K.W., "Prosty lampowy wzmacniacz sieciowy"
Radioamator i Krótkofalowiec 3/1965

     Samodzielne zestawienie prostego lampowego wzmacniacza sieciowego nie jest trudne. Do tego celu powinien wystarczyć zasób informacji dotychczas podanych w naszym "Kąciku". Dlatego poniższe omówienie tego przedsięwzięcia należy traktować nie tylko jako przykład konstrukcyjny, lecz przede wszystkim jako pewne podsumowanie i praktyczne wykorzystanie dotychczas nabytych wiadomości.
     Przede wszystkim sprecyzujemy dokładnie założenia naszego wzmacniacza. Pragniemy samodzielnie zestawić schemat ideowy wzmacniacza zasilanego z sieci oświetleniowej. Wzmacniacz powinien być wykonany z elementów fabrycznych, łatwo osiągalnych na rynku i ma służyć do współpracy z gramofonem elektrycznym. Moc wyjściowa wzmacniacza powinna być wystarczająca do nagłośnienia przeciętnego pomieszczenia mieszkalnego. Oczywiście zależy nam na aparaturze dobrej jakości, lecz bez jakiejkolwiek przesady w tym kierunku.
     Na podstawie powyższych ustaleń możemy już podać zasadnicze dane techniczne poszukiwanego układu:

  • moc wyjściowa około 1÷2W
  • czułość wzmacniacza około 0,1V
  • pasmo przenoszenia: 100÷10000Hz.

     Pierwsze dwie pozycje nie wymagają dodatkowego omówienia. Na te tematy pisaliśmy obszernie w numerze 2/65. Wyjaśnimy natomiast krótko, od czego między innymi jest zależna szerokość pasma częstotliwości przenoszonego przez wzmacniacz. O szerokości pasma decyduje przede wszystkim transformator wyjściowy. Powoduje on spadek wzmocnienia na niskich częstotliwościach wskutek ograniczonej indukcyjności uzwojenia pierwotnego oraz, podobnie - na wysokich częstotliwościach przede wszystkim wskutek zawsze istniejących pojemności własnych. Z tego też powodu w aparaturze wysokiej klasy stosowane są transformatory wyjściowe w specjalnym, bardzo starannym i przemyślanym wykonaniu. Również radioamatorzy zestawiając wzmacniacze lepszej jakości samodzielnie nawijają specjalne transformatory wyjściowe (przeważnie dla układu przeciwsobnego z dwiema lampami głośnikowymi) o sekcjonowanych uzwojeniach (patrz "Radioamator" nr 7 i 8/64 r.). W samym układzie elektrycznym wzmacniacza natomiast pasmo przenoszonych częstotliwości jest ograniczone od dołu przez pojemności sprzęgające poszczególne stopnie aparatury. Problem ten posiada zasadnicze znaczenie, dlatego też warto jest zaznajomić się z nim nieco bliżej.
     Na rys.1a przedstawiony jest fragment schematu wzmacniacza. Napięcia zmienne uzyskiwane na oporności roboczej RA lampy V1 są podawane poprzez kondensator sprzęgający Cs do siatki sterującej lampy V2. Siatka ta jest połączona z "masą" opornikiem Rs, zwanym często opornikiem upływowym siatki. W tej sytuacji pełne napięcie zmienne uzyskiwane na oporniku RA jest przyłożone do szeregowego układu składającego się z kondensatora Cs i opornika Rs i - jak łatwo zauważyć (rys.1b), napięcie to odpowiednio rozkłada się na obydwu elementach. Na oporniku Rs istnieje wobec tego jedynie część napięcia zmiennego uzyskiwanego z poprzedniego stopnia. Dla częstotliwości wysokich oporności jaką przedstawia kondensator Cs jest niewielka, toteż spadek napięcia na nim przy tych częstotliwościach nie jest duży i do siatki sterującej dochodzi praktycznie pełne napięcie. Natomiast dla częstotliwości niskich sytuacja pogarsza się coraz bardziej. Wystarczy przypomnieć sobie wzór na oporność pozorną kondensatora:

