Lampy elektronowe: wzmocnienie sygnałów

W tym, a także poprzednim i następnym artykule serii omawiamy informacje, które są kluczem do świata lamp. Możesz je pominąć, jeżeli znasz te zagadnienia, ale zachęcam do lektury choćby dlatego, że na następnych stronach jest przystępnie wyjaśniony sens słabo rozumianego parametru Ka (µ).

W poprzednim artykule tej serii omawialiśmy podstawowe parametry dynamiczne, czyli dotyczące sygnałów zmiennych. Doszliśmy do ogromnie ważnych katalogowych parametrów lampy: nachylenia czyli transkonduktancji S oraz rezystancji wewnętrznej Ri (ρ). Są to parametry dynamiczne, dotyczące przebiegów zmiennych i ich wzmacniania, a wzmacnianie sygnałów audio nas najbardziej interesuje.

Niestety, początkujący często mają duży problem z rozróżnieniem parametrów statycznych i dynamicznych oraz z uchwyceniem związku punktu pracy z parametrami dynamicznymi. Nie jest to jednak trudne! W niniejszym artykule wrócimy do tej kwestii, ale najpierw przypomnijmy zagadnienia związane ze wzmocnieniem sygnałów zmiennych.

Różne schematy zastępcze

Na początek ważne wyjaśnienie. Otóż w poprzednich artykułach do wytłumaczenia działania lampy przy wzmacnianiu sygnałów zmiennych wykorzystałem pojęcie sterowanego źródła prądowego, co w końcu doprowadziło do schematu przypomnianego na rysunku 1, według którego lampa jest równoległym połączeniem źródła prądowego o transkonduktancji (nachyleniu) S i rezystancji wewnętrznej Ri.

Tymczasem wielu elektroników jest przyzwyczajonych do innych schematów zastępczych, też dotyczących przebiegów zmiennych, gdzie oprócz właściwego elementu wzmacniającego, zaznaczona bywa też rezystancja wejściowa i wyjściowa. Dwa przykłady na rysunku 2.

Mamy tu w istocie sterowane źródło napięciowe z dodanymi rezystancjami. No więc czy lampa jest właściwie źródłem prądowym, czy źródłem napięciowym?

Nie ma tu żadnej sprzeczności!

Po pierwsze, we wcześniejszych rozważaniach zupełnie pominąłem kwestię rezystancji wejściowej, by nie komplikować rozważań. Najogólniej biorąc uznajemy bowiem, że lampy elektronowe same w sobie mają ogromną rezystancję wejściową i że rezystancja wejściowa wzmacniacza lampowego jest równa rezystancji rezystora włączonego między siatką i masą. W pierwszym przybliżeniu można to zaakceptować, choć nie jest do końca prawdą. Na razie to pomijamy.

A jeśli chodzi o rezystancję wyjściową, to podkreślam, że mówimy o schematach zastępczych. Zastępczych i bardzo uproszczonych, które pomijają nie tylko kwestie dotyczące napięć i prądów stałych, ale też ogromnie ważne, subtelne właściwości lamp i tranzystorów przy wzmacnianiu sygnałów zmiennych.

Zarówno wersja z rysunku 1, jak też wersje z rysunku 2 jednakowo dobrze ilustrują podstawowe, uproszczone właściwości wzmacniacza. Są to tylko uproszczone schematy zastępcze, co można przedstawić tak lub tak (dla wtajemniczonych: według Thevenina – Helmholtza lub według Nortona – Mayera).

Według mnie najlepiej wykorzystać model z rysunku 1 ze źródłem prądowym według Nortona, bowiem ma on bezpośredni związek z katalogowymi parametrami lampy: S, Ri (ρ), Ka (µ).

Można też wykorzystać model Thevenina według rysunku 2, do którego generalnie jesteśmy bardziej przyzwyczajeni, ale wtedy mamy kłopot z opisem źródła napięciowego. Nie ma natomiast kłopotu z rezystancją wyjściową. Przyjmij bez dowodu, że rezystancja wyjściowa wzmacniacza w modelu Thevenina, według rysunku 2, jest równa rezystancji wewnętrznej triody Ri (a wszystkie inne rezystancje w układzie to obciążenie).

Mamy dwa różne przedstawienia, zobrazowania sytuacji, ale efekt i wyniki obliczeń są takie same. Nie jest ważne, który teoretyczny model wykorzystamy – zdecydowanie ważniejsze są praktyczne wnioski. Skoncentruj się teraz, bo zaczynamy omawiać ogromnie ważną kwestię.

Wzmocnienie napięciowe… tranzystora

Zanim przejdziemy do lamp, trzeba zacząć od tranzystorów. Koniecznie trzeba przypomnieć, czy też wyjaśnić, że żaden „goły tranzystor” nie ma określonego wzmocnienia napięciowego. Tranzystor bipolarny ma tylko jakieś wzmocnienie prądowe, wyrażane w amperach na amper (A/A) lub mA/mA. Natomiast tranzystory polowe jako parametr mają nie wzmocnienie, tylko transkonduktancję, wyrażaną w A/V lub mA/V. Podobnie jak „goła lampa”.

Najbardziej nas interesujące wzmocnienie napięciowe sygnałów zmiennych, konkretnie sygnałów audio, na pewno dotyczy więc nie „gołego” tranzystora czy lampy, tylko układu z tranzystorem lub lampą. Układu, a nie pojedynczego elementu.

Okazuje się, że ten układ może być bardzo prosty. Realne wzmacniacze sygnałów zmiennych mogą mieć schematy pokazane na rysunku 3.

W dowolnym tranzystorze polowym napięcie wejściowe U_I = U_GS jest niejako zamieniane na prąd wyjściowy I_D przez jego transkonduktancję (w tranzystorach oznaczaną G, ale w lampach częściej literą S), wyrażaną w (mili)amperach na wolt. Pomijając mało ważne dla nas w tej chwili obwody wejściowe możemy to w uproszczeniu przedstawić na przykład tak, jak na rysunku 4.

Nas głównie interesuje wzmocnienie napięciowe, czyli stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego: K = U_O / U_I, a w będących dobrymi źródłami prądowymi tranzystorach sygnałem wyjściowym jest prąd (I_D). Jeżeli jednak ten prąd wyjściowy I_D przepływa przez zewnętrzną rezystancję R_A, to niejako ta rezystancja zamienia go na napięcie wyjściowe U_O według zależności U_O = I_D × R_A.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze lutowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 2/2024). 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 2/2024 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” (Cappuccino = 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 – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.