آموزش ساخت آمپلیفایر و سیستمهای صوتی های فای

ایمیل نویسنده وبلاگ : Arefff@gmail.com

تحلیل مدارات لامپی به زبان ساده .
نویسنده : عارف - ساعت ٥:٢٧ ‎ب.ظ روز سه‌شنبه ۱٥ آذر ۱۳٩٠
 

قبل از اینکه به تحلیل فنی شماتیک و ساختار آمپلی فایر لامپی SETSON برسیم  خوبه که یک نگاه کلی به شماتیک و ساختار یک تقویت کننده لامپی داشته باشیم .

ساده ترین و بهترین و پرطرفدارترین ساختار یک تقویت کننده لامپی در کلاس تقویت A میباشد . طبق تعریف از این کلاس تمام سیگنال در هردو نیم سیکل فقط و فقط توسط یک المان تقویت کننده ( لامپ یا ترانزیستور) تقویت میشود . 

شماتیک زیر یک ترانزیستور در بایاس کلاس A را نشان میدهد .

در این تقویت کننده هر دو نیم سیکل سیگنال توسط یک ترانزیستور تقویت میشه . 

اگر توجه کنید سیگنال ورودی با خروجی 180 درجه اختلاف فاز داره . یعنی وقتی ورودی در مینیمم هست خروجی در ماکسیمم قرار داره و برعکس . واین بدلیل این هست که خروجی از کلکتور ترانزیستور گرفته شده . توجه داشته باشید که این نوع ترانزیستور ها ( دوقطبی) سیگنال رو از نظر جریان تقویت میکنند که توسط مقاومت کلکتور به ولتاژ دلخواه تبدیل میشه یعنی به زبان ساده دامنه تغییرات جریان کلکتور به دامنه ولتاژ ظاهر شده در کلکتور تبدیل میشه واز این جهت به ترانزیستور های دوقطبی سورس جریان هم گفته میشه . 

حالا ببینیم تقویت کننده کلاس A توسط لامپ به چه شکل صورت میگیره !!

براین منظور لامپ تریود برای تشریح واضح تر این موضوع انتخاب شده . لامپها برای اینکه در نقطه بایاس مناسب قرار بگیرند لازمه که ولتاژ گرید اونها نسبت به کاتد تنظیم و کنترل بشه !! ضمن اینکه مقاومت سری با پلیت توان و ضریب تقویت رو تحت تاثیر قرار خواهد داد

اگر در منحنی مشخصات یک لامپ دقت کنید رابطه بین ولتاژ گرید و جریان پلیت در ولتاژ های مختلف نشون میشه 

معمولا ولتاژ گرید جهت بایاس لامپ باید منفی باشه  مگر در موارد استثنایی مانند لامپهای 811-100th  

برای منفی تر کردن پایه گرید نسبت به کاتد دو راه هست یکی اینکه با یک مقاومت ولتاژ منفی رو به گرید لامپ اعمال کنیم دیگری اینکه ولتاژ کاتد نسبت به گرید مثبت تر بشه .

به همین خاطر دو نوع بایاس کلی برای این منظور طراحی میشود  

1: بایاس ثابت  یا fixed bias 

2: خود بایاس یا self bias 

در شکل زیر این دوحالت کنار هم ترسیم شده و با یک خط عمودی از هم جدا شده اند . به شکل دقت کنید !!

در تصویر سمت چپ حالت self bias این لامپ نمایش داده شده . برای اینکه پایه کاتد مثبت تر از گرید باشه از یک مقاومت سری با کاتد استفاده شده . میدونیم که در اثر عبور جریان از داخل مقاومت در دوسر اون افت ولتاژ رخ میده  و به همین اندازه افت ولتاژ کاتد نسبت به زمین مثبت تر خواهد شد.  گرید هم برای اینکه وضعیت صفر ولت در حالت عدم وجود سیگنال پیدا بکنه با یک مقاومت بزرگ ( چند برابر امدانس ورودی لامپ) به زمین وصل  میشه .

