Wzmacniacz UL

Układ ultra linear (UL) został opatentowany w 1936 przez Alana Blumleina, a po raz pierwszy zastosowany praktycznie w 1951 roku przez D. Haflera i H.I. Keroesa. Jego charakterystyczną cechą jest lokalne sprzężenie zwrotne poprzez połączenie siatki ekranującej do odczepu uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego.

Układ klasyczny

Budowa

Shemat układu wzmacniacza ultra linear Haflera i Keroesa.

Oryginalny układ Haflera i Keroesa zawierał trzy stopnie, odwracacz fazy, różnicowy stopień sterujący oraz stopień mocy, zbudowany w charakterystycznym układzie z siatkami ekranującymi połączonymi z odczepami uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego. Połączenie to wprowadza lokalne ujemne sprzężenie zwrotne, a lampa pracuje w trybie pośrednim pomiędzy triodą (gdy 100% sygnału byłoby na siatce ekranującej) i pentodą (przy 0% sygnału na siatce ekranującej). Zastosowano lampy 6SL7 (stopień wejściowy) 6SN7 i parę 6L6, prostownik wykonano na lampie 5V4.

Parametry wzmacniacza były porównywalne z wcześniejszym wzmacniaczem Williamsona, ale dostarczana moc była większa przy mniejszych lampach w stopniu końcowym i znacznie większej sprawności. Dzięki temu układ zdobył popularność, a jako jego nazwę przyjęto później tytuł opisującego go artykułu. W 1955 David Hafler zaproponował połączenie czterostopniowej struktury wzmacniacza Williamsona ze stopniem końcowym zrealizowanym nie na triodach, ale na tetrodach lub pentodach w układzie UL. Takie rozwiązanie w dużym stopniu łączy zalety obu układów i również zdobyło dużą popularność.

Układ UL należy do grupy układów z dzielonym obciążeniem - w typowych rozwiązaniach moc do układu wyjściowego jest oddawana nie tylko z anody, ale również z siatki ekranującej (co łatwo sprawdzić gdy w siatce tej znajduje się rezystor - napięcie zmienne na siatce jest większe niż napięcie na odczepie transformatora). Co ciekawe Williamson protestował przeciwko nazywaniu tak tego układu, a nawet wręcz go zwalczał. Mimo to we wielu krajach niekiedy również układy UL nazywało się "wzmacniaczami Williamsona", nawet jeżeli działo się to trochę wbrew jego woli.

Właściwości

Porównanie właściwości układu UL z pentodowym i triodowym wg. Haflera i Keroesa.

Parametry stopnia UL na lampie KT88 w zależności od stopnia podziału sygnału na siatce sterującej.

Jak widać na wykresie artykułu Haflera i Keroesa ze wzrostem zawartości składowej zmiennej na siatce sterującej maleje impedancja wewnętrzna i zniekształcenia intermodulacyjne przy małych sygnałach, a rosną zniekształcenia intermodulacyjne przy dużych sygnałach, coraz mniejsza jest też moc dostarczana do obciążenia. Optimum zależy od typu lampy i jej punktu pracy, zwykle odczep jest umieszczony tak, że na siatkę trafia od 20% do 43% składowej zmiennej napięcia anodowego. Widać jednak, że i szerszy zakres, nawet 10-50% jest użyteczny i może być praktycznie wykorzystany.

Parametry stopnia UL na lampie 6550 w zależności od impedancji obciążenia.

Układ UL jest tolerancyjny na dobór impedancji obciążenia lamp. Może to mież znaczenie przy współczesnych kolumnach głośnikowych o skomplikowanych zwrotnicach i impedancji mocno zmieniającej się w funkcji częstotliwości.

Ze względu na dobre parametry (zniekształcenia nieliniowe i intermodulacyjne oraz opór wewnętrzny tylko nieco gorsze od triody) i stosunkowo dużą sprawność (zbliżoną do pentody) układ był (i jest) bardzo popularny. Sama firma Dynaco sprzedała ponad pół miliona wzmacniaczy w takim układzie, mocno przyczyniając się do rozwoju techniki HiFi. Przy zachowaniu bardzo dobrych parametrów wzmacniacza z pary lamp EL34 da sie wydobyć moc wyjściową prawie 40W, czyli 2.5 raza większą niż w układzie triody. Niestety, by sprzężenie zwrotne w siatkach ekranujących działalo poprawnie potrzebny jest transformator o małych indukcyjnościach rozproszenia pomiędzy sekcjami uzwojenia pierwotnego, co nieco komplikuje jego wykonanie. Transformatory dostępne w handlu nie zawsze spełniają ten warunek.

Aplikacje

Wzmacniacz dynaco Mark III.

Co prawda nic nie stoi na przeszkodzie by połączenie ultra linear zastosować w układzie SE, ale największe zastosowanie znalazł on w stopniach przeciwsobnych średniej mocy pracujących w klasie AB. Ze wzgledu na bardzo dobry stosunek jakosci do ceny układ ultra linear był bardzo popularny we wzmacniaczach spotykanych na rynku, początkowo głównie w USA, później również w Europie. Jedną z przyczyn tego faktu było, że zatrudniająca obu konstruktorów firma Acrosound wypuściła na rynek cały szereg transformatorów do układów UL i opublikowała do nich schematy propozycji rozwiązań układowych.

