Elektronky II - seznámení se s elektronkovými zesilovači

Říká se jim elky, lampy, baňky... topily v pokojích po mnoho generací. Díky nim přišla elektrotechnická revoluce, vysílání rozhlasu a televize, kamerové systémy. Celá televizní a rozhlasová síť ruské federace využívá československých prvků, mezi hlavní patří elektronky. I naše vysílače stále užívají tuto součástku. A pokud si právě čtete tento článek na klasickém monitoru, veřte nebo ne, jen pár desítek centimetrů od vás to taky topí a žhaví. Tak pojďme si o ních něco říci.

Něco o historii elektronkových zesilovačů:  
Předtím než se dostaly na trh polovodičové prvky (diody, transistory a IO) se ve velké míře používaly elektronkové zesilovače. Ty měly velké zastoupení v průmyslové elektronice. Elektronkové zesilovače tvořily základní část mnoha průmyslových zařízení, např: elektronkových časových relé, měřících a signálních přístrojů k sledování různých fyzikálních veličin a podobně.

Nejjednodu��í elektronkový zesilovač:
V elektronkových zesilovačích se využívá jedné vlastnosti elektronek- že zesilují napětí přivedené na řídící mřížku. (Aneb nízké úrovně napětí řídí velké - tedy výsledná frekvence se zachová, ale proměnné napětí je na výstupu mnohonásobně vyšší.

Přivedeme-li na mřížku střídavé napětí Ug, lze na zatěžovacím odporu Ra, který je zapojen v anodovém obvodu, naměřit napětí Ua dané vztahem : 

Kde  Ua…..okamžitá hodnota střídavé složky anodového napětí [V]
Ug…okamžitá hodnota střídavé složky mřížkového napětí [V]
…zesilovací činitel elektronky
Ra…zatěžovací odpor v anodovém obvodu []
Ri…vnitřní odpor elektronky []

Poměr amplitudy kmitů  napětí na zátěži k amplitudě kmitů mřížkového napětí se napěťové zesílení zesilovače a označuje se obvykle písmenem A :

Z této rovnice vyplývá, že zesílení zesilovače záleží nejen na zesílení elektronky, nýbrž i na poměru odporu Ra a vnitřního odporu elektronky Ri. Uvedené rovnice platí pro absolutní hodnotu napětí bez ohledu na znaménka. Je-li okamžitá hodnota střídavé složky napětí na mřížce Ug kladná, vzrůstá anodový proud a zvětšuje se úbytek napětí  na odporu Ra, takže anodové napětí se zmenšuje. Kladné hodnotě Ug odpovídá tedy záporná okamžitá hodnota Ua.   

Ve skutečnosti jsou vztahy pro výpočet zesílení elektronkových zesilovačů složitější. V anodovém a mřížkovém obvodu bývají nejen odpory, nýbrž i kapacity a indukčnosti. Při vyšších kmitočtech se uplatňuje i vnitřní kapacita elektronky a kapacity přívodů. Musíme pak počítat i s reaktancemi těchto kapacit a  indukčnosti. Přestože reaktance  a   jsou závislé na kmitočtu, je i zesílení A (poměr amplitud střídavého napětí na anodě a mřížce) závislé na kmitočtu a rovněž na fázový posun mezi střídavým napětím na anodě a mřížce se mění v závislosti na kmitočtu.
Elektronkové zesilovače pracovaly v nejrůznějších zařízeních a v nejrůznějších zapojeních. Z toho důvodu byly požadavky na ně velmi rozmanité.Obvykle se požadovaly tyto vlastnosti:
                       1)Stálost zesílení
                       2)Co nejmenší zkreslení (tz.  Co nejmenší porušení úměrnosti mezi výstupním a vstupním signálem)
                       3)Co nejmenší rušivé napětí vznikající v zesilovači (šum, brum)
                       4)Schopnost zesilovat v určitém kmitočtovém pásmu.
Je samozřejmé že u jednotlivých typů zesilovačů se požadovalo (a stále požadují) další speciální vlastnosti, např. u elektrometrických zesilovačů velký vstupní odpor, stálost nuly, necitlivost na změnu napájecího napětí atd. 

