Co je to ultralineární zapojení ?

Obsah článku

Princip zapojení
Nízké zkreslení
Příčiny špatné stability zapojení
Jak zlepšit stabilitu stupně
Transformátor může být malý
Příklad transformátoru
Poznámky

Princip zapojení

Obr 1. Základní zapojení elektronky se stínicí mřížkou napájenou z odbočky výstupního transformátoru.

V článcích o zesilovačích s věrným přednesem se často vyskytuje termín „ultralineární zapojení“, vztažený zpravidla na dvě koncové elektronky v protitaktním zapojení se stínicími mřížkami, napájenými z odboček výstupního transformátoru. Podotkněme hned na začátku, že toto pojmenování není výstižné a navíc k tomu je chybné, protože žádný zesilovač nemůže být lineárnější než lineární, nikdy ještě něco víc. Nicméně se už tak vžilo, že je pozdě na změnu. Ultralineární zapojení je charakteristické tím, že polohou odbočky pro stínicí mřížku je možno nastavit pracovní režim elektronky buď blízký triodě (malé zkreslení, malý výkon), nebo tetrodě (větší výkon, větší zkreslení), a to plynule.

Nízké zkreslení

Je však zajímavé, že je-li odbočka vhodně umístěna, je charakteristika zesilovače velmi blízká přímce a zkreslení je menší než u tetrody, avšak také menší než u triody (obr. 1, tab. I).

Tabulka I.

Odbočka primáru výstupního transformátoru (měřeno od + konce vinutí)
impedance %	závitů %
0	0
5	22,4
10	31,6
15	38,8
20	44,7
25	50,0
30	54,8
50	70,8
100	100,0

Tuto skutečnost ukazují měření, provedená F. Langford-Smithem a A. R. Chestermanem. Měření bylo provedeno s dvěma KT66 v protitaktu a v každém měřeném bodě byla přizpůsobena zátěž i předpětí pro nejlepší výkon. Tím bylo zajištěno, aby vliv zpětné vazby ve stínicí mřížce nebyl překryt nepříznivými provozními podmínkami. Výsledky jsou vyneseny v obr. 2. Minima zkreslení bylo dosaženo asi na 15 % vinutí, méně výrazného na 20 %. Obě tato minima jsou nižší než zkreslení za optimálních provozních podmínek v triodovém zapojení.

Obr. 2. Změny harmonického zkreslení a max. výkonu s posouváním odbočky pro stínicí mřížku.

Každé snížení zkreslení v koncovém stupni snižuje stupeň celkové zpětné vazby, potřebné pro daný zesilovač a tím zvyšuje mez stability. Hlavní výhodou ultralineáního zapojení je, že dobrého výkonu (co do zkreslení), rovného triodě, se dosahuje při účinnosti, jež se blíží pentodovému zapojení. Dvojčinný stupeň se dvěma elektronkami EL84.

Dvojčinný stupeň se dvěma elektronkami EL84.

Pro daný výkon a dané zkreslení se tedy vystačí s menšími elektronkami a s levnějším napájecím zdrojem než při použití pouhých triod. Na obr. 3 je zapojení dvou EL84, jak je uvádí ve svých insertech firma Mullard. Pokusně bylo zjištěno, že optimální poloha odboček je na 43 % vinutí od střední odbočky. Při tomto zapojení zůstal zachován nominální výkon 10 W, avšak maximální výkon s ohledem na zkreslení klesl ze 14 W na 11 W. Citlivost zůstala stejná - 40 mV, avšak harmonické zkreslení (10 W, 400 Hz) kleslo z.0,3 % na 0,1 % a intermodulační zkreslení při 10 W pro 40 Hz a 10 kHz při poměru amplitud 4 : 1 z 2 % na 1 %. Stínicí mřížka je napájena napětím, jež během zvukového vlnění kolísá. Takto vzniklá negativní nf zpětná vazba snižuje zkreslení, ale i výstupní impedanci (se dvěma EL84 asi 8 kiloohmů).
Transformátor s trojím vinutím a jeho náhradní zapojení pro vysoké kmitočty.

Transformátor s trojím vinutím a jeho náhradní zapojení pro vysoké kmitočty.

