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[1]. Jego charakterystyczną cechą jest lokalne sprzężenie zwrotne poprzez połączenie siatki ekranującej do odczepu uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego.
Budowa
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[2]. Mimo to we wielu krajach niekiedy również układy UL nazywa się "wzmacniaczami Williamsona", nawet jeżeli nie mają wiele wspólnego z jego konstrukcjami.
Właściwości
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.
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
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 amatorskie
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.
Przykłady rozwiązań
Radioamator, 1957[3]. 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.
Wzmacniacz HiFi, Radioamator, 7 1958[4]. 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 6P3S (6L6) posiadał bardzo oryginalną cechę - osobne uzwojenie transformatora dla siatek ekranujących, co umożliwia dobór napięcia siatek niezależnie od wielkości napięcia anodowego.
Przypisy
- ↑ D. Hafler i H.I. Keroes, An Ultra-linear Amolifier, Audio Engineering, November 1951.
- ↑ D.T.N. Williamson, P.J. Walker, Amplifiers and Superlatives, Wireless World, September 1952
- ↑ Jarosław Adamczyk Wysokojakościowy wzmacniacz m.cz. Radioamator, 5, 1957.
- ↑ Antoni Biliński, Wzmacniacz Hi-Fi polskiej produkcji, Radioamator, 5, 1957.