Druhy zesilovačů
Z anodových obvodů elektronkových zesilovačů se vždy odebírá určitý výkon. Je-li odebíraný výkon poměrně malý při poměrně velkém výstupním napětí, mluvíme o napěťovém zesilovači. V průmyslové elektronice se jej velmi často používalo k zesílení malých napětí, např. z různých snímačů nebo měřících můstků. Je-li naopak vstupní napětí malé a výstupní proud poměrně velký, jde o tzv. proudovém zesilovači. Takový zesilovač se například používal ve spojení s elektromagnetickým relé. K napájení větších zařízení se používaly tzv. výkonové zesilovače, které dávaly jak velké výstupní napětí tak i velký výstupní proud. V regulační technice se používaly k napájení servomotorů atd. 

Podle druhu zesilovaného signálu můžeme rozdělit zesilovače na dva druhy: Zesilovače stejnosměrné a zesilovače střídavé. Vzhledem k tomu, že zesilovače s větším zesílením jsou několikastupňové, je možné roztřídit zesilovače též podle zapojení a vazby mezi stupni:
Zesilovač s konduktivní vazbou, tj. s přímým vodivým spojením (používala se zejména v stejnosměrných zesilovačích).
Zesilovače odporové s kapacitní vazbou.
Zesilovače tlumivkové s kapacitní vazbou.
Zesilovače s transformátorovou vazbou.
Dále můžeme třídit zesilovače podle zapojení na souměrné a nesouměrné a střídavé zesilovače podle pracovní kmitočtové oblasti na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční zesilovače.

Třídy zesilovačů
Zesilovače třídy A
Stejnosměrné předpětí řídící mřížky Ug0 (viz.obrázek) určuje pracovní bod A na dynamické charakteristice elektronky. Nepřivádí-li se na mřížku žádné střídavé napětí, prochází klidový anodový proud Ia0. Střídavá složka napětí na mřížce Ugst vyvolá střídavou složku anodového proudu Iast úměrnou napětí Ugst (viz.obrázek)
Leží-li pracovní bod uprostřed přímkové části dynamické charakteristiky, platí úměrnost i pro poměrně velké střídavé napětí na mřížce. Anodový proud teče po celou dobu periody.
Zesilovač pracující za těchto podmínek nazýváme zesilovač třídy A. V průmyslových podmínkách byla tato třída nejobvyklejší. Účinnost zesilovače třídy A je malá, protože i bez signálu prochází velký klidový anodový proud a vznikají ztráty v anodovém obvodu.

Zesilovače třídy C
Posuneme-li pracovní bod mimo dynamickou charakteristiku (v obrázku C ), přestává procházet klidový proud Ia0 a anodový proud prochází jen při kladných půlvlnách střídavého napětí na mřížce po dobu kratší než půl periody. Zkreslení zesilovače třídy C je značné.

Při volbě třídy zesílení se musí brát v úvahu určení zesilovače. Tak například jako zesilovač napětí se nejvíce používalo  zesilovačů pracujících ve třídě A, neboť zesilovaná napětí jsou obvykle malá a záleží více na malém zkreslení než na velké účinnosti. Při zesílení výkonu se používalo zesilovačů všech tříd zesílení. Při volbě tříd zesílení se nedívalo jen na velikost zkreslení ale i na dobrou účinnost atd.

Výkon a účinnost zesilovačů třídy A
V elektronice se počítá obvykle s vrcholovými hodnotami (amplitudami) střídavých veličin. Amplituda střídavé složky napětí Uam na anodovém zatěžovacím odporu Ra při amplitudě střídavé složky anodového proudu Iam je

Uam = Iam * Ra

Střídavý výkon v zátěži je:

Pz =  

 

Střední hodnota anodového proudu v elektronce se rovná klidovému proudu Ia0. Výkon dodaný anodovým zdrojem se stejnosměrným napětím Ua0 je tedy:

Pa = Ua0 * Ia0 

Elektrická účinnost elektronky je potom:

 

Při stanovení celkové účinnosti je třeba počítat i s potřebným výkonem pro žhavení Pžh 

 

