Wzmacniacze napięciowe w.cz. i p.cz.

Wzmacnianie wysokich częstotliwości jest nieco odmienne od wzmacniania sygnałów małej częstotliwości. Główna różnica tkwi w rodzaju tych sygnałów: sygnały małej częstotliwości są to z reguły sygnały szerokopasmowe, sygnały w,cz. są najczęściej sygnałami wąskopasmowymi. Wymaga to oczywiście zupełnie innego podejścia do wzmacniania sygnału. Dla wzmacniaczy m.cz. najważniejsze było uzyskanie odpowiednio szerokiego pasma, czyli tak się dobierało elementy aby dolna częstotliwość graniczna była jak najmniejsza, a górna jak największa. W przypadku wzmacniaczy w.cz. zależy nam aby przenieść tylko wymaganą w danej sytuacji szerokość pasma, dla sygnałów z modulacja AM jest to z reguły 9kHz, dla sygnałów FM - ok 160khz. Szerokość pasma na ogół jest bardzo mała w stosunku do częstotliwości granicznej wzmacnianego sygnału, np. szerokość pasma 9kHz dla sygnału o częstotliwości środkowej 1600kHz. Wtedy stosuje się specjalne elementy i układy wyłapujące tylko ten fragment pasma sygnału który chcemy wzmacniać. Są to najczęściej OBWODY REZONANSOWE, nazywane obwodami strojonymi. Nazwa ta wywodzi się z pierwszych lat radia, gdy nie stosowano jeszcze odbioru superheterodynowego i wszystkie obwody występujące w radiu były przestrajane.

Wzmacniacze wysokiej i pośredniej częstotliwości są zasadniczo takie same pod względem funkcji i konstrukcji, ich rozróżnienie jest głównie funkccjonalne. Wzmacniacze w.cz. służą do wzmocnienia sygnału o częstotliwości fali odbieranej przez odbiornik, więc muszą być przestrajane gałką strojenia odbiornika, z reguły za pomocą jednej z sekcji kondensatora strojeniowego. Wzmacniacze częstotliwości pośredniej służą zgodnie z zasadą odbioru superheterodynowego do wzmacnianiania sygnału o niezmiennej częśtotliwości pośredniej, są więc nieprzestrajane.

Schemat wzmacniacza rezonansowego na triodzie

Najprostszy, ale często powszechnie stosowany układ jest podobny do zwykłego wzmacniacza oporowego m.cz. ale zamiast rezystora włączony jest OBWÓD REZONANSOWY, tak jak na schemacie obok. Zgodnie z zasadą działania obwodu rezonansowego jego oporność jest bardzo duża (nawet kilka megaomów) dla częstotliwości bliskich częstotliwości rezonansowej i znacznie mniejsza, dążąca do zera dla częstotliwości pozostałych. A ponieważ wzmocnienie układu jest wprost proporcjonalne do impedancji w anodzie silnie wzmocnione są tylko częstotliwości leżące w okolicach częstotliwości rezonansowej, pozostałe są wzmacniane znacznie słabiej albo wręcz są tłumione. Układ taki nazywany jest wzmacniaczem rezonansowym, gdyż obciążeniem elementu wzmacniającego - lampy jest obwód rezonansowy. Gdy wzmacniacz jest wzmacniaczem w.cz, czyli dostrajanym do aktualnie odbieranej częstotliwości, to pojemności obwodów rezonansowych są pojemnościami zmiennymi, regulowanymi pokrętłem strojenia odbiornika. Gdy jest to wzmacniacz p.cz, nieprzestrajany, to są to pojemności stałe, ewentualnie trymery do jednorazowego (w fabryce) dostrojenia obwodu do żądanej częstotliwości.