     Ze wzoru tego można wyliczyć, że kondensator sprzęgający Cs o typowej wartości 10000pF przedstawia dla napięć o częstotliwości 50Hz oporność około 0,3M, natomiast dla napięć o częstotliwości 25Hz - ok. 0,6M, a więc mniej więcej tyle, co typowa wartość opornika siatkowego Rs (0,3÷0,7M). Sytuację w pewnym stopniu poprawia fakt, że napięcia na kondensatorze i oporniku są względem siebie przesunięte w fazie i dlatego na oporniku Rs występuje zawsze napięcie większe niż to wynika ze zwykłego rachunku (gdyby wspomniane przysunięcie fazy nie miało miejsca, dla częstotliwości, przy której Xc=Rs - spadek napięcia wynosiłby 50% (połowa napięcia odkłada się na kondensatorze, a połowa na oporniku); w rzeczywistości jednak napięcie na oporniku jest większe (w danym przypadku o pierwiastek z 2 czyli około 1,41 ), ponieważ napięcia na omawianych elementach dodają i odejmują się geometrycznie - przyp. autora), tym niemniej jednak podane przykładowo cyfry wyjaśniają istotę powstawania spadku wzmocnienia układu dla niskich częstotliwości.


Rys. 1. Fragment wzmacniacza oporowo-pojemnościowego
a - schemat ideowy, b - rozkład napięcia zmiennego pomiędzy elementy RC

     O zjawisku tym warto pamiętać, gdyś jest to jedna z zasadniczych cech układu wzmacniającego, zestawionego z elementów RC (tj. oporności i kondensatorów). Dla porównania podamy, że ten sam kondensator dla napięć o częstotliwości f = 10000Hz przedstawia oporność zaledwie około 1,5K.
     Dla częstotliwości wysokich natomiast występujące zmniejszenie wzmocnienia układu jest powodowane przez szkodliwe pojemności, przede wszystkim montażu. Tym niemniej wszystkie omówione wyżej przyczyny ograniczenia pasma przenoszonego przez wzmacniacz są stosunkowo łagodne, występują stopniowo, dlatego też zmontowanie wzmacniacza przenoszącego nawet bardzo szerokie pasmo częstotliwości (np. 30÷30000Hz) ze stosunkowo niewielkim spadkiem wzmocnienia na krańcach zakresu bynajmniej nie jest trudne. Zasadnicze ograniczenie odtwarzanej audycji następuje dopiero w głośniku i to w sposób zdecydowanie radykalny.
     Na rys.2 jest przykładowo pokazana charakterystyka głośnika (typu GD18-13/2), stosowanego w wielu popularnych radioodbiornikach. Jak widzimy, głośnik ten zdecydowanie "odmawia posłuszeństwa" na częstotliwościach niskich i wysokich, i przenosi pasmo od około 100 do około 8000÷9000Hz. W tej sytuacji jakieś specjalne wysiłki w kierunku poszerzania pasma częstotliwości przenoszonych przez wzmacniacz są zupełnie bezcelowe.


Rys.2. Charakterystyka przenoszenia głośnika typu GD 18-13/2

     Po tym wstępnym naświetleniu problemu jakości wzmacniacza, możemy przystąpić do opracowania jego układu elektrycznego. Zagadnienie podstawowe, to wybór lamp. Nie jest on trudny, ponieważ ze stosowanych obecnie lamp głośnikowych (seria E - lampy przystosowane do żarzenia napięciem o wartości 6,3V z transformatora sieciowego) mogą być brane pod uwagę jedynie dwa typy: EL84 i ECL82. Pierwsza z nich jest "klasyczną" przedstawicielką lamp głośnikowych od kilku lat - i prawdopodobnie utrzyma tę pozycję jeszcze długo, dlatego też nasz wybór pada właśnie na nią. Druga lampa, typu ECL82 jest lampą podwójną (pentoda głośnikowa z triodą wzmacniającą) toteż wzmacniacz z tą lampą, aczkolwiek nieco prostszy w konstrukcji, nie byłby typowy. Poniżej podajemy zasadnicze dane katalogowe lampy EL84:

  • Napięcie żarzenia: 6,3V
  • Prąd żarzenia: 0,76A
  • Napięcie anodowe: 250V
  • Napięcie siatki ekranującej: 250V
  • Ujemne przednapięcie siatki: -7,5V
  • Prąd anodowy: 48mA
  • Prąd siatki ekranującej: 5,5mA
  • Moc wyjściowa: 5,5W
  • Oporność robocza: 5,2K
  • Maksymalna stratność anody: 12W

     Jak widzimy, lampa typu EL84 pracując na granicy swej wytrzymałości, może dostarczyć dość znacznej mocy wyjściowej - około 5W. Ponieważ dla naszych celów wystarczy moc mniejsza, możemy spokojnie ograniczyć nieco napięcie siatki ekranującej, co poprzez zmniejszenie prądu anodowego lampy (a więc i strat mocy na anodzie lampy) zapewni spokojną pracę układu. W celu ustalenia wartości poszczególnych elementów układu wykreślamy schemat ideowy naszego stopnia wyjściowego (rys. 3).


Rys.3. Schemat ideowy stopnia wyjściowego

     Transformator głośnikowy zastosujemy oczywiście fabryczny, unikając w ten sposób wielu kłopotów. Może to być transformator od dowolnego odbiornika produkcji krajowej z lampą EL84, a więc np. "Bolero", "Tatry", "Aida", "Ramona", "Koncert", "Karioka" itd.
     Na rys.4 przedstawiony jest wygląd zewnętrzny takiego transformatora (z odbiornika "Bolero"), przy czym numery poszczególnych jego końcówek są powtórzone na schemacie ideowym (część końcówek pozostaje niewykorzystana). Transformator głośnikowy można również wykonać samodzielnie wg następujących danych:

  • przekrój środkowej kolumny rdzenia: około 4cm2,
  • uzwojenie pierwotne: około 3000 zwojów drutu średnicy 0,15÷0,20mm,
  • uzwojenie wtórne: około 90 zwojów drutu średnicy 0,5÷0,8mm.


Rys.4. Wygląd zewnętrzny transformatora wyjściowego typu "Bolero". Numery wykorzystywanych końcówek są powtórzone na schemacie ideowym wzmacniacza

     Anodę lampy zasilamy poprzez transformator napięciem o wartości około 250V. Do siatki ekranującej lampy doprowadzamy napięcie około 200V. Typowa wartość opornika upływowego Rs, siatki sterującej zawiera się w granicach 0,5÷0,8M. Pozostają do ustalenia wartości elementów w obwodzie katody lampy. Przypomnijmy sobie przede wszystkim jakie jest ich zadanie. Przez opornik katodowy płynie całkowity prąd lampy, a więc suma prądu anodowego i siatki ekranującej. W tej sytuacji na oporniku tym powstaje pewne napięcie, które może być wyliczone za pomocą znanego wzoru:

U = I . R [V]

     Zwróćmy jednak uwagę na polaryzację tego napięcia. Jeśli punkt połączenia z "masą" (pozioma gruba kreska) przyjmiemy jako zero naszego układu, jaki potencjał będzie istniał na drugiej końcówce opornika: dodatni, czy ujemny? Wystarczy jeden rzut oka na schemat, aby stwierdzić, że będzie to potencjał dodatni, ponieważ dodatnie napięcie (+250V) rozkłada się na połączone szeregowo: oporność omową pierwotnego uzwojenia transformatora głośnikowego, oporność jaką dla prądu stałego przedstawia lampa i opornik włączony w obwód katody. Wynika stąd, że katoda naszej lampy ma potencjał nieco wyższy od "poziomu zerowego" - masy układu. W ten sposób jest zapewniona wymagana różnica potencjałów pomiędzy siatką sterującą lampy i katodą. Siatka sterująca bowiem jest przyłączona do masy przez opornik Rs, a więc posiada - w stosunku do katody - niewielki potencjał ujemny.
     Jak podają dane katalogowe lampy, różnica potencjałów pomiędzy katodą i siatką lampy powinna wynosić około 7V. Suma prądu anodowego i siatki ekranującej wynosi:

