Wzmacniacz UL

Układ klasyczny

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.

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 nazywa się "wzmacniaczami Williamsona", nawet jeżeli nie mają wiele wspólnego z jego konstrukcjami.

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 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

Schemat wzmacniacza Dynaco Mark II

Wzmacniacz dynaco Mark III.

Schemat wzmacniacza stereofonicznego Dynaco ST-35

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.

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).

Podstawowe wady i zalety

Układ jest bardzo wdzięczny do konstrukcji amatorskich, pod (niekiedy trudnym do spełnienia) warunkiem uzyskania (albo zrobienia) dobrego transformatora. Zalety

• 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 ogranicza swobodę projektowania.