برای اینکه ضریب تقویت لامپ در اثر مقاومت کاتد پایین نیاد از یک خازن موازی با این مقاومت استفاده میشه . که این خازن در تحلیل DC صرف نظر شده و در تحلیل AC در محدوده پاسخگویی فرکانسی خازن بصورت اتصال کوتاه در نظر گرفته میشه .

به این دلیل که خازن در مسیر جریان DC بصورت مدار باز عمل نموده و جریان عبور نمیکنه (غیر از زمان لحظه شارژ شدن خازن)  اما در مقابل جریان AC مقاومت کمی از خودش نشون میده وبه همین جهت برای ایزوله کردن ولتاژ DC از یک سیگنال AC از خازن  استفاده شده . ظرفیت این خازن با توجه به جریان کاتد و پاسخگویی فرکانسی لازم محاسبه خواهد شد. با بالا رفتن ظرفیت این خازن پاسخگویی مدار در فرکانسهای پایین بهبود خواهد یافت .

تصویر سمت راست حالات بایاس ثابت fixed bias رو نشون میده . در این تصویر کاتد مستقیما به زمین وصل شده و برای اینکه گرید نسبت به اون منفی تر بشه ولتاژ منفی لازم توسط یک مقاومت به این پایه اعمال شده . برای اینکه این ولتاژ منفی از طبقات ورودی این لامپ ایزوله بشه یک خازن سری با گرید لامپ بعد از این مقاومت استفاده میشه .  ظرفیت این خازن با توجه به پاسخگویی فرکانسی لازم و مقدار امپدانس ورودی لامپ موازی با مقاومت گرید  محاسبه میشود. 

هردوی این طرح در آمپلی فایر های  لامپی به وفور استفاده میشن . و نسبت به هم معایب و مزایایی دارند که طراح با در نظر گفتن اون و محاسبه مشخصات فنی( ضریب تقویت / مقدار جریان مورد نیاز / توان لازم /gm مناسب و...) یکی از اینهارو انتخاب میکنه . 

مزایای اصلی حالت Self bias :

1: عدم نیاز به منبع ولتاژ اضافی جهت تامین ولتاژ گرید

2: عدم  نیاز به تنظیم ولتاژ بایاس در موقع تعویض لامپ 

3: عدم نیاز به خازن سری با گرید

4: قابلیت القای فیدبک به پایه کاتد در صورت لزوم 

5: قابلیت تعیین نقطه کاری ولتاژ پلیت جهت کوپل مستقیم به طبقات بعدی

معایب عمده :

1: نیاز به خازن  ومقاومت سری با کاتد که در لامپهای قدرت مقاومت از نوع پر وات هست

2: دیستورشن بیشتر نسبت به  بایاس ثابت

3: افت پاسخگویی فرکانسی  در اثر خازن کاتد

4: داشتن تلفات توان و حرارتی در مقاومت کاتد

5: توان نسبتا کمتر از بایاس فیکس

و در مقابل !!

مزایای اصلی حالت fixed bias :

1: عدم نیاز به استفاده از خازن و مقاومت سری با کاتد  

2دیستورشن کمتر 

3: توان بیشتر وتلفات کمتر

4: پاسخگویی فرکانسی وسیع تر و بهتر

معیب عمده این نوع بایاس :

1: نیاز به منبع ولتاژ اضافی جهت تامین ولتاژ منفی گرید negative bias 

2:نیاز به استفاده از خازن سری با گرید جهت ایزوله DC

3:عدم امکان اعمال فیدبک منفی در صورت لزوم 

4:عدم امکان تنظیم ولتاژ پلیت در نقطه کاری لازم برای کوپل مستقیم با طبقات بعدی

5: ضرورت تنظیم ولتاژ منفی گرید در صورت تعویض لامپ بدلیل تولرانس ضریب تقویت لامپها

 

حالا  که با ساده ترین و کاربردی ترین نوع بایاس و طراحی تقویت کننده یک طبقه ای آشنا شدید . خوبه که بپردازیم به چگونگی کار یک لامپ تریود در آخرین طبقه یک آمپلی فایر یعنی لامپ قدرت !! 