Firma Dynaco wyprodukowała w ogromnej liczbie zarówno kity do samodzielnego montażu, jak i zmontowane wzmacniacze w układzie UL. Jej produkcja była ogromna, łącznie powstało około pół miliona wzmacniaczy. Do najpopularniejszych należały: monobloki Mk II (lampy 6AN8, 2*EL34, 5U4GB) i MK III(lampy 6AN8, KT88, GZ34) oraz stereofoniczne ST-35 (2*7247, 4*6BQ5 i kultowy ST-70 (2*7199, 4*EL34, GZ35). Zwykle miały one prostą konstrukcję: stopień napięciowy na pentodzie, odwracacz fazy z dzielonym obciążeniem i stopień końcowy. Ujemne sprzężenie zwrotne było podawane z głośnika na katodę pierwszej lampy.

Spektrum zastosowań układu UL było szerokie, od stopni wyjściowych radioodbiorników dobrej klasy o mocy kilkunastu watów, poprzez wzmacniacze HiFi większej mocy (tu były zdecydowanie najpopularniejsze) do instrumentalnych wzmacniaczy dużej mocy (rzadko, znanym przykładem może być 200 watowy Marshall Major, używany między innymi przez Ritchiego Blackmore z "Deep Purple").

• 
  Dynaco Mk II
• 
  Dynaco ST-35
• 
  Eico HF50, HF60
• 
  Harmon Kardon Citation 2
• 
  Heathkit W-5M
• 
  Heathkit W-7M
• 
  Knight KB85
• 
  Marantz 5
• 
  Marantz 8

Konstrukcje niekomercyjne

Podstawowe wady i zalety

Układ jest bardzo wdzięczny do konstrukcji amatorskich, pod (niekiedy trudnym do spełnienia) warunkiem uzyskania (albo zrobienia) dobrego transformatora. Zalety z punktu widzenia konstruktora-amatora to:

• Bardzo dobry kompromis pomiędzy stopniem złożoności a parametrami.
• Zniekształcenia i oporność wewnętrzna tylko nieznacznie gorsze niż układu na triodach.
• Sprawność energetyczna i wzmocnienie tylko nieco gorsza niż klasycznego układu na pentodach.
• Duża odporność na zmiany impedancji obciążenia.

Wady:

• Gorszy od układu QUAD pod względem zniekształceń i oporu wewnętrznego.
• Dosyć trudny do wykonania transformator wyjściowy.
• Niemożność dobrania napięcia siatki ekranującej, co ogranicza swobodę projektowania. Utrudnia też zastosowanie lamp, które dopuszczalne napięcie siatki drugiej mają znacząco niższe od roboczego napięcia anodowego, takich jak na przykład E130L czy GU50. Wyjściem jest zastosowanie specjalnego uzwojenia dla siatek ekranujących, ale znacząco komplikuje to transformator.

Przykłady rozwiązań

Radioamator

Schemat wzmacniacza UL z Radioamatora 5/1957

Wysokojakościowy..., Radioamator, 1957. To chyba pierwsze tego typu rozwiązanie prezentowane w polskiej prasie radioamatorskiej. Stopień końcowy, w oryginale wykonany na lampach EL11 lub EBL21, pracuje w bardzo płytkiej klasie AB (praktycznie A) dostarczając do obciążenia mocy około 8 W. Odwracacz fazy z wzmacniaczem napięciowym wykonano na lampie 6SN7. Przedwzmacniacz pracuje na trzech pentodach (EL12 i EL14), godne uwagi jest zastosowanie regulacji barwy tonu w układzie sprzężenia zwrotnego. Sugerowany w artykule podział transformatora na sekcje nie jest najszczęśliwszy - nie zapewnia małej indukcyjności rozproszenia między połówkami uzwojenia pierwotnego, co przy pracy w klasie AB może powodować zwiększenie zniekształceń nieliniowych przy wyższych częstotliwościach.

Schemat łódzkiego wzmacniacza UL z Radioamatora 7/1958

Wzmacniacz HiFi, Radioamator, 1958. Zapowiedź produkcji przez łódzką Fonicę (wówczas jeszcze Zakłady Wytwórcze Aparatów Telefonicznych) wzmacniacza, która prawdopodobnie nie doszła do skutku i nie wyszła poza prototyp. Jeżeli doszła, to było pierwsze urządzenie produkowane w Polsce, a określane jako HiFi. Zbudowany na dwóch lampach 6SN7 i parze 6P3S (6L6) posiadał bardzo oryginalną cechę - osobne uzwojenie transformatora dla siatek ekranujących, co umożliwia dobór napięcia siatek niezależnie od wielkości napięcia anodowego. Układ jest pochodną czterostopniowego wzmacniacza Williamsona z stopniem końcowym ultra linear zamiast triodowego.

