Montujemy najprostszy wzmacniacz lampowy małej częstotliwości (I)
Radioamator i Krótkofalowiec 1961/05. Autor: K.W.
(Kącik dla początkujących radioamatorów)
Pomimo stałego postępu w produkcji i zakresie stosowania elementów półprzewodnikowych, jak diody i tranzystory, zasadniczym składnikiem większości urządzeń radiotechnicznych pozostaje jeszcze nadal lampa elektronowa. Jak wiemy, wynaleziona przed około pięćdziesięciu laty lampa stworzyła nieco wcześniejszej od niej radiotechnice wspaniałe perspektywy rozwojowe i stała się podstawą jej niezwykłej kariery. Znajomość konstrukcji oraz zasady działania lampy elektronowej jest pierwszym stopniem "wtajemniczenia" każdego radiotechnika i dlatego obowiązuje również początkujących radioamatorów. Naszą znajomość z lampami elektronowymi zawrzemy w sposób najprostszy, a mianowicie przez własnoręczne zmontowanie i wypróbowanie jednolampowego wzmacniacza małej częstotliwości. Wzmacniacz ten może być wykorzystany do odbiornika detektorowego i oddać - pomimo swej prostoty - niemałe usługi np. w razie potrzeby słuchania audycji przy użyciu większej liczby słuchawek (2 - 6 par).
Schemat ideowy wzmacniacza jest przedstawiony na rys. 1 w dwóch wariantach, różniących się między sobą sposobem doprowadzenia sygnału z detektora do układu wzmacniacza. W pierwszym przypadku (rys. 1a) zastosowany jest sprzęgający transformator tzw. "małej częstotliwości", o odpowiednio dobranej przekładni. Układ ten należy stosować wówczas, gdy sygnał uzyskiwany z odbiornika detektorowego jest bardzo słaby, a zależy nam na otrzymaniu możliwie dużego wzmocnienia, przy czym nie jest tutaj przewidziana jakakolwiek regulacja siły głosu (wzmocnienia). Stosowanie wzmacniacza w układzie z rys. 1b jest natomiast wskazane wówczas, gdy odbiornik detektorowy odtwarza audycje z dość znaczną głośnością; wzmacniacz ten jest nieco prostszy w konstrukcji, a jednocześnie umożliwia regulację siły głosu. Musimy jednak pamiętać, że wzmocnienie zapewniane przez ten układ jest mniejsze od maksymalnego, jakie daje ta sama lampa sprzężona z detektorem za pomocą transformatora. Oczywiście w obu przypadkach sygnał akustyczny z wyjścia odbiornika detektorowego doprowadzany jest do tej samej elektrody, tzw. "siatki sterującej" lampy.
Rys. 1. Schemat ideowy wzmacniacza
a - sprzężenie transformatorowe, b - sprzężenie galwaniczne
Działanie układu wzmacniającego z lampą elektronową jest bardzo proste i łatwo zrozumiałe dla wszystkich, który przy okazji budowy wzmacniacza małej częstotliwości z jednym tranzystorem (Radioamator nr 3/61) poznali opisaną tam - w znacznym co prawda uproszczeniu - ogólną zasadę pracy tego typu układów. Również i tu słaby sygnał z odbiornika detektorowego służy tylko do sterowania układu wzmacniającego, natomiast słuchawki pracują kosztem energii pobieranej z lokalnego źródła zasilania - baterii lub zasilacza sieciowego. Podobnie jak tam tranzystor, tak tu lampa elektronowa jest elementem, z pomocą którego następuje właściwa regulacja prądu płynącego w obwodzie lokalnego źródła energii.
Dla właściwego zrozumienia pracy układu konieczne jest jednak chociaż bardzo ogólne zaznajomienie Czytelników z konstrukcją lampy elektronowej. Nie jest to trudne zadanie o tyle, że z pewnością większość z Was zna ją już co nieco; któż bowiem zdoła się oprzeć pokusie i nie stłucze chociażby jednej uszkodzonej (zużytej) lampy, aby na własne oczy stwierdzić, co też ona zawiera w środku. Lampa elektronowa składa się - w jednym z najprostszych przypadków - z włókna żarzenia (tzw. "katody"), "siatki sterującej" i "anody". Rys. 2 obrazuje nam konstrukcję takiej właśnie lampy, zwanej popularnie "triodą".