SELEKTYWNOŚĆ zapewniana przez taki układ zależy od dobroci obwodu rezonansowego - im dobroć jest większa tym selektywność lepsza. Wzmocnienie tego układu jest zależne od oporności jaką przedstawia obciążenie lampy dla sygnałów zmiennych. Składa się ona z oporności dynamicznej obwodu rezonansowego w anodzie lampy, z równolegle dołączoną opornością wyjściową lampy. Oporność dynamiczna zależy przedewszystkim od stosunku indukcyjności do pojemności tworzących obwód rezonansowy, im ten stosunek jest większy tym oporność dynamiczna jest większa, czyli osiągane wzmocnienie lepsze. Ze względu na to, że w praktyce wartości oporności dynamicznej obwodów rezonansowych są bardzo duże istotną rolę odgrywa oporność wyjściowa lampy, która bocznikuje obwód. Gdy będzie ona mniejsza niż oporność dynamiczna to ona określi wzmocnienie wzmacniacza, oraz dodatkowo znacznie zmniejszy jego dobroć, co zaowocuje spadkiem selektywności.

Z tego względu do budowy wzmacniaczy w.cz. i p.cz. stosuje się prawie wyłącznie tetrody i pentody, a prawie nigdy triody, których oporność wyjściowa jest stosunkowo mała. We wzmacniaczach w.cz. bardzo często zastosowanie znajdują selektody, gdyż łatwo można za ich pomocą zmieniać wzmocnienie stopnia - wystarczy zmieniać ujemne napięcie siatka-katoda: im napięcie na siatce bardziej ujemne tym wzmocnienie stopnia mniejsze. Tą metodą bardzo prosto można realizować np. ARW w odbiornikach, albo ręczną regulację czułości. Triody maja jeszcze jedną istotna wadę - znaczną pojemność zwrotną (Csa, pomiędzy siatka a anodą), którą sygnał z anody przenika na siatkę. W praktyce powoduje to, że wzmocnienie stopnia z triodą nie może być zbyt duże, bo cały układ się wzbudzi na częstotliwości obwodu rezonansowego. Tetrody i pentody przeznaczone do pracy jako lampy w.cz. mają trzy rzędy wielkości (tysiąckrotnie) mniejszą wartość tej pojemności.

Schemat wzmacniacza w.cz. z filtrem pasmowym

Selektywność odbiornika wyznaczana jest przez dobroć, oraz przede wszystkim ilość obwodów strojonych w nim użytych. Naprawdę dobrą selektywność odbiornika zapewnia dopiero sześć obwodów strojonych, czyli tyle ile zawierała przeciętna superheterodyna. W sytuacji gdy każdy obwód jest w anodzie oddzielnej lampy to ilość lamp jaka musi być umieszczona w odbiorniku drastycznie rośnie - odbiornik robi się bardzo skomplikowany, oraz drogi w konstrukcji i eksploatacji. Wymyślono w związku z tym inne rozwiązanie tego problemu - FILTRY PASMOWE. Filtr taki jest połączeniem dwóch niezależnych obwodów rezonansowych wzajemnie ze sobą sprzężonych - pojemnościowo lub indukcyjnie. Taka konstrukcja zapewnie większą selektywnośc niż dwa oddzielne obwody, do tego o korzystniejszym kształcie charakterystyki częstotliwościowej - prawie płaskiej w zakresie przenoszonych częstotliwości i o bardziej stromych zboczach w obszarze tłumienia. Regulując wartość sprzężenia zmienia się selektywność filtra, oraz jego wzmocnienie. Wykorzystywane to jest w niektórych modelach odbiorników do regulacji selektywności - za pomocą odpowiedniego pokrętła zmieniało się sprzężenie obwodów najczęściej poprzez regulacje wzajemnego położenia cewek tych obwodów względem siebie.

Schemat wzmacniacza dławikowego

Schemat wzmacniacza z filtrem pasmowym pokazany jest na rysunku z lewej strony. Od poprzedniego różni się on tym, że zamiast pojedyńczego obwodu rezonansowego w anodzie lampy umieszczone są dwa wzajemnie sprzężone tworzące FILTR PASMOWY, a wyjściem układu nie jest napięcie z anody lampy, ale napięcie występujące na drugim (wtórnym) obwodzie filtru. Taki układ był stosowany w przytłaczającej większości odbiorników superheterodynowych jako wzmacniacz p.cz., oraz w części odbiorników o bezpośrednim wzmocnieniu jak wzmacniacz w.cz.