 

Schemat wzmacniacza UL z Radioamatora 4/1960

Uniwersalny Wzmacniacz HiFi, Radioamator, 1960. Wzmacniacz mocy zbudowany jast na lampie ECC83 (odwracacz fazy) i parze lamp EL84 osiągając (według autora) moc 15 W. Podział transformatora na sekcje powtarza błąd układu z roku 1957 (jest identyczny). Napięcie zasilania przekracza dopuszczalne napięcie anodowe i siatki ekranującej dla lamp EL84 stawiając pod znakiem zapytania niezawodność wzmacniacza. Rysunek transformatora zawiera błędy - słowem zarówno układ, jak i artykuł są niedopracowane.

Schemat wzmacniacza UL z Radioamatora i Krótkofalowca 1964

Amatorski wzmacniacz..., RiK 1964. Wzmacniacz mocy zbudowany jest w bardzo prostym układzie na lampach ECF82 (wzmacniacz napięciowy na pentodzie i odwracacz fazy) i parze EL84. Również i w tym artykule podział transformatora na sekcje nie jest optymalny - powtarza błąd układu z 1957, na szczęście i ten układ nie wchodzi zbyt głęboko w klasę B.

 

Schemat wzmacniacza UL z Radioamatora 4/1969

Wzmacniacz Hi-Fi 10W, RiK 1969Wzmacniacz mocy został zbudowany na dwóch lampach ECL86. Układ charakteryzuje się bardzo oszczędną konstrukcją jednocześnie zapewniając bardzo dobre parametry. Do słabych punktów należy zasilacz z podwajaczem napięcia i zastosowaniu w układzie aktywnej regulacji barwy tonu lampy o zbyt małym wzmocnieniu (połówki ECC82). Transformator zaprojektowano znacznie lepiej niż w propozycjach z 1957 czy 1964, ale i tu uzwojenie każdej siatki ekranującej zajmuje tylko połowę karkasu, co nie zapewnia małej indukcji rozproszenia do pozostałych uzwojeń.

Schemat wzmacniacza UL z Radioamatora 11/1969

Lampowy wzmacniacz..., RiK, 1969. Stopień mocy wykonano na dwóch lampach ECL82. Niestety mocno przekombinowany jest zarówno stopień mocy, jak i cały wzmacniacz. Ustawianie symetrii odwracacza fazy za pomocą potencjometru wymaga użycia oscyloskopu, co trudno sobie wyobrazić w trakcie normalnej eksploatacji. Wbrew temu co twierdzi autor, zastosowane w układzie prądowe sprzężenie zwrotne nie zmniejsza impedancji wyjściowej wzmacniacza, ale ją zwiększa.

Schemat wzmacniacza UL z Radioamatora 5/1970

Stereofoniczny zestaw..., RiK 1970. Kolejny wzmacniacz mocy zbudowany na dwóch lampach ECL86, zmieniono jednak odwracacz fazy i dołożono stopień napięciowy (na połówce lampy ECC83) objęty ujemnym sprzężeniem zwrotnym wraz z całym stopniem końcowym, co poprawiło charakterystykę wzmacniacza.

 

Radio (ZSRR)

Wzmacniacz UL z Radio (ZSRR) 6/1958

Radio 6/1958.Wzmacniacz mocy zbudowany na lampach 6N8S, 6N7S i parze GU807 w czterosotopniowym układzie Williamsona. Ciekawy wzmacniacz, o bardzo rozbudowanej tegulacji barwy tonu i stabilizacji napięcia zasilania stopni wstępnych za pomocą stabilitronów.

Wzmacniacz UL z Radio (ZSRR) 11/1958

Radio 11/1958. Prosty układ wzmacniacza mocy na 6N1P (odwracacz fazy w układzie wzmacniacza różnicowego), połówce 6N2P i parze 6P14P. Regulowane prądowe sprzężenie zwrotne zwiększa impedancję wyjściową - było stosowane w kilku konstrukcjach z tego okresu, ale zostało szybko porzucone. W tym samym numerze czasopisma omówiono właściwy podział transformatora na sekcje i zaproponowano jeszcze prostszy układ wzmacniacza UL dobrej jakości.

 

Wzmacniacz UL z Radio (ZSRR) 3/1959

Wzmacniacz UL z Radio (ZSRR) 4/1960

Radio 3/1959 i 4/1960. Dwie bardzo podobne propozycje na lampach 6N2P i parze 6P14P (bliźniaczo podobne do ECC83 i EL84). Odwracacz fazy z dzielonym obciążeniam. Jest to prosty układ, o dobrych parametrach, może być dobrym zaczątkiem własnych prób.

 

Bibliografia

• Triode Electronics.
• Cykin Gieorgij: Wzmacniacze sygnałów elektronicznych, WKiŁ, Warszawa, 1970, wyd. 2, stron 570.

Zobacz też

• Williamsony - klasyczne lampowe wzmacniacze mocy HiFi.