Lampy elektronowe: od teorii do praktyki

W tym artykule są omówione bardzo ważne informacje pokazujące, jak łatwo może od teorii przejść do praktyki osoba zaczynająca swoją przygodę z lampami elektronowymi. Materiał ten jest też nierozerwalnie związany z projektem zatytułowanym Uniwersalne stanowisko do testów lamp – triod.

Począwszy od następnego artykułu tej serii zaczniemy analizować różne konfiguracje sygnałowych wzmacniaczy lampowych poczynając od najprostszych. Natomiast w poprzednim artykule przedstawiłem podstawy graficznej metody określania punktu pracy. To przydatna pomoc, ale kluczowe decyzje musi podjąć człowiek, czyli Ty.

Projektowanie wzmacniaczy lampowych z początku wydaje się koszmarnie trudne, ponieważ rzeczywiście w grę wchodzi szereg czynników, w tym sprzecznych wymagań. Lampowy projekt zawsze jest wynikiem pewnego kompromisu – w tym artykule podane są informacje i o sprzecznych wymaganiach, i o prostych sposobach osiągnięcia akceptowalnego kompromisu. Ale najpierw…

Metoda graficzna, testy czy intuicja?

Z początku wybór punktu pracy i wartości elementów mogą wyglądać wręcz przerażająco, bo jest kilka niewiadomych (+U_B, R_A, I_A, U_A, U_g) i nie wiadomo, od czego zacząć. Które wartości należy przyjąć, założyć, a które potem na ich podstawie wyliczyć?

Już wcześniej wspominałem, że nie ma tu jednoznacznej, prostej odpowiedzi i że projekt wzmacniacza lampowego zawsze jest wynikiem kompromisu.

Nie jest to jednak trudne, jeżeli zrozumiemy najważniejsze zagadnienia. Najważniejsze, żeby zacząć, nawet w sposób niedoskonały.

Warto rozpocząć jakkolwiek, a potem ewentualnie „dopieszczać” swoje konstrukcje w miarę dalszego zdobywania wiedzy i doświadczenia.

Nie będzie to wcale błądzeniem po omacku – trzeba jednak zrozumieć i „poczuć” intuicyjnie kilka niezbyt trudnych zależności. Omówimy je właśnie w tym artykule, na podstawie rysunku 1, gdzie napięcie siatki ustawiane jest potencjometrem.

Niewiadome wartości zaznaczyłem pomarańczowymi znakami zapytania. Zacznijmy od rezystancji R_A.

(Przed)wzmacniacz lampowy – dobór R_A

Dobór punktu pracy lampy wydaje się koszmarnie trudnym zadaniem, wymagającym trudnych obliczeń, opartych na katalogu. W literaturze można znaleźć opisy procedur projektowych, także wykorzystujących sposoby graficzne. Nie musi tak być!

Otóż wiemy już, że w prostym wzmacniaczu z triodą, o wartości wzmocnienia zmiennoprądowego decyduje głównie wartość rezystancji anodowej R_A. Czym jest większa, tym większe jest wzmocnienie.

Notujemy ważny punkt: dla uzyskania możliwie dużego wzmocnienia, wartość rezystancji anodowej RA powinna być jak największa.

W praktyce najczęściej tą rezystancją anodową R_A jest zwyczajny rezystor, który powinien mieć jak największą rezystancję, żeby wzmocnienie sygnałów zmiennych było jak największe. Tak, ale tu w grę wchodzi też stałoprądowy punkt pracy i istotna sprzeczność, a przynajmniej trudność, o której za chwilę. Ale najpierw kolejny ważny punkt.

Otóż nie wchodząc w szczegóły i jałowe polemiki, generalnie przyjmuje się, że lampa elektronowa ma najlepsze właściwości gdy pracuje przy prądzie niewiele mniejszym od katalogowego prądu maksymalnego, co w praktyce związane jest też z maksymalną dopuszczalną mocą strat w lampie. Taki wniosek potwierdzają rysunki 4 i 5 w poprzednim artykule Lampy elektronowe: metody graficzne, na których widać wyraźnie, że wartość współczynnika amplifikacji µ (Ka) rośnie ze wzrostem prądu (stałego) lampy.

I wracamy do wartości rezystora anodowego: z jednej strony chcemy pracować przy możliwe dużym stałym prądzie anodowym lampy. Z drugiej strony, jednocześnie chcemy zastosować rezystor anodowy R_A, o jak największej wartości. To są sprzeczne wymagania, które tylko teoretycznie można byłoby pogodzić, ale wtedy musielibyśmy zasilić wzmacniacz bardzo dużym napięciem stałym.

Zupełnie nierealny przykład pokazany jest na rysunku 2, gdy z lampą ECC88 miałby pracować rezystor R_A o wartości 1 megaoma. Otóż dla lampy ECC88 zalecane w katalogu warunki pracy to prąd anodowy 15 mA i napięcie na lampie 90 V (przy napięciu siatki typowo –1,3 V, co teraz jest nieistotne).

Jeżeli prąd anodowy 15 mA ma płynąć przez rezystor anodowy R_A o wartości 1 megaoma, to na tym rezystorze wystąpi spadek napięcia 15 000 V, czyli napięcie zasilające U_B musiałoby być aż tak ogromne! Nie wspominamy o mocy strat (225 W) w tak dużym rezystorze.

Nawet rezystor anodowy R_A = 100 kΩ jest zdecydowanie za duży dla lampy ECC88. Jak pokazuje rysunek 3, prąd 15 mA płynąc przez taką rezystancję wywoła na niej spadek napięcia 1500 V, czyli napięcie zasilające układ musiałoby wynosić 1590 V, co z kilku powodów jest absolutnie nie do przyjęcia!

To jaką oporność ma mieć rezystor anodowy? Dla mniej zorientowanych dobór wartości rezystora R_A to poważny dylemat. Niepotrzebnie! Można bowiem skorzystać z pożytecznej uproszczonej reguły. Oto kolejny ważny punkt: w większości układów wartość rezystora anodowego RA powinna być taka, żeby napięcie stałe na nim wynosiło 0,6…1 wartości napięcia stałego występującego na triodzie. Reguła ta nie dotyczy układów, gdzie zamiast rezystora anodowego zastosowany jest układ o charakterze źródła prądowego – do tego wrócimy później.

Na rysunku 4 pokazany jest przykład, gdzie założyliśmy, że napięcie na rezystorze R_A ma wynosić 60 V. Wyliczona wartość to 4 kiloomy, w praktyce zastosujemy 3,9 kΩ, o obciążalności co najmniej 1 W lub lepiej 2 W.

W najprostszym przypadku stałe napięcie na rezystorze anodowym RA powinno być trochę mniejsze niż napięcie na lampie lub takie same. To jest dobra reguła nie tylko dla początkujących! Reguła, która znakomicie upraszcza projektowanie przedwzmacniaczy lampowych, szczególnie układów testowych. Usuwa ona najważniejszy dylemat dotyczący ustawiania punktu pracy lampy.

Kolejnych szczegółów tu nie opisuję, bo omawiam je w dalszej części tego artykułu, a przede wszystkim zalecam Ci eksperymenty. Jednak żeby nie były one bezmyślne i ślepe, stopniowo trzeba też poznać teorię. Dlatego podam jeszcze kilka uwag.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze majowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2024). 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 5/2024 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 4/2024.
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.