Postao/la ilimzn » 01 lip 2012, 16:31
Evo za Klokana par cisto prakticnih savjeta o odredjivanju radne tocke, prema grafu za GU-50 u triodnom spoju koji je stavio na slici.
- Sto je staticka radna tocka, tj. ono sto cesto nazivamo jednostavno 'radna tocka'? To je struja kroz cijev i napon preko cijevi (A-K) kad pojacalo radi vez signala, tj. skup radnih uvjeta u mirovanju. Ona se moze za zeljenu cijev izraziti kao bilo koje dva od 3 parametra, Uak, Ik, Ug1 - dva uvijek odredjuju treci, upravo njihov odnos je dat krivuljama.
- Kako odrediti staticku radnu tocku? Kod izlaznih pojacala radnu tocku uvijek odredjujemo kao kompromis izlazne snage i linearnosti, pri cemu zelimo postici da je oboje cim vece. Logika nalaze da se vece izlazne snage postizu pri vecim naponima i strujama na cijevi, sto povlaci i vecu snagu disipacije, a to je pak umnozak pada napona Uak i struje Ia (*). Svaka cijev ima propisane maksimume i napona, i struje i disipacije. U slucaju pentode spojene u triodu, maksimumi napona i struja elektroda koje u triodi ne postoje, tj. G2 i G3 mogu limitirati iskoristivost cijevi u triodnom spoju. Npr, ako je maksimum Ug2 manji od Ua, a G2 je spojen sa A, tada je maksimum za oboje sa 100% sigurnosti manja brojka od te dvije, a to je najcesce Ug2. (**). Odredjivanje radne tocke je proces pokusaja i pogreske, pri cemu je zgodno poceti od nekog maksimuma, najcesce maksimalnog napona Uak (uzevsi u obzir prethodno receno ogranicenje da je G2 spojena na A pa ona moze diktirati maksimum Uak). Za GU-50 350V je neki suvisli maksimum, i mozemo ga uzeti za pocetak. Drugi maksimum koji se mora postovati je maksimum snage disipacije. On je na grafu oznacen tockama na svakoj od linija za pojedini Ug1, i predstavlja struju Ia pri datom naponu Uak, za koju je umnozak napona i struje, dakle snaga disipacije, jednaka maksimalnoj dopustenoj. Spajanjem tih tocaka maksimalne disipacije dobije se linija koja daje maksimum disipacije za sve napone i struje. Pocetna radna tocka je uvijek na sjecistu maksimalnog napona Uak i te linije, dakle tamo gdje je odabrani maksimum Uak (350V) pomnozen sa strujom Ia jednak maksimalnoj disipaciji. Naravno, iz ovog direktno slijedi da je tako cijev maksimalno opterecena, no ovo je tek prvi pokusaj i kasnije se ide u kompromise. U nekim slucajevima treba voditi racuna i o limitu maksimalne staticke struje Ia. To je zapravo maksimum istosmjerne komponente struje Ia, koji je za neke cijevi dosta strog i ogranicava odabir radne tocke, tako da se pri manjim Uak ne smije sa strujom ici do maksimuma disipacije, jer je to vec vise od maksimalne staticke struje. Kod GU50 na 350V taj limit nije relevantan, maksimalna disipacija nastupa prije. Kada se odabere radna tocka kako je gore opisano, iz poznatog Uakmax (350V npr.) i poznate maksimalne disipacije dobijemo Ia, a onda ucrtavajuci tu tocku u graf mozemo i procijeniti koliki je potreban Ug1 za to. Drugim rijecima, radna tocka niposto ne mora biti na nekoj od linija koje se dobivaju s Ug1 kako su odabrani na grafu, iako je jednostavnije odrediti neke parametre ako je to slucaj jer ih je lakse ocitati direktno s grafova. Radna tocka moze biti i negdje 'izmedju' dvije linije, pa se onda prema udaljenostima od najblizih linija (npr Ug1=-20 i -30V) odredi otprilike koliko zaista iznosi Ug1. Taj Ug1 se jos naziva i prednaponom cijevi.