Rys. 2. Konstrukcja triody (dawny typ)
Zjawiska zachodzące wewnątrz lampy nie są bynajmniej aż tak bardzo skomplikowane, aby nie mogły być w prosty sposób objaśnione. Na rys. 3 widzimy zwykłą żarówkę elektryczną z wtopioną do wewnątrz bańki dodatkową elektrodą w postaci metalowej płytki. Płytkę tę nazywać będziemy "anodą" lampy. Pomiędzy anodę i włókno żarzenia lampy załączony jest w szereg z baterią Ba (o napięciu kilkudziesięciu woltów) przyrząd pomiarowy, wskazujący wartość natężenia prądu płynącego w obwodzie. Bateria żarzenia Bż służy tylko - jak to zresztą sama jej nazwa wskazuje - do rozżarzenia włókna lampy. Zaobserwowane przez słynnego wynalazcę T.A. Edisona zjawisko jest bardzo ciekawe: stwierdził on mianowicie, że w obwodzie anody płynie prąd, jeśli spełnione są jednocześnie dwa warunki, a mianowicie, gdy:
- włókno lampy jest rozżarzone,
- do anody przyłączony jest dodatni biegun baterii Ba.
Jeśli choć jeden z powyższych warunków nie jest spełniony, prąd anodowy - bo tak go teraz będziemy nazywali - w obwodzie nie płynie; przedstawiono to obrazowo na rys. 3.
Rys. 3. Doświadczenie Edisona ze zmodyfikowaną lampą żarową
Edison nie mógł sobie wytłumaczyć tych dziwnych zjawisk występujących w zmodyfikowanej w ten sposób zwykłej lampie żarowej; nie było to zresztą łatwe przy ówczesnym stanie wiedzy. Dzisiaj wiemy już, że rozżarzone włókno, czyli "katoda" lampy, stanowi źródło swobodnych elektronów, które składają się na tak zwany prąd emisyjny lampy. prąd ten płynie przez próżnię w lampie, o ile na jej anodzie występuje dodatnie, w stosunku do katody, napięcie.
Właściwe "narodziny" lampy elektronowej nastąpiły jednak znacznie później, na kilka lat przed wybuchem pierwszej wojny światowej, kiedy to w zmodyfikowanej lampie Edisona została umieszczona dodatkowa, trzecia elektroda o ażurowej konstrukcji. Elektroda ta jest właśnie dlatego nazywana siatką. Rys. 4 obrazuje nam działanie siatki: jeśli doprowadzimy do niej dość duże napięcie ujemne (rys. 4a), to działa ona silnie hamująco (odpychająco) na wyswobodzone z katody elektrony, które stanowią sobą elementarny ujemny ładunek, i prąd anodowy płynący przez lampę jest bardzo niewielki. Jeżeli ujemne napięcie siatki jest małe, jej działanie hamujące jest znacznie słabsze, dlatego też - jak widzimy na rys. 4b - prąd anodowy lampy ma znacznie większą wartość. Rys. 4c przedstawia nam jeszcze inny przypadek: do siatki lampy doprowadzone jest niewielkie napięcie dodatnie. Teraz siatka nie tylko nie odpycha wyswobodzonych z katody elektronów, lecz jeszcze pomaga im w ich biegu do dodatniej anody; dlatego też prąd płynący przez lampę osiąga dużą wartość. Jednocześnie jednak niewielka część emitowanych przez katodę elektronów, a mianowicie te elektrony, które trafiły wprost w rzadko rozmieszczone druciki siatki sterującej, tworzą tzw. "prąd siatki" zamykający się w obwodzie baterii siatkowej. Jest to całkowicie zrozumiałe, ponieważ w tym przypadku siatka, mając co prawda niewielki, lecz jednak dodatni potencjał, upodabnia się w swym działaniu do anody.
Rys. 4. Działanie sterujące siatki
Powyższe zobrazowanie zjawisk zachodzących w lampie elektronowej pozwala nam już ogólnie zrozumieć jej działanie w układzie wzmacniacza (rys. 5). Jak stwierdziliśmy, zmiany napięcia na siatce sterującej wywołują zmiany natężenia prądu płynącego w obwodzie anodowym lampy, oznaczonym na tym rysunku dla ułatwienia grubymi liniami. W tej sytuacji przez słuchawki płynie prąd o dość znacznej wartości, uzależnionej od przebiegów napięciowych na elektrodzie sterującej, co daje nam w efekcie ścisłe odtworzenie sygnału sterującego w słuchawkach.