Příčiny špatné stability zapojení

Při návrhu výstupního transformátoru pro ultralineární koncový stupeň je nutno mít na zřeteli, že zvláště na vyšších kmitočtech se objevují na kmitočtové křivce špičky, jež mohou vést k trvalým oscilacím. Kmitání může nastat vazbou mezi oběma elektronkami, nebo mohou kmitat jedna nebo obě elektronky nezávisle na sobě. Náhradní zapojení indukčností tohoto transformátoru lze kreslit třemi vinutími, zapojenými do hvězdy. Za předpokladu, že toto zjednodušení platí (obr. 4), vidíme, že je-li L_a1 << L_a2, pak pro vyšší kmitočty je stínicí mřížka E₁ navázána efektivně na a₂, a nikoliv na a₁. Jestliže je současně stínicí mřížka E₂ vázána na a₁, vzniká systém vzájemných vazeb na způsob multivibrátoru. Další vazby mohou nastat rozptylovými kapacitami. Tomu se dá zabránit zapojením malých kondenzátorů mezi anody a jejich stínicí mřížky.

Další příčinu oscilací nejlépe osvětlíme, prostudujeme-li jednoduchý koncový stupeň na obr. 5a. Pak lze kreslit náhradní zapojení podle obr. 5b, což je vlastně Colpittsův oscilátor. Je-li poměr rozptylových kapacit vhodný a tlumení malé, může dojít ke kmitání. Pak si můžeme pomoci umělým zvýšením C₂, nebo ještě lépe tak, ze zvětšíme tlumení pouze pro vyšší kmitočty tím, že připojíme sériový odpor a kondenzátor paralelně k C₂. Kondenzátor je nutný, aby se zamezilo ztrátám v rozmezí pracovních kmitočtů.

Nahradíme-li v obvodu prostou tlumivku transformátorem, vzniknou další komplikace. Takový obvod znázorňuje obr. 6 s příslušným náhradním schématem pro vyšší kmitočty. Vhodným uspořádáním vinutí je možno zredukovat L_a, L_g2 nebo L_z prakticky na nulu.

Tato úprava je znázorněna na obr. 7. Lze použít prvého i druhého způsobu, ale třetímu se vyhneme, ledaže by zatížení bylo čistě ohmické. Má-li zátěž paralelní kapacitní složku jako v obr. 6, pak je tato kapacita přímo mezi spojem L_a a L_g2 a zemí. Tím vznikne LC člen, jenž způsobuje značné fázové posuny s malým útlumem, čímž roste možnost rozkmitání.

Jak zlepšit stabilitu stupně

Z předchozího vyplývající poznatky můžeme shrnout takto:

Induktivní vazba mezi g₂ a její anodou musí být udržována těsnější než s protější anodou nebo se zátěží;
vazba rozptylovou kapacitou mezi g₂ a protější anodou musí být co nejmenší;
velikost rozptylových indukčností anoda A₁ – g_2/1 a anoda A₂ – g_2/2 a kapacit anod a stínicích mřížek vůči zemi musí být co nejmenší, protože čím vyšší je kmitočet, při němž mohou nastat jednostranné kmity, tím snáze budou utlumeny.

Uspořádáni vinutí výst. transformátoru pro obyčejné protitaktní zapojení.

Proto je při konstrukci výstupních transformátorů nutno dbát tohoto pravidla: Každá polovina primáru musí být pokud možno vinuta bez prostřídání sekcí se sekcemi druhé poloviny primáru nebo se sekundárním vinutím. Je-li nutno rozdělit půlky primáru do sekcí, pak musí tyto sekce obsahovat stejný podíl vinutí anodového a stínicí mřížky, jako je v celé polovici primáru. V jiné alternativě může být rozdělení do sekcí provedeno tak, že se poloprimární sekce propojí paralelně. Na obr. 8 je typické uspořádání vinutí pro triody nebo tetrody. Takového transformátoru nelze použít pro ultralineární koncový stupeň, neboť by mohl působit nestabilitu. Lepší uspořádání je na obr. 9. Na obr. 9a jsou sekce spojeny v serii; na obr. 9b jsou zapojeny paralelně, P'1 a P'2 jsou vinuty opačným smyslem než P1, P2. Obojí toto vinutí je složité a nezáleží-li na tom, aby byla udržena krajně nízká vzájemná induktivní vazba mezi oběma polovinami primáru, lze prohodit uložení primárních a sekundárních sekcí, čímž vznikne jednodušší a též velmi dobré uspořádání podle obr. 9c.
Vinutí vhodné pro ultralineární zapojení.