این لامپ وظیفه درایو کردن بلندگو رو به عهده داره اما از اونجایی که لامپها معمولا در ولتاژ های بالا کار میکنند و جریان خروجی کمی دارند و قادر به راه اندازی بلنگوی چند اهمی نیستند . برای تطبیق امپدانس بین خروجی لامپ و بلندگو از نوعی ترانسفورمر مخصوص استفاده میشه که چوک هم نامیده میشه . این چوک ها از نظر شماتیک ساختاری شبیه ترانس برق دارند . یعنی دارای یک اولیه و یک ثانویه ایزوله از هم اما از نظر طراحی و ساخت بسیار پیچیده تر و دقیق تر از یک ترانس برق هستند.

شکل زیر چگونگی اتصال یک لامپ به یک چوک بلندگو رو نشون میده این لامپ از نوع  DHT و بصورت بایاس فیکس در نظر گرفته شده :

 در مورد لامپهای DHT به معنی direct heated triode هم قبلا توضیحاتی داده شده . این لامپ ها کاتد جداگانه ندارند و فیلمان مستقیما به عنوان کاتد عمل میکنه .

خب همونطور که در شماتیک پیداست لامپ  تریود در حالت fixed bias بسته شده یعنی بایاس ثابت ! در این حالت کاتد باید مستقیما  به زمین وصل بشه . اما از اونجایی که کاتد DHT ها همون فیلمان هست به همین جهت برای اینکه بشه هم به اون ولتاژ لازم رو اعمال کرد هم به عنوان کاتد استفاده بشه . معمولا مقاومت های کم اهمی (چند اهم تا چند ده اهم) عمل اتصال کاتد به زمین رو انجام میدند . مقدار این مقاومتها حدالامکان باید کم باشه منتها تا حدی که از ولتاژ فیلمان جریان زیادی نکشه .

بجای مقاومت پلیت در این نقشه مستقیما یک سر اولیه چوک به اون وصل شده و سر دیگه اون به ولتاژ مثبت متصل هست .

در این حالت برای تنظیم بایاس گرید برای بدست آوردن نقطه کاری این سینگل یا تقویت کننده کلاس A  باید ولتاژ منفی به پایه گرید اعمال بشه . قبلا ذکر شد که در حالت بایاس فیکس این ولتاژ از یک منبع جداگانه قابل تنظیم تامین میشه . negative bias voltage .

با تنظیم ولتاژ منفی گرید و رسیدن جریان عبوری از پلیت به مقدار لازم میشه گفت این لامپ در بایاس مورد نظر قرار گرفته و کار میکنه 

جالبه که بدونید  نقشه بالایی به تنهایی یک آمپلی فایر لامپی هست !! باورتون میشه ؟ ! اما یک آمپلی فایر لامپی با ضریب تقویت (gain) کم . با استفاده از فرمول زیر میتونید بهره تقویت یک تقویت کننده لامپی یک طبقه ای رو محاسبه کنید

 


 
برای اینکه ضریب تقویت بیشتری داشته باشیم میتونیم یک طبقه تقویت ولتاژ به ورودی
 این مدار اضافه کنیم در این صورت ضریب تقویت این دو در هم ضرب شده و gain نسبتا
بالایی به دست میاد.

 به عنوان مثال اگر ضریب تقویت (gain) لامپ قدر ت دراین مدار حدود 4 محاسبه شده 
و ضریب تقویت لامپ ورودی 9 باشه ضریب تقویت کل مدار برابر با 36 خواهد بود
توجه داشته باشید که در شکل بالا این دو لامپ با ترانسفورمر اینتر استیج به هم وصل شده اند

در شکل زیر چند حالت کوپل مختلف برای راه اندازی لامپ قدرت رو می بینید

 ادامه دارد...