Rys. 5. Układ wzmacniacza z triodą
Orientując się już w konstrukcji lampy elektronowej i działaniu układu wzmacniającego możemy teraz powrócić do naszego schematu z rysunku 1a oraz przystąpić do budowy wzmacniacza. A oto zestawienie potrzebnych do tego celu elementów:
- V - lampa elektronowa bateryjna typu 1S5T - 1 szt.
- Tr - transformator wejściowy (wg opisu) - 1 szt.
- Ba - bateria anodowa 30÷70V - 1 szt.
- W - wyłącznik błyskawiczny 2-biegunowy - 1 szt.
- gniazdka radiowe z nakrętkami - 8 szt.
- blacha aluminiowa lub żelazna
- drobny sprzęt montażowy, jak śruby, nakrętki, przewód montażowy itp.
Prawdopodobnie najwięcej kłopotów będą mieli Czytelnicy ze zdobyciem właściwego transformatora "wejściowego", gdyż obecnie popularność jego nie jest wielka. Jest to transformator tzw. "międzylampowy" o przekładni podwyższającej co najmniej 1:4. Znakomicie się tutaj nadają transformatory wymontowane ze starych, dwulampowych odbiorników produkcji niemieckiej. Ale można go wykonać również samodzielnie wg następujących danych"
- przekrój środkowej kolumny rdzenia: około 1÷2 cm2,
- uzwojenie pierwotne: 1000 zwojów drutu w emalii o średnicy 0,1÷0,15 mm,
- uzwojenie wtórne: 4000 zwojów drutu w emalii o średnicy 0,1 mm.
Można też wykorzystać do tego celu jakikolwiek z posiadanych w zapasie transformatorów głośnikowych (np. typu Pionier, Szarotka. Stolica itd.), odpowiednio go przerabiając. Ponieważ pierwotne uzwojenie transformatora głośnikowego ma około 2000÷3000 zwojów, można je zastosować jako wtórna dla nowego układu. Pozostaje więc tylko usunąć niepotrzebne nam uzwojenie niskoomowe (około 100 zwojów drutu o średnicy około 0,5÷0,8mm) i na to miejsce dowinąć uzwojenie pierwotne w ilości około 800÷1000 zwojów. Średnica drutu może być tutaj dowolna, odpowiednio do wolnej przestrzeni, jaka pozostaje do dyspozycji.
Lampa typu 1S5T stosowana jest w komplecie lamp popularnej "Szarotki". Rys. 6 przedstawia jej wygląd zewnętrzny oraz układ cokołu, czyli połączenia poszczególnych elektrod lampy z wyprowadzeniami na zewnątrz "nóżkami".
Rys. 6. Lampa 1S5T
a - wygląd zewnętrzny, b - układ cokołu
Jak widzimy, lampa ta jest wieloelektrodową, ponieważ poza znaną nam już katodą (nóżki 1 i 7), siatką sterującą (nóżka 6) oraz anodą (nóżka 5) ma jeszcze inne dodatkowe elektrody. Nie będziemy się nimi na razie bliżej zajmować, ponieważ w naszym układzie lampę 1S5T wykorzystamy jako triodę; będzie to możliwe dzięki odpowiedniemu jej włączeniu do układu. W tym celu połączymy razem nóżki 4 i 5 i obie wyprowadzone na nie elektrody wykorzystamy jako anodę. Obrazowo przedstawia to rysunek 7, gdzie lampa 1S5T przedstawiona jest w układzie triody. Dodatkowa elektroda wyprowadzona na trzecią nóżkę lampy pozostaje nigdzie nie podłączona, nie jest nam ona bowiem tu potrzebna.
