowy Ra rozdzielony jest wówczas na dwa oporniki Ra/2: jeden w obwodzie anody, a drugi w obwodzie katody.


Rys. 2. Badanie izolacyjności kondensatora Cs w stopniu odwracającym fazę przez zwarcie opornika siatkowego Rs

   Ujemne napięcie siatkowe uzyskuje się jako spadek na oporniku katodowym Rk. Chcąc sprawdzić wpływ upływności kondensatora Cs, należy zwierać opornik Rs na jego zaciskach, a nie do masy, ponieważ lampa mogłaby otrzymać wtedy duże ujemne napięcie siatki, co zupełnie zmieniłoby jej warunki pracy.

   Dobroć kondensatora sprzęgającego można zbadać w inny sposób, mierząc mianowicie prąd anodowy przepływający przez badaną lampę za pomocą miliamperomierza, włączonego w jej obwód anodowy. W tym przypadku wartość prądu anodowego powinna być niezależna od tego, czy siatkę lampy zwieramy z masą aparatu, czy też nie. Miliamperomierz należy włączać w obwód anodowy zawsze od strony stałego napięcia zasilającego, tak jak pokazano na rysunku 1.

   Obserwacja prądu anodowego lampy jest pożądana nie tylko przy sprawdzaniu dobroci kondensatora sprzęgającego, lecz również przy badaniu prawidłowego doboru warunków pracy lampy. Jeżeli początkowy punkt pracy na charakterystyce roboczej lampy został prawidłowo wybrany, wówczas podczas pracy lampy, a więc i działania wzmacniacza, nawet przy pełnym jego wysterowaniu natężenie prądu anodowego obserwowane na miliamperomierzu prądu stałego nie powinno ulegać wahaniom, co też dowodzi, że sygnał zostaje wzmocniony przez lampę bez zniekształceń nieliniowych. Odnosi się to oczywiście do warunków pracy lampy w klasie A, w jakiej pracują lampy we wzmacniaczach asymetrycznych, a po części również w układach przeciwsobnych, jakkolwiek w tych układach lampy pracować mogą również w klasie B.

   Badanie prawidłowego doboru początkowego punktu pracy lampy najlepiej wykonywać posługując się sygnałem sinusoidalnym z generatora sygnałów akustycznych. Sterując wzmacniacz coraz to większymi amplitudami sygnału (np. o częstotliwości 1000Hz) obserwujemy wartość prądu anodowego płynącego przez lampę. Począwszy od pewnej amplitudy prąd anodowy lampy zacznie się zmniejszać albo też zwiększać. Zmniejszenie się średniej wartości prądu anodowego pod wpływem wzmacnianego sygnału świadczy o tym, że nastąpiło ograniczenie górnej połowy sinusoidalnego przebiegu prądu anodowego (rysunek 3). Świadczyć to może o zbyt dużej początkowej wartości prądu anodowego, a więc wartości prądu spoczynkowego Ia0 lampy, albo o za małej emisji lampy.


Rys. 3. Przy zbyt małym ujemnym napięciu siatkowym Us0 średnia wartość prądu anodowego Iśr maleje z wysterowaniem

Wykluczając drugą ewentualność, w przypadku zmniejszania się prądu anodowego podczas sterowania wzmacniacza napięciem zmiennym, można wnioskować o zbyt dużym prądzie spoczynkowym lampy, a więc o zbyt dalekim przesunięciu jej początkowego punktu pracy na charakterystyce w kierunku prawym, czyli w kierunku dodatnich napięć siatkowych. Jeżeli przyczyną tego jest zła izolacyjność kondensatora sprzęgającego, należy go wymienić na lepszy. Gdy jednak mimo to przy normalnym wysterowaniu wzmacniacza zauważymy spadek prądu anodowego lampy, wówczas należy zwiększyć jej ujemne napięcie siatkowe przez zwiększenie oporności katodowej, co spowoduje zmniejszenie się składowej stałej prądu anodowego, a więc przesunięcie się punktu pracy na charakterystyce siatkowej w kierunku ujemnych napięć siatkowych.

   Inną możliwością bywa zwiększanie się prądu anodowego lampy przy coraz głębszym sterowaniu wzmacniacza; świadczy to o obcinaniu dolnej połówki sinusoidalnego przebiegu prądu anodowego przez zbyt w lewo przesunięty punkt pracy na charakterystyce siatkowej lampy (rysunek 4).


Rys. 4. Przy zbyt dużym ujemnym napięciu siatkowym Us0 średnia wartość prądu anodowego Iśr wzrasta z wysterowaniem

Spoczynkowa wartość prądu lampy Ia0 jest w tym przypadku zbyt mała. Należy ją zwiększyć przez zmniejszenie napięcia katodowego lampy, wymieniając opornik katodowy na inny, o mniejszej wartości.