Czasami zamiast włączania obwodu rezonansowego szeregowo z lampą włącza się go równolegle do lampy, tak jak to widać na schemacie obok. Obciążeniem dla prądu stałego jest wtedy szeregowo umieszczony z lampą dławik. Ponieważ dla prądu stałego dławik ma bardzo małą oporność to prąd stały polaryzujący lampę przepływa przez niego bez problemu. Jednocześnie dla prądu zmiennego impedancja dławika powinna być bardzo duża, znacznie większa od oporności dynamicznej obwodu rezonansowego, wtedy dla prądu zmiennego można go pominąć i założyć, że obciążeniem lampy jest tylko sam obwód rezonansowy i ewentualnie impedancja wyjściowa lampy. W praktyce układ zachowuje się tak samo jak wersja szeregowa z rysunku poprzedniego. Kondensator Cb służy do odzielenia składowej stałej, inaczej zostałaby ona zwarta przez indukcyjność obwodu rezonansowego Pojemność ta musi być na tyle duża, aby dla prądów zmiennych można ją było traktować jako zwarcie. Układ ten jest chętnie stosowany jako przestrajalny wzmacniacz w.cz, gdyż wtedy żadna z końcówek kondensatora obwodu (który wtedy musi być kondensatorem zmiennym) nie znajduje się na wysokim stałym potencjale. Upraszcza to znacznie konstrukcję mechaniczną odbiornika, gdyż z reguły jedna a końcówek kondensatora zmiennego połączona jest z jego obudową i poprzez nią z masą odbiornika. W tym układzie takiego kondensatora można użyć, w układzie szeregowym, takim jak rysunek wcześniej obie końcówki kondensatora są na wysokim potencjale (pełne napięcie anody) i muszą być specjalnie izolowane od masy, co utrudnia konstrukcję odbiornika. Oczywiście w układzie dławikowym można używać obu typu wzmacniaczy - rezonansowych i z filtrem pasmowym. Czasami zamiast dławika stosowany był rezystor, jest to rozwiązanie prostsze, jednak znacznie gorsze - ponieważ przez rezystor przepływa prąd stały polaryzujący lampę to nie może on mieć zbyt dużej wartości (dobiera się go podobnie jak rezystor anodowy dla wzmacniaczy oporowych m.cz.), przez co tłumi on obwód rezonansowy zmniejszając wzmocnienie i selektywność wzmacniacza.

W opisanych do tej pory konstrukcjach użyto triod, które w praktyce prawie nie są stosowane do budowania wzmacniaczy w.cz. Wynika to z zasadniczych wad triody - niewielkiego wzmocnienia, braku możliwości regulacji wzmocnienia (teoretycznie można było produkować triody o regulowananej charakterystyce, ale praktycznie nie były one nigdy produkowane), oraz najistotniejszej chyba wady - bardzo dużej (kilka pikofaradów) pojemności zwrotnej (pomiędzy siatką a anodą). Pojemność ta dla sygnałów zmiennych stanowi niewielką przeszkodę i wzmocnione sygnały z anody przenikają na siatkę. Jak zostało to opisane w przypadku wzmacniaczy małej częstotliwości jest to przyczyna ograniczająca wzmocnienie dla wyższych częstotliwości, w tym przypadku jednak nie to jest główną przeszkodą. Taki układ wzmacniacza w.cz. ma bardzo duże szanse wzbudzić się (generować drgania) na częstotliwości bardzo bliskiej do tej którą wzmacnia. Dzieje się tak, gdyż obwody LC wprowadzają przesunięcia fazy. Praktyczne układy wzmacniaczy w.cz. mają obwód LC umieszczony tak jak na schematach powyżej w anodzie lampy, ale również i ich siatki są sterowane z obwodów LC - osiąga się tą metodą większą selektywność. Obwód LC nie wprowadza przesunięcia fazy tylko dla częstotliwości równej częstotliwości rezonansu własnego. W przypadku innych częstotliwości następuje przesunięcie fazy. Teraz wystarczy, że obwody anodowy i siatkowy wzmacniacza są minimalnie rozstrojone, a w praktyce nie da się ich zestroić idealnie i jeżeli tylko sprzężenie przez pojemność anoda-siatka będzie dostatecznie silne wzmacniacz się wzbudzi.