Rys. 7. Lampa 1S5T zamieniona w triodę
Montaż aparatu najlepiej rozpocząć od jego metalowej podstawy, tzw. "chassis" (czytaj: szassi). Na rys. 8 pokazano przykładowo wykonanie takiej podstawy; oczywiście rozmieszczenie śrub przytwierdzających transformator wejściowy lub nawet ewentualnie rozmiary całości należy dostosować do wielkości i systemu umocowania posiadanego transformatora. Pomocą również może się okazać fotografia modelu wzmacniacza, aczkolwiek należy raczej dążyć stopniowo do samodzielnego projektowania konstrukcji prostych urządzeń na podstawie schematu ideowego. Ścisłe, a w szczególności "bezmyślne" kopiowanie opisywanych modeli nie jest najlepszą praktyką, musimy bowiem pamiętać, że prawdziwy radioamator potrafi poprawnie konstruować układy elektronowe wyłącznie na podstawie schematu ideowego i ewentualnie dodatkowych, raczej ogólnych, wytycznych.
Rys. 8. Przykład wykonania metalowej podstawy
Poszczególne wymiary należy dostosować do rozmiarów zastosowanego transformatora.
Podstawę wzmacniacza najlepiej wykonać z blachy aluminiowej grubości 0,5 mm, która jest najłatwiejsza w obróbce, lub z blachy żelaznej albo cynkowej.
Z kolei należy umocować transformator, podstawkę lampową i gniazdka radiowe. W przypadku wykonania chassis z blachy (można też i z innego materiału) gniazdka te należy umocować z zastosowaniem odpowiednich podkładek izolujących, tak aby żadne z nich nie miało styku z masą. Wykonanie podkładek oraz ich montaż pokazany jest na rys. 9.
Rys. 9. Wykonanie podkładki izolacyjnej i montaż gniazdka
Stosując chassis z materiału nieprzewodzącego, gniazdka umocujemy bezpośrednio w odpowiednio dopasowanych otworach (średnica 6 mm). Dalszy montaż wzmacniacza sprowadza się do połączenia poszczególnych elementów zgodnie ze schematem ideowym (rys. 1a) i montażowym (rys. 10).
Rys. 10. Schemat montażowy wzmacniacza
Przewody łączące (o średnicy 0,5÷1 mm w igelicie) umocowujemy za pomocą oczek pod nakrętki gniazdek oraz lutujemy do odpowiednich nóżek podstawki lampowej. Opisywany tu układ jest na tyle prosty, że nie wymaga żadnych dodatkowych wyjaśnień, gdyż jego montaż z pewnością nie przysporzy nikomu kłopotu.
Do gotowego (i sprawdzonego) układu wzmacniacza należy teraz przyłączyć źródło zasilania. Jako pierwsze - załączamy baterię żarzenia Bż czyli ogniwo 1,5-woltowe (tzw. "amerykanka"). W tym celu należy ogniwo to zakończyć przewodami z wtyczkami - najlepiej kolorowymi, w celu łatwego rozróżniania biegunów. Rys. 11 przedstawia taką baterię i wskazuje jej biegun dodatni i ujemny.
Rys. 11. Biegunowość baterii żarzenia 1,5V
Zachowanie właściwej biegunowości baterii żarzenia ma w naszym układzie bardzo istotne znaczenie, trzeba też poświęcić tej sprawie kilka słów wyjaśnienia. W normalnie spotykanych układach wzmacniaczy do siatek sterujących poszczególnych lamp doprowadza się pewne ujemne napięcie, o wartości zależnej od parametrów układu. Ma to na celu zapewnienie pracy lampy z możliwie małymi zniekształceniami. Większość Czytelników z pewnością pamięta również, że w poznanych uprzednio układach wzmacniaczy z tranzystorami (Radioamator nr 3 i 4/61) stosowaliśmy analogicznie pewne "przednapięcia" dla baz tranzystorów. Układ naszego wzmacniacza lampowego został celowo uproszczony, dlatego też nie zawiera on żadnych dodatkowych elementów dla uzyskania tej tzw. "polaryzacji siatki sterującej". Tym niemniej siatka ta ma również pewien ujemny potencjał w stosunku do włókna żarzenia po prostu dlatego, że jest ona przyłączona (przez wtórne uzwojenie transformatora) do ujemnego bieguna baterii żarzenia - średnie ujemne przednapięcie siatki w stosunku do włókna żarzenia wynosi w tym przypadku około 0,7V). Trzeba jednak wyraźnie podkreślić, że jest to praktyka raczej wyjątkowa, dopuszczalna w tym konkretnym przypadku ze względu na zastosowane niskie napięcie anodowe oraz przeznaczenie wzmacniacza. Jak wiemy, odbiornik detektorowy dostarcza z reguły bardzo niewielkich napięć akustycznych, dlatego też można nie mieć obawy o tzw. "przesterowanie" wzmacniacza. Przesterowanie takie, jak z pewnością większość Czytelników już się domyśla, wynika z doprowadzania do siatki lampy wzmacniającej zbyt dużych napięć o częstotliwościach akustycznych, większych od zastosowanego ujemnego jej przednapięcia. po tym nieco możliwie przydługim, lecz naprawdę koniecznym objaśnieniu, będziemy już pamiętali, że baterię żarzenia należy bezwzględnie podłączać do układu godnie z podaną na schematach i rysunkach biegunowością; celowe jest oznaczenie odpowiadających sobie wtyczek i gniazdek kolorami lub symbolami.