   Przy prawidłowym doborze początkowych warunków pracy lampy jej prąd anodowy, mierzony przyrządem na prąd stały, nie powinien wykazywać podczas normalnej pracy wzmacniacza żadnych wahań. Każde wahanie średniej wartości prądu anodowego w jednym lub drugim kierunku jest oznaką zniekształceń nieliniowych wzmacnianych sygnałów. We wzmacniaczach profesjonalnych bywa wbudowany na stałe przyrząd wskazówkowy określający średnią wartość prądu anodowego lampy. Podczas normalnej pracy wzmacniacza wskazówka tego przyrządu nie powinna drgać.

   O ile w stopniach oporowych wzmacniaczy nie dokładne dobrane początkowe warunki pracy lampy nie są dla niej niebezpieczne, mogą bowiem wprowadzić jedynie duże zniekształcenia nieliniowe wzmacnianych sygnałów, to w końcowym stopniu wzmacniacza niewłaściwe ujemne napięcie siatkowe lampy może spowodować przekroczenie mocy admisyjnej lampy, a w konsekwencji jej uszkodzenie. Dlatego szczególnie troskliwie należy przeprowadzać wyżej omawiane badania w końcowym stopniu lampowym.

   We wzmacniaczach o wysokiej jakości (Hi-Fi) lampy w układzie przeciwsobnym pracują w klasie A, a więc i w tym przypadku można skontrolować prawidłowość doboru ujemnego napięcia lamp za pomocą miliamperomierza na prąd stały włączonego do ich obwodu anodowego. Pożądane jest oddzielne badanie każdej lampy pracującej w układzie przeciwsobnym. Miliamperomierz włączamy między anodę lampy i końcówkę transformatora wyjściowego (rysunek 5).


Rys. 5. Badanie symetrii statycznej układu przeciwsobnego przez pomiar prądu anodowego obu lamp

Kontrola powinna wykazać równość prądów anodowych płynących przez obie lampy pracujące w układzie przeciwsobnym. W układach tych specjalnie dobiera się parę lamp o możliwie jednakowych parametrach elektrycznych. Zakładając, że wybraliśmy idealnie równe lampy (sprawdzone na przyrządzie do badania lamp) należy zbadać symetrię układu włączając miliamperomierz w obwód anodowy jednej i drugiej lampy. Rzadko kiedy przyrząd będzie pokazywał jednakowe prądy anodowe w obu miejscach. Przyczyną tej asymetrii może być niejednakowa upływność obu kondensatorów sprzęgających, a więc niejednakowe potencjały siatek obu lamp przeciwsobnych. Wspólny opornik katodowy dla obu lamp pogłębia jeszcze tę asymetrię prądową. Wzrost prądu anodowego jednej lampy powoduje automatycznie spadek prądu anodowego w drugiej lampie. Można uniknąć tego wzajemnego oddziaływania na siebie prądów anodowych i zwiększyć stabilizację początkowych warunków pracy lamp włączając oporniki katodowe dla każdej lampy oddzielnie (rysunek 6). Zwiększa to nieco koszt wzmacniacza o jeden kondensator elektrolityczny, ale za to całkowicie uniezależnia od siebie obie lampy końcowego stopnia mocy i ułatwia regulację warunków pracy dla każdej z nich z osobna.


Rys. 6. Schemat układu przeciwsobnego z oddzielnym opornikiem katodowym każdej lampy

   Nierównomierność obu prądów anodowych w układzie przeciwsobnym obciąża transformator wyjściowy składową stałą prądu, co może być przyczyną zniekształceń nieliniowych w transformatorze. Niedobranie równych lamp i różnica w napięciach sterujących obie lampy w układzie przeciwsobnym wpływają zawsze na stratę mocy końcowego stopnia wzmacniacza, należy bowiem pamiętać, że w układzie tym, wbrew pozorom, lampy pracują na opór obciążenia wzmacniacza równolegle, a nie szeregowo, wskutek czego słabiej pracująca lampa staje się obciążeniem dla drugiej lampy. Maleje więc moc maksymalna wzmacniacza, a ponadto występują zniekształcenia nieliniowe. Dlatego też badanie obu lamp na symetrię statyczną i dynamiczną w układzie przeciwsobnym jest rzeczą konieczną, jeżeli układ ten ma spełniać pokładane w nim nadzieje.

Materiał archiwalny udostępnił: Grzegorz Makarewicz 'gsmok'