Elektroniczne drobiazgi

Williamsony...

To stara wersja strony. Nowa powstaje tutaj.

Triody - kultowy układ Wiliamsona

Schemat układu Williamsona
Opublikowany przez D.T.N. Williamsona w 1947 w Wireless World artykuł opisujący wysokiej jakości wzmacniacz mocy dał spory przyczynek do rozwoju techniki HiFi. Jest to przykład dosyć bezkompromisowej konstrukcji, podporządkowanej uzyskaniu jak najlepszych parametrów.
Cechy charakterystyczne układu Williamsona to:
  • Przeciwsobny stopień końcowy na triodach (w oryginale na tetrodach KT66 połączonych w układzie triody) pracujący w klasie A.
  • Stopień sterujący w układzie wzmacniacza różnicowego. Takie rozwiązanie zapewnia duże i o dobrej symetrii napięcie sterujące do stopnia końcowego.
  • Nadmiarowo zaprojektowany duży transformator.
Williamson na 12E1 Ze względu na dosyć wysoką cenę i stosunkowo niewielką moc wyjściową rozwiązanie Williamsona było rzadko stosowane we wzmacniaczach spotykanych na rynku, natomiast było (i nadal jest) popularne wśród konstrukcji jednostkowych i amatorskich.
Koncepcja Williamsona była powielana (i tu) oraz poprawiana. Jezeli pragniesz sam zbudowac taki wzmacniacz, to więcej informacji znajdziesz w Holandii.

Mój wzmacniacz Sipa 30V mocno różni szczegółami rozwiązania (stopień końcowy w klasie AB separowany wtórnikiem i odwracacz fazy na wzmacniaczu różnicowym), ale zasadnicza koncepcja (stopień końcowy na triodach i pośredni stopień różnicowy) jest zachowana.

Daleki krewny...
Zalety i ... ... wady wzmacniacza Williamsona na triodach
  • Małe zniekształcenia nieliniowe i intermodulacyjne.
  • Mała oporność wewnętrzna.
  • Stosunkowo łatwy do wykonania transformator.
  • Niska sprawność energetyczna i moc wyjściowa (na przykład tylko kilkanaście watów z pary EL34).
  • Potrzebne duże napięcie sterujące stopień końcowy, co komplikuje i podraża wzmacniacz.

Dobry kompromis - układ ultra linear

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. Jego charakterystyczną cechą jest lokalne sprzężenie zwrotne poprzez połączenie siatki ekranującej do odczepu uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego. Zwykle odczep jest umieszczony tak, że na siatkę trafia 20-50% składowej zmiennej napięcia anodowego. W ten sposób lampa pracuje w trybie pośrednim pomiędzy triodą (100% sygnału na siatce ekranującej) i pentodą (0% sygnału na siatce ekranującej).

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) dosyć popularny. Dla porównania: przy zachowaniu jeszcze przyzwoitych parametrów z pary lamp EL34 da sie wydobyć moc prawie 40W, czyli 2.5 raza większą niż w układzie triody.

Niestety, by sprzeżenie zwrotne w siatkach ekranujących działalo poprawnie potrzebny jest transformator o małych indukcyjnościach rozproszenia pomiędzy sekcjami uzwojenia pierwotnego, co komplikuje jego wykonanie. Transformatory dostępne w handlu rzadko spełniają ten warunek.

Radiotronics Magazine; May 1959
Rysunek obok przedstawia parametry przeciwsobnego wzmacniacza ultra linear na lampach KT88 w zależności od stopnia podziału sygnału wyjściowego na siatce ekranującej. Widać, że optymalny zakres tego podziału to mniej-więcej od 20% do 40%. Podobnie jest dla innych lamp. Co ciekawe, możliwa du uzyskania moc jest nawet nieco większa niż w układzie pentody przy zasilaniu jej siatek napięciem równym napięciu anodowemu. Układ UL jest też bardzo tolerancyjny na dobór optymalnej impedancji obciążenia.

Z karty katalogowej lampy 6550 General Electric
Układ UL jest też bardzo tolerancyjny na dobór optymalnej impedancji obciążenia. Zarówno zniekształcenia nieliniowe, jak i dostarczana do obciążenie moć stosunkowo niewiele zależą od impedancji obciążenia. Ma to duże znaczenie dla współczesnych kolumn głośnikowych, które często mają skomplikowane zwrotnice i mocno zmieniają swoją impedancję przy zmianach częstotliwości.