Vinutí vhodné pro ultralineární zapojení.

Transformátory zkonstruované jinak nežli podle uvedených principů nemusí jevit nestabilitu, ale obvykle si vyžadují vnější stabilisaci, zatím co uvedená uspořádání nikoliv.

Transformátor může být malý

A ještě poznámka k rozměrům transformátoru: může být poměrně malý a přece bude uspokojivě přenášet střední a nízké kmitočty. Je to tím, že zkreslení při nízkých kmitočtech pro daný transformátor je úměrné přibližně vztahu

r_a * R_z / r_a + R_z

kde r_a - efektivní stř. anodový odpor a R_z - efektivní zatěžovací odpor. Proto čím nižší r_a, tim nižší je zkreslení. Tetrody mají vysoký r_a a triody nízký r_a - ale i malou účinnost. Rozměry transformátoru rostou s rostoucím klidovým anodovým proudem, neboť vinutí musí být dimensováno na klidový proud + proud výkonu spotřebovaného zátěží. Protože ultralineární zapojení kombinuje nízký ra s velkou účinností, nemusí mít transformátor velkou primární indukčnost a může být navinut poměrně slabým drátem. Nádavkem dostáváme výhodu, že vzájemné indukčnosti jsou malé i bez složitého vinutí v sekcích.

Příklad transformátoru

Příklad transformátoru pro 2xN709:
Jádro 31,7 mm vys. z plechů
Vinutí směrem od jádra podle obr. 10 (odvozeno z obr. 9 c):

1. vinutí 45 záv. drátu o průměru 0,7 mm smalt v jedné vrstvě,
2 vrstvy plátna .
2. vinutí 1940 závitů drátu o průměru 0,15 mm smalt, s odbočkou na 390. závitu, 178 závitů na vrstvu, proklad olejovým papírem mezi každou vrstvou,
3 vrstvy plátna
3. vinutí 90 záv. drátu o průměru 0,7 mm ve dvou vrstvách,
3 vrstvy plátna
4. vinutí 1940 záv. drátu o průměru 0,15 mm smalt, s odbočkou na 1550. závitu, 178 závitů na vrstvu, proklad olejovým papírem mezi každou vrstvou,
3 vrstvy plátna
5. vinutí 45 záv. drátu o průměru 0,7 mm smalt v jedné vrstvě
1 vrstva plátna

Primární ss odpor 520 ohmů (mezi anodami).
Impedance sek 1 + sek 2 v serii - 15 ohmů. Sek 1 + sek 2 paralelně 3,7 ohmu.
Ss odpor sekundáru při zapojení pro impedanci 15 ohmů (v serii) - 1,2 ohmu.
Indukčnost primáru při 5 V/50 Hz - 75 H.
Vzájemná indukčnost *1 primáru k sekundáru, vztaženo na primár – 28 - 30 mH.
Vzájemná indukčnost *1 A1 - g2/1 - 10 mH
Vzájemná indukčnost *1 A2 - g2/2 - 9 mH
Vzájemná indukčnost *1 obou polovin primáru - 24 mH.

Poznámky:

Převzato z Amatérského Radia 2/1959, str. 37.

Pozn. zpracovatele:

*1 Předpokládám, že veličina, označovaná v posledním odstavci jako vzájemná indukčnost, je ve skutečnosti rozptylovou indukčností. Vzájemné indukčnosti činí transformátor transformátorem, a musí být co největší, řádově desítky henry. Zato rozptylové indukčnosti stejně jako rozptylové kapacity se snažíme co nejvíce zmenšit, protože způsobují nestabilitu a zužují přenášené pásmo.

Zpět na obsah Jeníčkových radiotechnických stránek
Zpět na domovskou stránku Petra Jeníčka

Čánek nascannoval a do html podoby upravil Ing. Petr Jeníček. Do textu byly doplněny nadpisy a provedeny drobné jazykové úpravy. Poslední změna článku byla provedena dne 8.12.2009.