УНЧ с прямонакальным выходом

Автор: Sobiratel_sxem, sobiratel_sxem@mail.ru
Опубликовано 04.11.2016
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2015!"

Добрый день, уважаемые читатели.

     В предыдущих статьях я рассказывал Вам о том, как я строил свой первый ламповый усилитель, проводил с ним эксперименты, испытывал лампы в нестандартном применении на «вкус», а так же экспериментировал с трансформаторами ТАН в качестве выходных… [1, 2, 3, 4, 5]. В результате работы был получен большой багаж опыта в области построения ламповых усилителей. На основе полученного опыта хочу поделиться с Вами схемой качественного усилителя с прямонакальными лампами на выходе. Но, начнём по порядку…
     Принципиальная схема усилителя приведена на схеме ниже. Рассмотрим её подробнее.

     Сигнал с выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R1 поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора. Данный фазоинвертор построен по классической схеме и представляет собой, по сути, 2 независимых резистивных каскада ОК (благодаря наличию катодного конденсатора С6), выполненных на двойном триоде с высоким коэффициентом усиления Ла1 [1]. Не будем рассматривать принцип работы данного фазоинвертора подробно т.к. это делалось мной в ранних экспериментальных конструкциях и другими авторами он так же рассматривался [2,3].
     С выхода предварительного усилителя, через разделительные конденсаторы С7, С9, усиленный сигнал поступает на вход промежуточного каскада – усилителя тока. В качестве усилителя тока применён катодный повторитель (по 1 повторителю на каждое плечо усилителя), выполненный на двойном триоде Ла2 [4]. Катодный повторитель был использован по 2 причинам:

     - Ток покоя лампы Ла1 низок, вследствие чего данный каскад не способен напрямую раскачать выходной каскад на радиолампах Ла3, Ла4 (фильтр, образованный разделительным конденсатором и резистором утечки + входную ёмкость выходной лампы с учётом эффекта Миллера).
     - Катодный повторитель имеет высокое входное сопротивление, поэтому предварительный усилитель-фазоинвертор не перегружается, не происходит ограничения амплитуды сигнала на выходе и, соответственно, не появляется дополнительных нелинейных искажений на выходе каскада. Кроме того катодный повторитель имеет относительно низкое выходное сопротивление, поэтому с лёгкостью раскачивает выходной каскад, исключая появление нелинейных искажений, правда уже в выходном каскаде. Низкое выходное сопротивление так же позволяет сделать глубокую ООС в выходном каскаде, не боясь упереться всё в тоже ограничение амплитуды сигнала, от протекания дополнительной постоянной составляющей через резисторы ООС.

     Коэффициент усиления катодного повторителя чуть меньше единицы, благодаря глубокой ООС с выхода на вход каскада, организованной через резисторы утечки R11, R14. Но несмотря на данный «недостаток» он обладает прекрасными частотными свойствами [3].
     С выхода промежуточного каскада, усиленный по току сигнал, через разделительные конденсаторы С10, С11 поступает на вход выходного каскада, выполненного на прямонакальных лучевых тетродах Ла3, Ла4 [5]. Выходной каскад выполнен по тетродной схеме с фиксированным смещением. Тетродный режим ламп задаётся резистором R24 и конденсатором С14, для лампы Ла3; резистором R25 и конденсатором С15, для лампы Ла4. Напряжение смещения на сетки ламп выходного каскада подаётся от дополнительного источника отрицательного напряжения (желательно стабилизированного и хорошо сглаженного), через переменные резисторы R17, R18 и резисторы утечки R20, R21.
Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой.
     Так как лампы Ла3, Ла4 имеют средний вывод катода (накала) и являются прямонакальными было решено включить данные лампы нестандартно, а именно:
     - отвод от центра катода (накала) был заземлён для протекания тока.
     - на края, относительно центра был организован делитель напряжения, образованный резисторами R22, R23 и конденсаторами С12, С13. Это сделано для выравнивания потенциала вдоль катода (накала) выходных ламп т.к. половинки катода (накала) могут незначительно отличаться.  Кроме того данная мера эффективно подавляет фон переменного тока, приникающего через цепи катода (накала) и проявляющегося сильным гудом в прямонакальных лампах при плохой фильтрации напряжения накала.
     Резисторы R17, R19 – резисторы ООС выходного каскада.
     Резистор R10, конденсаторы С2, С3 – дополнительный фильтр напряжения питания предварительного усилителя.
     Конденсаторы С8, С16 – дополнительный емкостной фильтр напряжения питания усилителя. Данные конденсаторы следует установить как можно ближе к точке подсоединения «+» источника питания к выходному трансформатору.
     В качестве катодного конденсатора С6 использован аудиоконденсатор nichicon серии ES [9].
     Остальные использованные детали указаны на схеме.
     Налаживание усилителя не представляет сложности. Перед включением усилителя, резисторы R17, R18 нужно выставить в положение максимального отрицательного напряжения. Далее нужно включить усилитель и дать ему прогреться 5-10 минут. После прогрева усилителя, катодным резистором R9 нужно выставить на одном из анодов лампы Ла1 напряжение равное 160 Вольт. При этом разность напряжений между анодами лампы не должно превышать 5-8%. Если разность напряжений между анодами превышает это значение, то необходимо подобрать другую лампу Ла1, по меньшему разбросу параметров половинок лампы.
     После настройки предварительного усилителя переходим к настройке усилителя тока. Для этого резисторами R12, R15 нужно выставить на катодах лампы Ла2 напряжение равное 140 Вольт.
     Для настройки выходного каскада нужно попеременной подстройкой резисторов R17, R18 выставить токи анодов ламп Ла3, Ла4 выходного каскада равные 20 мА. На этом настройку по постоянному току можно считать законченной.
     Переходим к настройке по переменному току. Настройку по переменному току можно выполнить несколькими способами:
     - На слух. Для этого вращением движка переменного резистора R5 нужно добиться такого его положения, при котором при максимальной выходной мощности усилителя искажения будут минимальными.
     - По осциллографу. Для настройки по осциллографу к выходу усилителя нужно подключить эквивалент нагрузки – резистор сопротивлением 4 Ом и мощностью 15-25 Вт. Выставить резистор R5 в среднее положение. После этого подать на вход синусоидальный сигнал частотой 1 кГц. Увеличивая уровень сигнала на входе добиться выходной мощности усилителя равной 6 Вт. Далее подстройкой резистора R5 выставить равенство амплитуд отрицательной и положительной полуволн сигнала на эквиваленте нагрузки. Это будет соответствовать минимуму чётных гармоник на выходе. На этом настройку можно считать законченной.
     - По спектроанализатору. Настройка производится аналогично предыдущему методу, но подстройкой резистора R5 добиваются минимума 2 гармоники на выходе.
     При настройке усилителя в качестве генератора и анализатора спектра можно воспользоваться звуковой картой компьютера и программным комплексом Visual analyser [6]. Подробное описание по работе с программой и её функций на английском языке есть в комплекте поставки вместе с программой. Русское руководство можно найти в [7, 8].
     После сборки, настройки и прослушивания усилителя мной был проведён обмер данного усилителя на ПК при помощи программного комплекса Visual analyser. Перед замерами параметров усилителя был произведён замер параметров звуковой карты ПК. В качестве входа использовался линейный вход звуковой карты.
     На фото ниже представлена АЧХ звуковой карты ПК при входном напряжении равным 1.4 В (дейсвующее значение равно 1 В).

     Т.к. мной использовалась методика измерения АЧХ, описанная в [7,8] , то при проведении более точной линии АЧХ следует в замерах пользоваться методом наименьших квадратов [10] т.е. применить усреднение.
     На фото далее представлен спектр сигнала на выходе звуковой карты, при подаче на линейный вход максимальной амплитуды, при которой не наступает ограничения сигнала, равной 1.4 В (действующее значение равно 1 В).

     По фото видно, что собственный уровень нелинейных искажений сравнительно низок и составляет 0.0024%, а уровень самой высокой гармоники, 5-ой, равен -95 дБ.
     Далее на фото представлен спектр сигнала на выходе при подаче на линейный вход звуковой карты сигнала равного 707 мВ (500 мВ действующего значения).

     При том уровень нелинейных искажений на выходе составляет 0.0037%. Уровень самой высокой гармоники, 3-ей, равен -100.88 дБ.
     По приведённым характеристикам можно сделать вывод, что данная звуковая карта подходит для измерения частотных характеристик усилителей в полосе от 20 Гц до 20-22 кГц и отлично подходит для измерения спектров сигнала на выходе.
     После замера параметров звуковой карты ПК был проведён обмер параметров усилителя на эквиваленте нагрузки – резисторе 4 Ом.
     На фото представлена АЧХ усилителя при выходной мощности равной 6 Вт.

     По фото видно, что полоса усилителя по уровню -3 дБ составляет от 25 Гц до 20 кГц. Замерить АЧХ в большую сторону не позволяют параметры самой звуковой карты.
     На фото ниже представлен спектр сигнала на выходе при выходной мощности равной 6 Вт.

     Суммарный коэффициент гармоник равен 0.53%. Уровень третьей гармоники равен -45.4 дБ.
     А далее представлен спектр сигнала на выходе при выходной мощности равно 3 Вт.

     Суммарный коэффициент гармоник равен 0.44%. Уровень третьей гармоники равен -48.4 дБ.
     По результатам замеров можно сделать вывод, что данный усилитель имеет сравнительно неплохие параметры.
     Выходная мощность усилителя равна 6 Вт.
     В качестве акустики для прослушивания была использована псевдостерео система 25АС-109-2. Данная акустика является 8 Омной. Для получения 4 Ом колонки включаются синфазно и параллельно. Усилитель звучит чисто, не слышно посторонних хрипов и призвуков, обладает глубоким басом и чистыми верхами.
     В качестве эксперимента было проведено сравнительное прослушивание записи с потоком 320 kbps, 256 kbps и формате lossless. Разница в качестве ощутима на слух.
     Для получения ещё более чистого и мягкого звучания в качестве лампы Ла1 лучше применить 6Н2П-ЕВ, в качестве лампы Ла2 6Н1П. При этом настройка усилителя аналогична ранее описанной.

     На фото далее представлен собранный вариант блока питания от которого в данный момент питается данный усилитель.

     немного с другого ракурса

А вот так выглядит сам усилитель. На данных фото на заднем фоне видна часть старого варианта БП для питания данного УНЧ.

     вид сбоку

     Не будем рассматривать подробно устройство самого БП и его технические характеристики, это уже совсем другая история...

     На этом на сегодня всё. С уважением, Андрей Савченко, г. Омск.

 
Список использованной литературы.

1. Параметры 6Н2П
2. Н. Трошкин. Фазоинверторы, журнал Class A, Апрель 1997 г, стр. 16-21.
3. Морган Джонс. Ламповые усилители. Издательский дом: ДМК-пресс, 2007с, 760 стр.
4. Параметры 6Н23П
5. Параметры 6П21С
6. Официальный сайт Visual analyser
7. Радиоежегодник, выпуск 25, 2013 год, стр. 178-217.
8. Visual Analyser - виртуальный измерительный комплекс
9. Параметры конденсаторов nichicon
10. Метод наименьших квадратов

Файлы:
Схема УНЧ в формате SPlan

Все вопросы в Форум.