W pierwszych konstrukcjach odbiorników, kiedy były w nich używane jeszcze wyłącznie triody był to poważny problem, który bardzo utrudniał budowanie odbiorników wieloobwodowych. W celu uniknięcia tego problemu stosowano tzw. neutralizację, czyli doprowadzenie do siatki napięcia z wyjścia wzmacniacza, ale odwróconego w fazie o 180 stopni, o takiej wartości jak napięcie przenikające z anody na siatkę. Wtedy napięcia te się znosiły i wzmacniacz był odpornejszy na wzbudzenie. Neutralizacja jest jednak kłopotliwa, wymaga dokładnego ustawienia i nie daje dobrych efektów przy wzmacniaczach przestrajanych. Jest to przyczyna, dla której we wzmacniaczach w.cz. stosowane były praktycznie zawsze tetrody lub pentody, od momentu jak tylko stały się dla konstruktorów dostępne.

Schemat wzmacniacza w.cz. na tetrodzie z ręczną regulacją wzmocnienia

Schemat wzmacniacza w.cz. na tetrodzie z ręczną regulacją wzmocnienia pokazano obok. Jest on bardziej rozbudowany od poprzedniego, ale jego możliwości są też wielokrotnie lepsze. Sygnał wejściowy podawany jest na siatkę sterującą lampy za pomocą obwodu rezonansowego L2C1, obwód ten oczywiście musi być nastrojony na częstotliwość wzmacnianą przez filtr. Sygnał wejściowy podłączony jest indukcyjnie z cewką obwodu LC za pomocą cewki L1. Obciążeniem lampy wzmacniającej jest filtr pasmowy złożony z dwóch obwodów LC: L3C2 i L4C3. Te obwody oczywiście też muszą być dostrojone do wzmacnianej częstotliwości. W przypadku kaskadowego łączenia filtrów, tzn. kilka stopni szeregowo jeden za drugim cewka L4 wyjściowego obwodu LC filtru pasmowego może być cewką która bezpośrednio steruje siatkę lampy następnego stopnia, odpowiadałaby on cewce L1 tego stopnia. Oczywiście przy projektowaniu takiego wzmacniacza istnieje pełna dowolność, obciążeniem nie musi być filtr pasmowy, tylko pojedyńczy obwód LC, dławik, rezystor itp., analogicznie na wejściu może nie być żadnego obwodu LC, albo pełen dwuobwodowy filtr pasmowy.

Opisane przed chwilą układy nie różnią się od układów użytych we wzmacniaczu triodowym. Nowością są rezystory R1 i R2, ustalające pewne stałe, dodatnie napięcie na siatce drugiej (ekranującej) lampy. Wysokość tego napięcia zależy od typu użytej lampy oraz od założonego punktu pracy, jest z reguły określona w katalogach. Kondensator C4 zwiera do masy jakiekolwiek zmienne składowe napięcia na siatce drugiej, tak aby to napięcie było stałe, inaczej siatka druga straci swoje własności ekranujące. Rezystor R3 i kondensator C5 mają identyczną rolę jak odpowiadające im elementy we wzmacniaczu triodowym - ustalają określony punktem pracy prąd katodowy lampy. Siatka pierwsza ma z punktu widzenia polaryzacji stały potencjał masy. Dodatkowym elementem jest potencjometr P1. Jest on połączony w szereg z rezystorem R2. Jeżeli jest skręcony tak, aby miał minimalną oporność to punkt połączenia rezystorów R2 i R3 ma potencjał masy. Gdy jego oporność jest większa od zera to punkt ten ma pewien potencjał dodatni, bo wraz z rezystorami R1 i R2 tworzy pewien dzielnik napięcia.