Stejnosměrné zesilovače
Stejnosměrné zesilovače umožňují zesílit stejnosměrné nebo velmi pomalu proměnné napětí přivedené na mřížku elektronky. Po konstrukční stránce jsou velmi náročné, zvlášť požadujeme-li  značné zesílení malých napětí, v řádu  V, malá závislost na změnách napájecího napětí, velký vstupní odpor atd.Stejnosměrný zesilovač se v měřící a regulační technice používal často, neboť mnoho snímačů dávalo malá stejnosměrná výstupní napětí.V praxi se vyskytují jak jednoduché jednostupňové, tak i složitější  několikastupňové nesouměrné i souměrné stejnosměrné zesilovače.
Tento druh zesilovačů není, jak by se mohlo předpokládat, nezávislý na kmitočtu. Uplatňují se zde  kapacity mezi elektrodami elektronky, kapacity spojů, součástí atd.,které omezují zesílení při vyšších kmitočtech.
Spojení několika stupňů stejnosměrných  zesilovačů přímou konduktivní vazbou vyžaduje  zvláštní úpravu vzhledem k tomu, že se přímo vodivě spojuje obvod anody prvního stupně s obvodem mřížky následujícího stupně a přitom se musí zachovat potřebné záporné mřížkové předpětí. Můžeme použít několik způsobů:

Stejnosměrný zesilovač s konduktivní vazbou – jednotlivé stupně mají vlastní zdroje

Pro každý stupeň je zvláštní zdroj napětí. Tento způsob je velmi dobrý, avšak velmi nákladný. Nevýhodou je zvlášť velká náchylnost na kolísání napětí zdrojů. Je potřebná též velmi dobrá filtrace anodových zdrojů, zvláště u vstupního obvodu, Např.při zesílení koncového stupně 100 je třeba stabilizovat napájecí napětí předcházejícího stupně tak, aby  kolísání nepřesáhlo +/- 0,1V, nemá-li být kolísání výstupního napětí +/- 1V. U mnohastupňových zesilovačů jsou požadavky na filtraci napájecího napětí skoro nesplnitelné.

Stejnosměrný zesilovač s konduktivní vazbou – napájení z odporového děliče

Všechna napájecí napětí se odebírají z děliče připojeného na jeden zdroj. Tento způsob je velmi jednoduchý, a však vyžaduje tvrdý dělič (s malým odporem tz. velkou spotřebou). Anodové odpory je třeba volit tak, aby mřížky předcházejících stupňů dostaly správné předpětí.Nevýhodou je posouvání pracovního bodu v závislosti na stárnutí elektronky (pokles emise).Další nevýhodou je potřeba zdroje s velkým napětím.

Stejnosměrný zesilovač s konduktivní vazbou – mezi anodou první elektronky a mřížkou následující elektronky je zařazen zdroj kompenzačního napětí.

Použije se kompenzační napětí Uk. Při tomto zapojení se zařadí mezi anodu každé elektronky a mřížky následujícího stupně baterie připojená kladným pólem na anodu. Nevýhodou je velká kapacita kompenzačních zdrojů vůči kostře přístroje, což omezuje kmitočtový rozsah zesilovače. Kromě toho je potřeba občas nastavovat pracovní bod.

Vedle těchto způsobů existuje ještě řada dalších konduktivních vazeb, např. kompenzační dělič, s úbytkem napětí na doutnavce atd. Potížím vyplývajícím z vlastností stejnosměrných zesilovačů (např. vliv změn napájecích napětí a stárnutí elektronek na výstupní napětí) se lze vyhnout přeměnou stejnosměrného signálu na střídavý, který se zesiluje střídavým zesilovačem. K přeměně stejnosměrného napětí na střídavé se používal mechanický vibrační měnič, popřípadě jiné zařízení. Usměrní-li se zesílené střídavé napětí fázově citlivým usměrňovačem ( u něhož se mění polarita usměrněného napětí, změní-li se fáze střídavého napětí o 180°),dostaneme na výstupu zesílené stejnosměrné napětí, jehož polarita se mění se změnou vstupního napětí, tak jako u stejnosměrného zesilovače.

 

***

Kde sehnat elektronky
Zásadně nekupujte elektronky v GES - jsou předražené. S elektronkami obchoduje například pan Petr Svoboda, který se účastní pražských radiojarmarků. Obrátit se rovněž můžete na mě - www.misovystranky.wz.cz

 

 

Photos by Histes