Lampy elektronowe: sprzężenie zwrotne i wtórnik

W kolejnym artykule serii przybliżającej w przystępny sposób podstawowe właściwości lamp elektronowych chcemy dokładniej omówić układ ze wspólną anodą, czyli wtórnik. Okazuje się jednak, że nie można tego zrobić bez omówienia ogromnie ważnej kwestii ujemnego sprzężenia zwrotnego.

W poprzednich artykułach omówiliśmy parametry dynamiczne układu ze wspólną katodą. Podstawy okazały się zaskakująco klarowne i w sumie proste, gdy schemat zastępczy lampy dla przebiegów zmiennych przedstawiliśmy jako połączenie źródła prądowego sterowanego napięciem i wewnętrznej rezystancji Ri. Potem dodaliśmy do tego rezystancję R_A w obwodzie anody i inne rezystancje na wyjściu według rysunku 1. Łatwo obliczyliśmy wzmocnienie i rezystancję wyjściową.

Aż prosi się, żeby tak samo gładko omówić właściwości dynamiczne układu ze wspólną anodą, gdzie główna zewnętrzna rezystancja włączona jest w obwodzie katody, a nie anody. Niestety, w przypadku układu ze wspólną anodą tak łatwo nie jest.

Właściwości dynamiczne wtórnika

Prosta okazuje się jedynie analiza konfiguracji ze wspólną katodą, którą w dużym uproszczeniu przedstawiłem z lewej strony rysunku 2.

Paradoksalnie układ ze wspólną anodą, czyli wtórnik katodowy, w praktyce okazuje się łatwiejszy do zaprojektowania i praktycznego wykorzystania, jednak analiza jego właściwości jest zdecydowanie bardziej skomplikowana. Schematy wyglądają podobnie, ale analizę poważnie utrudnia fakt, że we wtórniku napięcie wejściowe (napięcie sygnału wejściowego) nie jest napięciem sterującym lampy (napięciem siatka – katoda).

Ten problem utrudniający analizę wtórnika pokazany jest na rysunku 3. Interesują nas teraz tylko przebiegi zmienne. Otóż prąd lampy w każdym przypadku, także w układzie ze wspólną anodą, we wtórniku, jest modulowany przez zmiany napięcia między siatką i katodą, co oznaczyłem U_S. W konfiguracji ze wspólną katodą sygnał wejściowy, czyli napięcie zmienne U_IN jest po prostu (zmiennym) napięciem sterującym U_S. Napięcie wyjściowe U_OUT nie ma wpływu na napięcie wejściowe U_S.

We wtórniku tak nie jest: tu zmienne napięcie U_IN jest sumą napięcia sterującego U_S i napięcia wyjściowego U_OUT. Już „na oko” widać, że zmienne napięcie wyjściowe U_OUT zapewne ma jakiś wpływ na wielkość napięcia sterującego U_S. Wygląda na to, że w takiej konfiguracji występuje sprzężenie zwrotne z wyjścia na wejście.

Takie sprzężenie komplikuje sytuację i utrudnia analizę. Owszem, można to ogarnąć i opisać matematycznie. Gdybyśmy pominęli niezaznaczoną na rysunkach 2, 3, a widoczną na rysunku 1 wewnętrzną rezystancję Ri lampy i zwrócili uwagę tylko na (sterowane) źródło prądowe, to wyliczenia byłyby nawet proste i łatwe. Wyszłoby na to, że rezystancja wyjściowa wtórnika (wyrażona w kiloomach) jest odwrotnością nachylenia charakterystyki S (transimpedancji wyrażanej w mA/V, czyli w milisimensach).

W dokładniejszych analizach, uwzględniających wewnętrzną rezystancję dynamiczną triody Ri, moglibyśmy też wyliczyć, na ile wzmocnienie takiego układu (zawsze) jest nieco mniejsze od jedności i że w niewielkim stopniu jest zależne od współczynnika amplifikacji lampy µ (K).

Gdybyśmy jednak uwzględnili także wewnętrzną rezystancję lampy Ri, która w przypadku triody jest mała, analiza byłaby znacznie bardziej skomplikowana, ale też byśmy sobie z tym poradzili.

Zapewne tak, tylko czy taka matematyczna ekwilibrystyka dotycząca wtórnika katodowego jest konieczna?

Otóż w praktyce celowe i sensowne okazuje się tylko przeprowadzanie opisanych w poprzednim artykule nietrudnych obliczeń dotyczących konfiguracji ze wspólną katodą.

Okazuje się też, że nie ma potrzeby przeprowadzania podobnych szczegółowych obliczeń dla wtórnika katodowego, czyli układu ze wspólną anodą. W rzeczywistości wystarczą podstawowe informacje o triodowym wtórniku. Otóż dla wtórnika w pierwszym przybliżeniu możemy przyjąć, że dla przebiegów zmiennych, czyli w sumie dla sygnałów audio:
• jego wzmocnienie wynosi mniej więcej 0,8…0,95, co w rzeczywistości ma znikome znaczenie,
• jego dynamiczna rezystancja wyjściowa jest w sumie równa odwrotności transimpedancji, czyli katalogowej stromości S użytej lampy (jest nieco mniejsza, ale to nie ma istotnego znaczenia),
• jego dynamiczna rezystancja wejściowa (dla wejściowych przebiegów zmiennych) jest bardzo duża, co najmniej taka, jak wartość rezystora siatkowego R_G, a w układzie z autopolaryzacją – dużo większa.

Ilustruje to w uproszczeniu poglądowy rysunek 4. Przykładowo dla ECC83 o nachyleniu charakterystyki S około 1,25…1,6 mA/V rezystancja wyjściowa wtórnika R_OUT dla przebiegów zmiennych będzie wynosić 600…800 Ω. A dla ECC88 i pokrewnych gdzie nachylenie S = 9…12,5 mA/V dynamiczna rezystancja wyjściowa R_OUT będzie rzędu 100 omów.

Jeśli chcesz poznać więcej szczegółów – bez trudu znajdziesz je w Internecie. Co najważniejsze w praktyce, rezystancja wyjściowa wtórnika jest wielokrotnie mniejsza niż wzmacniacza ze wspólną katodą, gdzie rezystancja wyjściowa jest rzędu kilku do nawet kilkudziesięciu kiloomów. A we wtórniku jest mniejsza od 1 kilooma. I to jest podstawowa zaleta wtórnika. Istotną wadą wtórnika jest wzmocnienie mniejsze od jedności.

W praktyce wystarczy tylko tyle informacji o parametrach dynamicznych wtórnika lampowego. Natomiast dużo ważniejsze jest coś zupełnie innego, co dotyczy nie tylko wtórnika, ale wszystkich układów lampowych.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze październikowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 10/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 10/2024 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 10/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.