  • prąd siatki ekranującej: 5,5mA
  • prąd anodowy: 48mA
  • razem: 53,5mA

     Z danych tych możemy znaleźć właściwą wartość opornika katodowego Rk korzystając z zależności

     Jest to minimalna wartość oporności, której nie należy przekraczać ze względu na przeciążenie lampy. Istotnie, łatwo możemy sprawdzić, że przy napięciu anodowym 250V i prądzie anodowym 48mA wydzielana na anodzie lampy moc strat wyniesie:

P = U . I = 250V . 48mA = 12W

     Stosowanie opornika o mniejszej wartości byłoby dla lampy niebezpieczne, dlatego też zastosujemy opornik nieco większy, np. 150omów, co wraz z niewielkim obniżeniem napięcia siatki ekranującej zapewni spokojną pracę układu, z mocą strat na anodzie mniejszą od maksymalnej dla lampy danego typu. O oporniku katodowym będzie jeszcze mowa w dalszej części opisu.
     Ostatni element naszego układu to kondensator katodowy Ck. Jego obecność w układzie jest konieczna i ma na celu połączenie - dla przebiegów zmiennych - katody z masą układu. Bez tego kondensatora układ co prawda działałby również, lecz jego praca byłaby całkiem niepotrzebnie zakłócana napięciami zmiennymi o częstotliwościach akustycznych, występującymi na oporniku katodowym (na nieblokowanym pojemnością oporniku katodowym Rk występuje ujemne sprzężenie zwrotne, zmniejszające wzmocnienie układu - przyp. autora). Jaka powinna być pojemność tego kondensatora?
     Odpowiedź jest stosunkowo prosta: taka, aby skutecznie bocznikował on opornik katodowy lampy dla najniższych częstotliwości przenoszonych przez wzmacniacz. Wzmacniacz nasz ma przenosić częstotliwości od około 100Hz, a więc już dla tej częstotliwości kondensator powinien przedstawiać oporność bardzo małą w porównaniu z opornikiem katodowym. Praktyka wskazuje, że wystarczy, aby oporność tego kondensatora była dla tej częstotliwości 10÷20 razy mniejsza od oporności opornika. Tak więc nasz kondensator powinien przedstawiać dla napięć o częstotliwości 100Hz oporność około 10omów. Na tej podstawie możemy wyliczyć jego pojemność, korzystając z zależności:

a więc po przekształceniu:

Podstawiając ustalone wartości otrzymujemy:

     Z całym spokojem możemy przyjąć kondensator o pojemności 100µF, a w przypadku trudności z jego zdobyciem nawet tylko 50µF. W praktyce bowiem nie stwierdzimy "uchem" różnicy w działaniu wzmacniacza przy zmianie pojemności omawianego kondensatora w granicach 20÷200µF. Tym niemniej przeprowadzone obliczenie wyznacza orientacyjnie wartość tej pojemności, a przede wszystkim umożliwia samodzielne rozwiązanie kłopotów wynikających ze skompletowaniem właściwych elementów wzmacniacza.
     W ten sposób znaleźliśmy wartości elementów stopnia końcowego naszego wzmacniacza. Dodatkowo omówimy nader istotny problem samodzielnego ustalenia dalszych danych elementów: mocy obciążenia oporników i napięcia roboczego kondensatora. Z opornikiem siatkowym 0,68M sprawa jest nader prosta: prąd stały przez ten opornik nie płynie, a więc może on być zupełnie dostosowany do małej mocy - 0,1W. Opornik w obwodzie katody jest natomiast obciążony: płynie przez niego prąd lampy, w sumie około 50mA. Ponieważ jednocześnie odkłada się na tym oporniku napięcie około 7V, moc wydzielona na oporniku wynosi:

P = U . I = 7V . 5 mA = 7 V . 0,05 A = 0,35 W

Należy więc zastosować opornik o mocy strat 0,5 lub 1W.
     Napięcie robocze kondensatora elektrolitycznego pracującego w obwodzie katody powinno wynosić co najmniej 8V. Najlepiej jest zastosować kondensator przystosowany do pracy pod napięciem 12V, a więc np. 100µF, 12/15V.
     Ustalenie schematu i danych elementów stopnia końcowego wzmacniacza to pierwszy etap pracy. Obecnie wykreślamy schemat ideowy stopnia wstępnego naszego wzmacniacza (rys.5). Zastosujemy w nim popularną pentodę typu EF80. Wartości elementów zastosowanych w układzie są typowe i mogą być stosowane bez żadnych zmian z pentodą dowolnego typu. Dlatego też ograniczymy się tylko do wyjaśnienia funkcji spełnianych przez poszczególne elementy.