Schemat wzmacniacza w.cz. na tetrodzie z automatyczną regulacją wzmocnienia (ARW)

Napięcie to zależy od wzajemnych stosunków wartości rezystorów i potencjometru. Napięcie to oczywiście przenosi się na katodę, bo katoda jest do tego punktu dołączona (przez rezystor R3). A ponieważ siatka sterująca lampy ma stały potencjał równy zeru, to wraz ze wzrostem napięcia na katodzie stałe napięcie ujemne (pomiędzy siatką a katodą) polaryzujące lampę jest większe - lampa jest coraz bardziej zatykana. Jeżeli teraz lampa jest selektodą to zmieniać się jej będzie nachylenie charakterystyki, a co za tym idzie wzmocnienie tego układu. W praktyce zmiana wzmocnienia od maksymalnego (przy minimalnej wartości oporności potencjometru) do minimalnego (przy maksymalnej wartości oporności potencjometru) jest rzędu tysiąca i więcej. Wzmacniacz w takim układzie, z ręczną regulacją wzmocnienia, jest używany praktycznie wyłącznie jako wstępny stopień wieloobwodowych odbiorników reakcyjnych, gdyż regulacja czułości odbiornika za pomocą regulacji jego wzmocnienia jest wygodniejsza od regulacji za pomocą sprzężenia cewek lub podobnej. Nie jest ten układ stosowany jako wzmacniacz częstotliwości pośredniej, gdyż wtedy znacznie lepszym rozwiązaniem jest automatyczna regulacja wzmocnienia.

Układ z automatyczną regulacją wzmocnienia jest dość zbliżony do poprzedniego, a nawet, jak widać na schemacie po lewej stronie znacznie prostszy. Obwody wejściowe i wyjściowe tego układu są identyczne jak poprzednio i pełnią identyczną rolę. Zasilanie siatki drugiej jest prostsze, nie jest potrzebny dzielnik napięcia na dwóch rezystorach, wystarczy jeden rezystor R1, o takiej wartości, aby przepływający przez niego prąd siatki drugiej wywołał na tyle duży spadek napięcia, aby napięcie siatki drugiej uzyskało odpowiednią wartość. Do filtrowania przenikających składowych zmiennych służy jak poprzednio kondensator C4. Punkt pracy lampy ustala rezystor R2, jego rola jest analogiczna do opornika katodowego w triodach.

Dodatkiem jest rezystor R3 i kondensator C6. Przez te elementy na siatkę sterującą lampy podany jest stały potencjał polaryzujący o pewnej wartości, zazwyczaj ujemnej. Elementy te tworzą filtr dolnoprzepustowy likwidujący pozostałości jakiegokolwiek napięcia zmiennego. Napięcie stałe polaryzujące lampę w tym układzie nosi nazwę napięcia ARW (Automatycznej Regulacji Wzmocnienia), jest otrzymywane z detektora ARW. Powinno ono być tym bardziej ujemne im silniejszą stację odbiera odbiornik. Im to napięcie jest bardziej ujemne tym lampa bardziej zatkana. Gdy jest ona selektodą zmniejsza się wtedy wzmocnienie stopnia ograniczając wzmocnienie dla silnych sygnałów. Jeżeli detektor ARW jest tak skonstruowany, że napięcie ARW jest zawsze choć trochę ujemne, to można pominąć nawet elementy R2 i C5, a punkt pracy lampy ustalać wartością początkową tego napięcia, tzn. tak dobrać ujemne napięcie ARW bez sygnału na wejściu odbiornika aby punkt pracy lampy był zgodny z założonym.

Układ wzmacniacza p.cz. lub w.cz. o takiej konstrukcji jest wygodniejszy w uzyciu od regulowanego ręcznie, gdyż automatycznie, bez ingerencji użytkownika reaguje na zmiany siły sygnału odieranego przez antenę. Można go jednak stosować tylko w układach wyposażonych w detektor diodowy, a nie reakcyjny czy anodowy, czyli przede wszystkim w odbiornikach superheterodynowych. Używany jest zarówno jako wzmacniacz pośredniej częstotliwości jak i ewentualny wzmacniacz wstępny w.cz. Oczywiście nie jest wymagane, żeby odbiornik był superheterodyną aby wykorzystać ten układ, wystarczy detektor diodowy, przykładem radia które nie jest superem, a posiada detektor diodowy a nie reakcyjny jest radio Elektrit model Stentor.