(*) Ako koritimo samo negativne napone Ug1, struja Ig1 je zanemariva pa mozemo reci da je Ia=Ik u triodnom spoju. Ovo niposto nije istina za pentodu.
(**) Kao sto je vec receno u temi, specifikacije Ug2 max za pentodni i triodni rad nisu nuzno iste. Kada je pentoda spojena u triodu, pentodna anoda i G2 zajedno (a u nekim slucajevima skupa sa G3, sto je moguce s GU50), cine anodu takve triode. Kod pentoda napon Ua i Ug2 moze biti vrlo razlicit, dok je u triodnom spoju po definiciji jednak, tj. razlika napona je nula, jer su anoda i G2 spojene skupa. Radi toga neka ogranicenja, npr. naponi izmedju internih elemenata cijevi, budu drugaciji pa je cesto limit Ug2 za triodni spoj visi od onog za pentodni. Radi toga je odabran za GU50 Uakmax 350V iako po limitima za Ug2 to ne bi bio slucaj.
- Sto je radni pravac? To je putanja radne tocke po karakteristikama cijevi kada se cijev optereti i na ulaz (G1) dovede signal. Opterecenje prema ohmovom zakonu diktira sve moguce radne tocke cijevi za bilo koji Ug1, a to su one za koje je Uak/Ia=Ropterecenja. Us tvarnosti se signal doveden iz drivera dodaje na postojeci prednapon Ug1 iz prethodnog pasusa. Buduci da je prednapon u ovom slucaju negativan, dovodjenje pozitivnog napona (tj. pozitivne poluperiode signala iz drivera) pomice radnu tocku prema lijevo, u podrucje vece struje i manjeg napona na cijevi, a dovodjenjem negativnog napona iz drivera, obrnuto - na desno, u podrucje veceg napona i manje struje. Sve moguce radne tocke leze na pravcu ciji je nagib dat iznosom otpora opterecenja, a prolazi kroz staticku radnu tocku. Taj pravac onda nazivamo radnim pravcem. Bitno je reci da u realnim uvjetima nije moguce radnu tocku pomaknuti bilo kamo, iz raznih razloga, o cemu vise kasnije.
- Kako odabrati radni pravac? Kao sto sam napisao, odabir radnog pravca je kompromis izmedju maksimalne postizive snage i izoblicenja. Naravno, u praksi je dodatni kompromis i trajnost cijevi, o cemu kad dodje vrijeme. Gore je opisano kako se odabere inicijalna radna tocka. Radni pravac se odabire tako da se iscrtavaju pravci koji prolaze kroz radnu tocku, i za njih odredjuje snaga i linearnost. U praksi, to je najlakse tako da se ravnalo postavi tik na radnu tocku, zamisli kao da si u radnu tocku upiknuo iglu, i onda ravnalo okreces oko te igle, pazeci da linija ravnala uvijek ostaje ispod krivulje maksimalne disipacije (***).
Maksimalna snaga se procjenjuje iz povrsine pravokutnog trokuta koji odredjuju tri tocke: (A) sjeciste ravnala i linije Ug1=0, te (B) sjeciste ravnala i linije Ug1 = 2(Ug1stat), pri cemu je Ug1stat Ug1 za odabranu radnu tocku. Zasto bas tako? Tocka A daje maksimalnu struju kroz cijev uz minimalni napon na cijevi, za dati radni pravac. Tocka B daje minimalnu struju uz maksimalni radni napon za dati radni pravac. Ti naponi i struje daju dakle maksimalni hod napona ili struje, i iz toga se moze izracunati snaga pojacala (teoretska), bilo kao umnozak (Iamax-Iamin)(Uakmax-Uakmin)/8, bilo kao (Iamax-Iamin)^2 * Ropt/8, bilo kao (Uamax-Uamin)/(8*Ropt). Dijeljenje s 8 je tu radi toga jer te razlike napona i stuja daju peak-to-peak vrijednosti, a nama trebaju efektivne za sinusoidu, koje su Vpp/(2*(korijen iz 2)).
Linearnost se procjenjuje iz udaljenosti tocke A i tocke B od staticke radne tocke. Ovdje je usput potrebno objasniti zasto se tocka B bira bas za Ug1=2*Ug1stat, gdje je Ug1stat iznos Ug1 u odabranoj statickoj radnoj tocki, iliti prednapon Ug1, poznatiji i kao 'bias'. Radi se o tome da se pretpostavlja da je napon iz drivera koji dolazi na G1 simetrican, tj. da je pojacanje drivera za obje poluperiode jednako. Drugim rijecima, koliko se radna tocka moze maknuti prema lijevo od staticke, jednako toliko se moze i prema desno. Buduci da je Ug1=0 limit postavljen najjednostavnijom izvedbom drivera, radi toga jer za pozotovne Ug1 pocnje teci struja G1 cime impedancija G1 naglo pada i driver radi toga ne moze vise povecavati napon, ocekujemo da je meksimalni hod signala iz drivera u plus, jednak iznosu Ug1stat, tj. prednaponu. Kada pozitivni napon iz drivera postigne vrijednost jednaku negativnom prednaponu, zbroj je nula, i na G1 je 0V, dakle dosli smo do granice, iznad koje nastupa clipping napona iz drivera - clipping = rezanje, sto je doslovno ono sto se dogodi s naponom (uz jos neke nepozeljne pojave o kojima kad dodje red), valni oblik za napone iznad Ug1=0 je jednostavno 'odrezan', sto znaci da vrlo naglo i u velikoj mjeri nastupaju neugodna izoblicenja. S obzirom da ocekujemo da je napon iz drivera simetrican, tada je hod na drugu stranu jednak dvostrukom iznosu prednapona, tj. 2*Ug1stat, iliti 2 puta bias.
Po definiciji zelimo da ulazni napon, dakle onaj iz drivera u GU50, bude samo pojacan a ne izoblicen, sto znaci da bi na anodi trebao i dalje biti simetrican oko Uakstat, samo veceg iznosa. Da je trioda idealna, bio bi taj slucaj, no ije, pa kad gledamo udaljenost od radne tocke do sjecista radnog pravca i Ug1=0, te udaljenost od redne tocke do sjecista radnog pravca i Ug1=(2 * bias), te udaljenosti nece biti site, stovise prva ce redovito biti veca. Cim su udaljenosti pribliznije, time je odabranim radnim pravcem i tockom osiguran linearniji rad, barem kao prva procjena.
(***) Buduci da krivulja maksimalne disipacije ima glatki oblik a za prvu procjeno odabrani radni pravac joj je tangenta, matematika kaze da u toj tocki moze biti samo jedan nagib radnog pravca. No, to je matematicka idealizacija, dok stvarnost omogucava odredjene kompromise. Naime, moguce je nagnuti radni pravac tako da s npr. lijeve strane od radne tocke prolazi ispod krivulje maksimalne disipacije a desne iznad. Buduci da je ulazni signal iz drivera simetrican, ispada da je u radu disipacija cijevi u pozitivnoj poluperiodi Ug1 manja od maksimalne, a u negativnoj veca, pa bi logika nalagala da je srednja vrijednost disiopacije ostala uglavnom nepromijenjena. Ustvarnosti to zapravo nije slucaj i ovisno o nagibu radnog pravca moguce je da s dovedenim signalom disipacija na cijevi poraste ili padne u odnosu na onu bez signala. Naravno, s obzirom da smo za pocetak odabrali maksimalnu disipaciju, jasno je da ne zelimo da se sa signalom taj limit prijedje, o cemu vise u nastavku.
- Optimizacija radnog pravca:
Sve gore napisano je izvedeno prema nekoj prvoj aproksimaciji radnog pravca, za koju su za veciu parametara uzeti maksimumi, jer nam to daje procjenu 'sto je moguce' iz cega dalje idemo u kompromise. Kompromisi mogu biti razni ali se uglavnom odnose na pronalazenje rezultata slicnih inicijalnim, koji se mogu smatrati teoretskima, uz promjenu parametara kao sto su maksimalna disipacija, napon, struja i nagib radnog pravca prema vrijednostima koje daju vecu pouzdanost, manja izoblicenja, ili omogucajavu upotrebu elemenata 'na lageru' kao sto su transformatori (nagib pravca i iznos napona napajanja ce npr. ovisiti o raspolozivim izlaznim i napajackim trafoima). Jedan put optimizacije je gore vec spomenut - smanjenje didipacije cijevi. Obicno se izvodi tako da se za inicijalne uvjete (ove s maksimumima) odredi nagib radnog pravca (bilo po zelji ili po raspolozivim trafoima), i onda se radni pravac pomakne paralelno prema dolje, tako da vise ne dotice krivulju maksimalne disipacije, vec bude ispod nje. Ponovno se odrede gore spomenute tocke A i B, pa se izracuna snaga i procijeni linearnost, te se po potrebi jos moze poigrati nagibom (tu e sad vec ima veca sloboda jer krivulja maksimuma disipacije nije na samom pravcu pa se nagim moze dosta promijeniti prije nego neki dio pravca presjece maksimum disipacije - voditi racuna da nije cijeli radni pravac upotrebljiv, samo do Ug1=0 i Ug1=2 * bias). Treba jos reci da i upotrebljivi dijelovi rdnog pravca mogu prelaziti iznad maksimuma disipacije no matematika koja daje odnos disipacije i ulaznog signala nije jednostavna pa je to ipak za iskusnije. Generalno govoreci, polozeniji radni pravci daju bolju linearnost ali manju snagu, paralelni pomak pravca prema gore daje vecu snagu uz istu ili cak bolju linearnost, a svako povecanje disipacije skracuje radni vijek cijevi. Pravci koji prelaze iznad maksimuma disipacije a imaju smisla kad se tice izoblicenja i snage, su uvijek polozeniji i desnim krajem idu iznad maksimuma, no to je prilicno nepozeljna kombinacija gdje se povecava i napon i struja na cijevi istovremeno.
- Kako prevesti odredjenu radnu tocku i pravac u realni sklop? Ovo ovisi o odabranom nacinu dobivanja prednapona. Najjednostavniji i najsigurniji, no i energetski najneefikasniji, a i kontroverzan radi potrebe za u pravilu elektrolitskim kondenzatorima, je automatski prednapon, tj. prednapon dobiven pomocu katodnog otpora. Taj se prednapon dobiva kao pad napona na katodnom otporu, kao poslijedica katodne struje, konkretno katodne struje u odabranoj radnoj tocki, Ikstat. Kao sto je prije receno, u tom je slucaju Ug1 daleko ispod nule pa nema Ig1, te je Iktat=Iastat. Pomocu odabrane radne tocke odredimo koliki mora biti prednaopn resetke G1, iliti bias, i ocitami i iznos katodne struje. Katodni otpor treba tocno dati bias kada kroz njega prolazi katodna struja, pa je zato Rk=Ug1stat/Ikstat, iliti bias djeljeno s katodnom strujom u odabranoj radnoj tocki. No, vrijednsoti katodnog otpora su standardizirane pa nemamo na raspolaganju bilo koju. Naravno, mozemo je dobiti spajanjem vise otpora ili dodavanjem trimera, no za to zapravo nema potrebe jer su tolerancije cijevi vece od tolerancija raspolozivih otpora. Kada izracunamo tocnu vrijednost, uzmemo prvu najblizu standardnu, i onda izracunamo stvarni bias. ponovno ucrtamo radni pravac prema stvarnom biasu, radi drugacije vrijednosti katodnog otpora u odnosu na izracunatu, malo ce se pomaknuti staticka radna tocka. Zapravo bi ovaj postupak trebalo ponoviti vise puta da bi se dobio bas tocan polozaj radne tocke, no to u pravilu nije potrebno - kao vjezbu se to moze probati samo da se uvjeri da rezultat sto se tice snage i izoblicenja nece bitno odstupati od onog s katodnim otporom tocne vrijednosti. Ono sto je bitnije je da je katodni otpor spojen u seriju s cijevi, pa je potreban napon napajanja veci od Uak u statiskoj radnoj tocki, za iznos biasa. Osim toga, u anodi cijevi je namot trafoa, koji takodjer ima ohmski optor i pad napona pod uticajem Iastat, no u pravilu je taj otpor znatno manji od katodnog, pa se najcesce moze zanemariti, no ako je poznat, onda se napon napajanja dodatno moze uvecati za iznos Rtrafo * Iastat.
Cesto rezultat ove matematike bude napon kojeg nemmo na raspolaganju, ili je npr. taman prevelik za limite standardnih elektrolita (koji su tipicno nabavljivi s maksimalnim radnim napon do 400 ili 450V). Cesto je potrebno ponovno provjeriti racun i polozaj radnog pravca nakon sto se odredi napon napajanja te se umjesto tocno odredjenog, uzme nesto sto imamo standardno na raspolaganju.
Drugi segment u kojem odredjena radna tocka i pravac odredjuju sklop je driver. Gore je vec spomenuta jednostavna matematika koja nam govori koliki treba biti izlazni napon iz drivera (minimalno) - amplitida signala u pozitivnom i negativnom smjeru mora biti barem Ug1stat, tj. iznos prednapona iliti bias-a. Sva je racun napravljen za simetricni napon iz drivera, sto znaci da pretpostavljamo da driver ima minimalna izoblicenja (****). No, ovdje je bitniji potreban napon iz drivera. On odredjuje neke osnovne parametre za driver, kao sto su potreban napon napajanja i pojacanje, a u ekstremnijim slucajevima i topologiju samog drivera. Naravno, uvijek nam je radi jednostavnosti povoljno ako driver moze koristiti isti napon napajanja kao i izlazni stupanj, ili jos bolje manji, pa se 'visak' moze skinuti u npr. RC filteru u napajanju drivera. Jos jedan parametar kojeg treba prouciti je opterecenje koje izlazni stupanj predstavlja driveru, u smislu ulaznog otpora i kapaciteta izlaznog tupnja. Ovo je vec napredna optimizacija pa o tome kad se odrede parametri za izlazni stupanj.
(****) U racinima i opisima gore je pretpostavljen simetrican i neizoblicen napon iz drivera u odnosu na ulazni napon. No, pogled na radni pravac i problematiku linearnosti, tj. polozaja tocaka A i B, pokazuje da sam izlazni stupanj ima izoblicenje, u smislu da simetrican ulazni napon pretvara u donekle asimetrican izlazni. Radi toga postije tehnike konstrukcije drivera gdje se on namjrno radi da takodjer daje asimetricni izlazni napon. Procedura konstrukcije takvog drivera je zapravo posve identicna kao za izlazni stupanj jer triode po prirodi stvari proizvode zeljenu asimetriju, a kako okrecu fazu, asimatrija ulaza se prenosi na izlaz u kontra smjeru, cime se asimetrija samog izlaznog stupnja moze unekoliko ponistiti. No, to spada u napredne tehnike, i to one koje su jako ovisne o odabiru i tolerancijama cijevi, cak toliko da lako moze rezultat biti gori umjesto bolji. Ovdje to spominjem samo radi komopletnosti.
Odličan post,ali imam onaj ALI koji slijedi.