Po załączeniu baterii żarzenia do podstawki lampowej wkładamy (ostrożnie, aby nie powyginać delikatnych nóżek) lampę 1S5T. Wzmacniacz włączamy do sieci elektrycznej za pomocą wyłącznika W i sprawdzamy prawidłowość montażu przez obserwację włókna żarzenia lampy. W pełnym oświetleniu trudno jest co prawda cokolwiek dostrzec, lecz w ciemnym pokoju można z łatwością zauważyć świecącą jasno-pomarańczowym blaskiem katodę. Jest ona widoczna w postaci cienkiej nitki napiętej wzdłuż pionowej osi lampy.
Baterię anodową Ba najprościej będzie zestawić z 8÷12 sztuk płaskich bateryjek 4,5 V (od latarki kieszonkowej). Kupowanie dużych baterii anodowych jest niecelowe nie tylko z uwagi na wysoki koszt, lecz przede wszystkim ze względu na bardzo niewielki pobór prądu przez nasz układ. Poszczególne bateryjki łączymy szeregowo między sobą, to znaczy plus jednej bateryjki - z minusem następnej, jak to pokazano na rys. 12.
Rys. 12. Szeregowe łączenie płaskich baterii 4,5 V
Pamiętać należy przy tym, że długa końcówka baterii jest biegunem ujemnym, zaś krótka - dodatnim. Baterię tę również zakończymy przewodami o odpowiedniej długości z wtyczkami bananowymi. Baterię anodową załączamy do układu według oznaczeń na schematach (rys. 1a i 10), to jest biegunem ujemnym do katody, a dodatnim do anody lampy (poprzez słuchawki). Odwrotne załączenie baterii nie spowoduje uszkodzenia układu, nie będzie on jednak wówczas pracował.
Pozostaje jeszcze włączenie słuchawek do odpowiednich gniazdek oraz odbiornika detektorowego do wejścia wzmacniacza.
Zestawiony w powyższy sposób układ jest przedstawiony na rys. 13.
Rys. 13. Zestaw: odbiornik detektorowy - wzmacniacz
Połączenie wykonać za pomocą przewodów zakończonych wtyczkami bananowymi
Poza tym całość jest na tyle prosta, że nasz zestaw odbiorczy powinien dać od razu jak najbardziej zadowalające wyniki. Oczywiście warunkiem prawidłowej pracy układu jest poprawne działanie samego odbiornika detektorowego, co należy uprzednio zbadać za pomocą słuchawek. Jednocześnie, przez porównanie siły audycji odbieranej wprost z detektora i z wyjścia wzmacniacza możemy orientacyjnie oszacować jakość pracy naszej pierwszej konstrukcji z lampą elektronową.
Jak to już wspomniano na wstępie, do odbiornika można przyłączyć większą liczbę par słuchawek radiowych. Najprościej wykonać to w sposób pokazany na rys. 14.
Rys. 14. Wykonanie "rozgałęziacza" dla małej liczby słuchawek:
a - wygląd zewnętrzny, b - schemat połączeń
Jak widać, do budowy swego rodzaju "rozgałęziacza" zastosowano niewielkie pudełko od mydła z tworzywa sztucznego, w którym zamontowano odpowiednią ilość gniazdek radiowych. Konstrukcja wzmacniacza z regulację wzmocnienia (rys. 1b) będzie omówiona w następnym numerze.
Udostępnił ku radości lampomaniaków" Grzegorz 'gsmok' Makarewicz