Rys.5. Schemat ideowy stopnia wstępnego wzmacniacza

     Opornik upływowy siatki posiada bardzo dużą wartość - w granicach 5÷10M. Dzięki temu siatka sterująca lampy uzyskuje niewielkie ujemne "przednapięcie" rzędu 0,5÷1,0V. Bliższe wyjaśnienie mechanizmu powstawania tego przednapięcia wykracza poza ramy naszego "Kącika", tym niemniej właśnie ten sposób uzyskiwania przednapięcia siatki sterującej zyskał sobie - przede wszystkim z uwagi na swą prostotę - bardzo dużą popularność. Zwracamy jednocześnie uwagę, że sposób ten może być stosowany jedynie w stopniach wzmocnienia napięciowego (z triodą lub pentodą). W stopniach mocy obowiązuje układ "klasycznego" uzyskiwania przednapięcia siatki sterującej, np. za pomocą opornika w obwodzie katody.
     Opornik Ra - 220K jest opornością roboczą lampy. Powstające na nim napięcia zmienne podajemy do siatki sterującej stopnia końcowego poprzez kondensator sprzęgający Cs o pojemności 20000pF. Siatka ekranująca lampy jest zasilana poprzez opornik 820K. Siatka ta jest dla przebiegów zmiennych połączona z katodą lampy poprzez kondensator blokujący o pojemności 50000pF.
     A teraz rozpatrzymy dodatkowe dane elementów, to znaczy mocne obciążenia oporników i wymagane napięcia pracy kondensatorów występujących w omawianym fragmencie schematu. Opornik siatkowy może być oczywiście zupełnie małej mocy, bowiem praktycznie nie płynie przez niego prąd. A więc zastosujemy opornik o obciążalności 0,1W, co jest korzystne również z innych względów (opornik o mocy strat 0,1W posiada bardzo małe wymiary, dlatego też "zbiera" on jedynie niewielkie napięcia zakłócające (tzw. przydźwięk). Stosując opornik siatkowy większych rozmiarów może zachodzić konieczność jego ekranowania - przyp. autora.). Przez opornik anodowy i opornik siatki ekranującej płyną pewne prądy. Nie znając wartości tych prądów możemy dokonać jedynie przybliżonego obliczenia mocy traconej w opornikach. Zakładamy mianowicie, że do oporników tych przyłożone jest pełne napięcie zasilające - 200V. Nie popełnimy przy tym zbyt dużego błędu, ponieważ w układzie tego typu napięcie na siatce ekranującej wynosi zaledwie około 20V, a na anodzie lampy - około 50V. Znajdujemy więc prąd płynący poprzez opornik siatki ekranującej:

Stąd moc tracona w oporniku:

P = U . I = 200 V . 0,25 mA = 200 V . 0,00025 A = 50 mW

Analogicznie znajdujemy prąd płynący poprzez opornik anodowy Ra 220K:

Stąd moc tracona w oporniku:

P = U . I = 200 V . 1 mA = 200 . 0,001 = 200 mW

     Oczywiście, w rzeczywistości moc tracona w obu opornikach będzie mniejsza od wyliczonej. Tym niemniej, dla pewności stosujemy oporniki o mocy strat 0,25W.
     Pozostały nam jeszcze dane kondensatorów. Występują na nich niewielkie napięcia rzędu kilkudziesięciu woltów. Oczywiście "dla pewności" zastosujemy typowe kondensatory przystosowane do pracy pod napięciem 250V. W zasadzie mogą to być kondensatory dowolnego typu, lecz polecamy pewne w pracy i odznaczające się dobrą jakością (bardzo duża oporność izolacji) kondensatory styrofleksowe.
     Obecnie możemy zestawić razem oba stopnie naszego wzmacniacza w sposób pokazany na rys.6.