Stopień sterujący Williamsona z końcowym ultra linear
W 1955 David Hafler zaproponował połączenie struktury wzmacniacza Williamsona ze stopniem końcowym zrealizowanym nie na triodach, ale w układzie UL. Takie rozwiązanie ma wiele zalet i zdobyło sporą popularność.

Radioamator 4/1960
Ze wzgledu na dobry stosunek jakosci do ceny układ ultra linear był bardzo popularny we wzmacniaczach spotykanych na rynku. Całą gamę transformatorów produkowała firma Acrosound. Tutaj można znależć ich katalog wraz z proponowanymi aplikacjami.
W Polsce (i nie tylko w Polsce), nie wiedzieć czemu, często każdy wzmacinacz ultra linear nazywany jest "układem Wiliamsona". Sam Williamson nie był jego autorem, co więcej krytykował go (trochę nie bez racji), na przykład w artykule Amplifiers and Superlatives zamieszczonym w Wireless World w 1952. Przypuszczam, że w pewnym okresie nazywano "Williamsonem" każdy trochę podobny wzmacniacz HiFi, a wzmacniacze ultra linear ze względu na swoją względną prostotę były tanie, a co za tym idzie - popularne.

Układ jest bardzo wdzięczny do konstrukcji amatorskich, pod (trudnym do spełnienia) warunkiem uzyskania (albo zrobienia) dobrego transformatora,

Radziecki UL na 807
Zalety...... i wady stopnia końcowego "ultra linear"
  • Bardzo dobry kompromis pomiędzy stopniem złożoności a parametrami.
  • Zniekształcenia i oporność wewnętrzna tylko nieco gorsze niż układu na triodach.
  • Sprawność energetyczna i wzmocnienie tylko nieco gorsza niż klasycznego układu na pentodach.
  • Duża odporność na zmiany impedancji obciążenia.
  • Gorszy od następnego układu pod względem zniekształceń.
  • Dosyć trudny do wykonania transformator wyjściowy.
  • Niemożność dobrania napięcia siatki ekranującej ogranicza swobodę projektowania. Tej wady można uniknąć stosując osobne uzwojenie dla siatek ekranujących, ale wtedy jeszcze bardziej komplikuje się transformator (przykład rodem z Polski!).

Układ z obciążeniem dzielonym między katodę i anodę

Układ z dzielonym obciążeniem prawdopodobnie pojawił sie po raz pierwszy w 1945 w laboratoriach brytyjskiej firmy Acoustical Manufacturing Co, później znanej jako QUAD. Analizowany przez D.T.N Williamsona oraz P.J. Walkera we wspomnianym wyżej artykule Amplifiers and Superlatives. Również bywa nazywany "układem Williamsona"...

Jego charakterystyczną cechą jest podział obciążenia pomiędzy anodę i katodę. W ten sposób układ ma własności pośrednie między wtórnikiem katodowym (małe zniekształcenia i oporność wewnętrzna) a układem z wspólną katodą (większe od jedności wzmocnienie napięciowe)

Podobnie jak w poprzednim układzie, by osiągnąć dobre rezultaty potrzebny jest transformator o małych indukcyjnościach rozproszenia pomiędzy sekcjami uzwojenia pierwotnego. Zwykle stosuje się uzwojenie katodowe zawierające 10-20% całkowitej liczby zwojów uzwojenia.

Bogen DO-30A
Układ z obciążeniem dzielonym w katodzie był chętnie stosowany we wzmacniaczach końcowych, szczególnie najwyższej jakości
W ten sposób zbudowano kilka wzmacniaczy, które uzyskały ststus kultowych, między innymi McIntosh 50 (USA) i QUAD II (Wielka Brytania). Warto zwrócić uwagę i na inne szczegóły tych konstrukcji, częściej spotykane w sprzęcie pomiarowym niż w popularnych układach akustycznych: użycie stopnia różnicowego podobnie jak w triodowym układzie Williamsona (McIntosh) i złożony stopień sterujący na pentodach (QUAD).
Dwa rozwiązania połączyły się w potężnym wzmacniaczu McIntosh MC 3500 (350W RMS). Posiada on zarówno obciążenie dzielone pomiędzy anodą i katodą, jak i osobne uzwojenie transformatora dla siatek ekranujących.
Zalety...... wady układu z dzielonym obciążeniem
  • Dobry kompromis pomiędzy stopniem złożoności a parametrami
  • Zniekształcenia i oporność wewnętrzna tylko nieco gorsze niż układu na triodach
  • Sprawność energetyczna zbliżona do klasycznego układu na pentodach
  • Chyba najtrudniejszy do wykonania transformator wyjściowy.

Powrót do lampowych różności