Rys.6. Pełny schemat ideowy wzmacniacza (schemat z rys. 3 i 5) wraz z elementami dodatkowymi pokazanymi linią przerywaną

     Widzimy tam ponadto, przedstawione liniami przerywanymi, dodatkowe elementy konieczne dla poprawnej pracy układu:

  • potencjometr Ps regulujący siłę głosu wzmacniacza. Zastosujemy w tym miejscu "klasyczną" wartość w granicach 0,5÷1,0M. Potencjometr ten tzw. logarytmiczny, tzn. o nierównomiernie lecz odpowiednio rozłożonej oporności umożliwia płynną regulację głośności. Potencjometr ten może być wyposażony w wyłącznik sieciowy, co jest normalnie praktykowane w układach tego typu. Kondensator łączący suwak potencjometru z siatką sterującą lampy jest konieczny, bowiem przy jego nieobecności zostałoby zwarte do masy ujemne przednapięcie siatki sterującej, uzyskiwane na dużej oporności opornika upływowego tej siatki. Dane kondensatora: 200000pF/250V;
  • oporniki w obwodach elektrod siatki ekranującej i anody stopnia wstępnego łączymy ze źródłem napięcia stałego poprzez dodatkowy człon filtrujący RfCf w celu uniknięcia mogącego występować charakterystycznego przydźwięku. O celowości jego stosowania można się przekonać doświadczalnie po uruchomieniu wzmacniacza; zwierając na krótko opornik Rf filtru usłyszymy w głośniku wprawdzie niewielki, lecz zupełnie niepotrzebny przydźwięk sieciowy, pochodzący z zasilacza. Typowe wartości takiego układu RfCf są następujące:
    • opornik Rf o oporności w granicach 50÷200komów/0,5W,
    • kondensator Cf o pojemności w granicach 0,1÷1µF/250V.

     W ten sposób opracowaliśmy kompletny schemat ideowy wzmacniacza, a co ważniejsze - samodzielnie i ze zrozumieniem rzeczy ustaliliśmy dane techniczne jego poszczególnych elementów.
     Na zakończenie zestawiamy pełną listę detali potrzebnych do budowy wzmacniacza:

  1. lampa typu EL84 - 1 szt.
  2. lampa typu EF80 - 1 szt.
  3. podstawki lampowe typu "Noval" - 2 szt.
  4. potencjometr logarytmiczny 0,68M (z wył. sieciowym) - 1 szt.
  5. opornik masowy 10M/0,1W - w szt.
  6. opornik masowy 820K/0,25W - 1 szt.
  7. opornik masowy 220K/0,25W - 1 szt.
  8. opornik masowy 100K/0,5W - 1 szt.
  9. opornik masowy 0,68M/0,1W - 1 szt.
  10. opornik masowy 150omów/0,5W - 1 szt.
  11. kondensator styrofleksowy 20000pF/250V - 2 szt.
  12. kondensator styrofleksowy 50000pF/250V - 1 szt.
  13. kondensator blokowy 0,5µF/250V - 1 szt.
  14. kondensator elektrolityczny 100µF 12/15V - 1 szt.
  15. transformator głośnikowy (wg opisu) - 1 szt.

     Ponadto będą nam potrzebne drobne elementy montażowe, jak: gniazdka wejściowe i wyjściowe, podstawa metalowa itd., a także zasilacz sieciowy.
     Schemat ideowy zasilacza dostarczającego napięcia żarzenia dla obu lamp oraz napięć stałych +250 i +200V ustalimy w kolejnym "Kąciku dla początkujących". Tam też zostaną podane wskazówki montażu oraz uruchomienia aparatury, a także omówione zostaną dalsze usprawnienia już działającej aparatury (regulacja barwy tonu, ujemne sprzężenie zwrotne).

K.W.

[informacje praktyczne]

© 2000-2002 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl