РадиоКот >Схемы >Аудио >Усилители >
УНЧ с управлением по второй сетке
УНЧ с управлением по 2 сетке. Часть 1 или с чего всё начиналось...
Добрый день, уважаемые читатели. Данную статью я хотел бы посвятить сегодня исследованию одного из редко используемых методов управления выходным каскадом усилителя, а именно управлению по второй сетке. Прототип данного способа управления нашёл широкое распространение в модуляторах передатчиков и так называемых «шарманках», но крайне мало распространён в усилительной технике… Мне не удалось найти в отечественной литературе конструкций с данным видом управления и их описания, поэтому и появилась данная статья. Но обо всё по порядку.
Итак, на схеме ниже представлена схема электрическая принципиальная первого варианта спроектированного усилителя с данным типом управления.
Разберёмся как он устроен. Сигнал с выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R2 поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора, выполненного на двойном триоде с высоким коэффициентом усиления Ла1 [1].
Фазоинвертор выполнен практически по классической схеме, множество раз описанной в различной литературе [например, 2] и подробном пояснении принципа работы не нуждается. Рассмотрим кратко только отличия от классической схемы.
Фазоинвертор данного усилителя представляет из себя, по сути, 2 независимых каскада с общим катодом и отличается от классической схемы только катодными цепями. В классической схеме фазоинвертора катоды соединены вместе, а для задания автоматического смещения служит общий катодный резистор. Для устранения связи по переменному току на всех частотах звукового диапазона данный резистор шунтируется конденсатором относительно большой ёмкости [2].
Благодаря применению отдельного резистора автоматического смещения для каждого плеча удалось добиться следующих улучшений:
- Так как катодные резисторы не зашунтированы конденсаторами, они создают за счёт протекания переменной составляющей тока небольшое напряжение отрицательной обратной связи, что так же линеаризует характеристики каскада и уменьшает вносимые искажения;
- Появляется возможность независимой регулировки плеч фазоинвертора и более точной установки заданного режима каждого плеча в отдельности. Что позволяет настроить (отбалансировать) каскад более точно.
С выхода предварительного усилителя-фазоинвертора усиленный сигнал поступает непосредственно на входы катодных повторителей, выполненных на двойных триодах Ла2, Ла3 [3] по схеме с приёмниками неизменяющегося тока в качестве катодной нагрузки.
Данные катодные повторители выполняют роль усилителей тока, что даёт возможность питать вторые сетки ламп выходного каскада непосредственно с их выхода. Кроме того, несмотря на низкий коэффициент усиления (близкий к единице) катодные повторители обладают хорошей линейностью, низким выходным сопротивлением, а так же являются широкополосными.
Применение же приёмников неизменяющегося тока в качестве катодной нагрузки катодных повторителей ещё больше повышает их линейность, а так же линейность управления выходным каскадом т.к. ток второй сетки ламп выходного каскада зависит от потенциала сетки и анодного потенциала. В общем случае зависимость тока второй сети от потенциалов сетки и анода является нелинейной. Применение катодных повторителей с приёмниками тока в качестве катодной нагрузки позволяет компенсировать данную нелинейность.
С выхода катодных повторителей, усиленный по току сигнал поступает на вход выходного каскада, выполненный на радиолампах Ла5, Ла6 [4]. Данный каскад выполнен по схеме с заземлёнными первыми сетками и фиксированным смещением. Управление осуществляется по 2 сеткам. Рабочий режим по постоянному току (фиксированное смещение) выходного каскада задаётся интегральными стабилизаторами DA1, включёнными по схеме стабилизатора тока.
Так как интегральные стабилизаторы обладают высоким динамическим сопротивлением переменному току, что эквивалентно глубокой ООС со стороны катода, стабилизаторы были зашунтированы конденсаторами С11-С14, которые устраняют действие данной ООС на всех частотах звукового диапазона.
Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой на выход акустической системой сопротивлением 4 Ом.
Резистор R16 – резистор общей отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель полностью.
Таким образом, подведя итог, можно заметить, что данный усилитель выполнен полностью с непосредственной связью каскадов, без использования переходных конденсаторов.
Для обеспечения стабильности параметров и рабочих точек усилителя по постоянному току применено питание предварительного усилителя и катодных повторителей стабилизированным напряжением. Если же питать предварительный усилитель-фазоинвертор и катодные повторители нестабилизированным напряжением, то изменение режима предварительного усилителя повлечёт за собой пропорциональное изменение режимов всех последующих каскадов, что недопустимо.
Стабилизатор напряжения выполнен на радиолампе Ла4 [5]. Данный стабилизатор, по сути, представляет собой усиленный параметрический стабилизатор. Источник опорного напряжения выполнен на стабилитронах VD1-VD3.
Рабочий ток стабилизации цепочки стабилитронов VD1-VD3 задаётся источником тока, выполненным на правой (по схеме) половинке лампы Ла4. Левая (по схеме) половинка лампы служит усилителем тока. Задание режима работы цепочки стабилитронов источником тока, а не резистором, как это делается в классических схемах, значительно повышает стабильность опорного напряжения. Даже в такой простейшей схеме стабилизации получаются неплохие результаты.
Конденсаторы С7, С8 – дополнительный фильтр опорного напряжения стабилизатора. Кроме того данный фильтр блокирует собственный шум стабилитронов, не пропуская его в последующие каскады.
Конденсаторы С5, С6 – дополнительный ёмкостной фильтр питания предварительного усилителя и катодных повторителей.
Конденсаторы С2, С3, резистор R9 – дополнительный развязывающий фильтр питания предварительного усилителя.
Настройка данного усилителя не представляет сложности. После включения усилителя и его прогрева в течение 5-10 минут нужно резистором R13 выставить ток через цепочку стабилитронов VD1-VD3 равный 8-10 мА. После этого нужно проконтролировать напряжение на катоде левого (по схеме) триода радиолампы Ла3 (вывод 3). Оно должно находиться в пределах 400-420 Вольт. Если напряжение отличается более чем на 10 вольт в большую или меньшую сторону, то следует подобрать напряжение стабилизации цепочки стабилитронов VD1-VD3.
После настройки стабилизатора напряжения переходим к настройке предварительного усилителя. Для его настройки, резисторами R3, R7 следует выставить на анодах лампы Ла1 напряжение равное 200 Вольт. На этом настройку по постоянному току предварительного усилителя можно считать законченной. Переходим к настройке катодных повторителей.
Для настройки катодных повторителей резисторами R10, R11 нужно выставить ток анодов ламп Ла2, Ла3 равный 15 мА. При этом вторые сетки выходного каскада должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ! На этом настройку катодных повторителей можно считать законченной.
После настройки катодных повторителей подключаем вторые сетки выходного каскада и переходим к его настройке. Для его настройки нужно подстройкой резисторов R14, R15 выставить ток ламп выходного каскада Ла5, Ла6 равный 25 мА. На этом настройку усилителя по постоянному току можно считать законченной.
Кроме того следует проверить правильность фазировки обмоток трансформатора. При правильной фазировке, через резистор R16 с выхода на вход должна образовываться ООС, и при подключении её мощность на выходе должна незначительно уменьшаться. В противном же случае, при увеличении выходной мощности или появлении генерации при подключении резистора R16 следует изменить полярность вторичной или первичный обмоток трансформатора. Увеличение мощности или генерация свидетельствует о том, что связь положительная, и фазировка нарушена.
Переходим к настройке по переменному току. Для настройки по переменному току на выход подключается эквивалент нагрузки – резистор сопротивлением 4 Ом мощностью не менее 10 Вт. Далее на вход подаётся синусоидальный сигнал частотой 1 кГц. Постепенно увеличивая уровень сигнала на выходе добиваемся на эквиваленте нагрузки мощности равной 5 Вт. При этом движок резистора R6 должен находиться в среднем положении. После этого, вращением движка резистора R6 добиваемся минимума 2 гармоники на выходе (эквиваленте нагрузки) по спектроанализатору или равенства полуволн синусоиды на осциллографе, что практически эквивалентно. В качестве спектроанализатора и осциллографа можно воспользоваться виртуальным комплексом на базе ПК visual analyser [6].
На этом настройку усилителя можно считать законченной.
Все использованные детали указаны на схеме. Номинальная мощность всех используемых в усилителе резисторов равна 2 Вт. Кроме того, стабилитроны VD1-VD3 следует установить на радиаторы площадью не менее 15-20 квадратных сантиметров каждый, толщиной 1-2 мм.
В качестве конденсаторов С11, С13 рекомендуется применить конденсаторы nichicon серии ES [8]. При их отсутствии можно применить любые подходящие конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС, ESR), способные работать в импульсных режимах.
Выходная мощность усилителя равна 5 Вт.
После проведения настройки усилителя и проработки в течении 50-ти часов для контроля стабильности параметров был произведён замер основных параметров усилителя.
На фото ниже представлена АЧХ данного усилителя при выходной мощности равной 5 Вт.
По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ равна 40 Гц-20 кГц. В большую сторону замерить АЧХ не позволяют ограничения звуковой карты, установленной в ПК. Подробное описание параметров звуковой карты и методики их измерения приведены в статье «УНЧ с прямонакальным выходом» [7].
На фото далее приведён спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 5 Вт.
По спектру видно. Что уровень самой высокой гармоники 2-ой равен -49.9 дБ, а суммарный коэффициент гармоник равен 0.36%.
На следующем фото представлен спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности.
По спектру видно, что уровень самой высокой гармоники 3-ей приближённо равен -47 дБ, а суммарный коэффициент гармоник равен 0.3%.
На следующем представлена реакция усилителя на прямоугольный импульс на входе.
По фото видно, что данный усилитель не имеет выброса на заднем фронте прямоугольного импульса. Если же при проверке будут наблюдаться выбросы, то следует подключить параллельно первичной обмотке трансформатора конденсатор ёмкостью от 100 пФ до 4700 пФ (подбирается экспериментально по отсутствию выброса) или корректирующую последовательную RC-цепочку. В этом случае сопротивление резистора обычно лежит в пределах 1-10 кОм, а ёмкость остаётся в выше описанных пределах. Параметры цепочки так же подбираются экспериментально.
По приведённым скринам замеров можно сделать вывод, что данный усилитель обладает сравнительно неплохими характеристиками.
Достоинством данного усилителя является более высокая детальность звучания (особенно в верхней части звукового диапазона), более линейное управление выходным каскадом, по сравнению с классическим управлением по 1 сетке. Кроме того, заземление 1 сетки устраняет влияние проходной ёмкости лампы на завал верхней части звукового диапазона, что так же расширяет полосу пропускания усилителя, увеличивает детальность звучания и уменьшает размазанность.
Недостатком является сложность реализации мощного линейного усилителя тока т.к. токопоребление второй сетки нелинейно.
В качестве улучшения данной схемы можно предложить усовершенствование стабилизатора питания предварительного усилителя и катодных повторителей. В качестве данного стабилизатора лучше применить стабилизатор компенсационного типа, при этом ток стабилитронов желательно задать так же источником тока.
Радиолюбители, желающие уменьшить количество применяемых конденсаторов в цепи прохождения сигнала могут построить выходной каскад по дифференциальной схеме, что исключит конденсаторы С11-С14 из схемы. Но при этом следует подобрать лампы Ла5, Ла6 более тщательно в пару по наименьшему разбросу параметров.
В подборке фото ниже представлена работа собранного макета данного усилителя во время испытаний, а так же дополнения к нему, описанного чуть ниже.
Ниже представлено видео с испытаний данного макета усилителя.
Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.
В качестве дополнения, о котором я упоминал чуть выше, любители ламповой техники могут собрать полностью ламповый индикатор уровня, представленный на схеме далее. Разберёмся подробнее как он работает.
Рассмотрим работу только одного канала индикатора. Работа второго канала аналогична. Сигнал, с выхода источника сигнала, через разделительный конденсатор С1, токоограничивающий резистор R1 и резистор уровня R2 поступает на вход развязывающего усилителя, выполненного на радиолампе Ла1. Основное назначение его входных цепей и непосредственно самого усилителя – это исключение влияния индикатора на источник сигнала. Его нелинейность не должна создавать дополнительных искажений в тракте воспроизведения. Данный усилитель представляет собой, по сути, пару резистивных усилителей с общим катодом. Данное включение является классическим, поэтому рассматривать подробно его не будем.
С выхода развязывающего усилителя усиленный сигнал поступает на вход пик-детектора с удвоением, выполненного на конденсаторах С4, С5 и двойном диоде Ла3. Нагрузкой данного детектора служит резистор R8 с подключённым входом электронно-светового индикатора Ла5. Схема включения индикатора типовая.
Питать данный индикатор можно непосредственно с источника питания усилителя напряжением 500 Вольт либо с выхода стабилизатора предварительного усилителя и катодных повторителей.
Настройка данного индикатора очень проста. Для настройки нужно лишь выставить резистором R3 половину напряжения питания на одном из анодов лампы Ла1. При этом разность напряжений анодов не должна превышать 10%. В противном случае следует выбрать другую лампу Ла1.
После этого остаётся лишь при заданной громкости воспроизведения регуляторами уровня R2, R7 выставить необходимый входной уровень сигнала. На этом настройку можно считать законченной.
В качестве источника сигнала индикаторов можно использовать непосредственно выход катодных повторителей либо взять сигнал непосредственно с анодов ламп выходного каскада. Кроме того данный индикатор уровня можно использовать для стерео усилителей, подключив один канал к одному усилителю, а второй к другому.
Посмотрим как выглядит данный индикатор уровня в работе.
По фото представленным в подборке выше и видео видно, что начальный раскрыв электронно-световых индикаторов, а так же их чувствительность различны. Это связано с тем, что у данных индикаторов в разной мере выработан ресурс. При замене индикаторов рекомендуется устанавливать их парой в одно время, аналогично двойным диодам Ла2, Ла3 пик-детектора.
Чувствительность индикатора к изменению входного уровня (время усреднения) зависит от ёмкости конденсаторов удвоителя пик-детектора. Данные конденсаторы подбираются экспериментально.
Что бы не захламлять список литературы общий в конце статьи я буду приводить список использованной литературы по мере проведения экспериментов, к каждой части свой. Это должно облегчить поиск того или иного источника и упростить навигацию по данной статье. Не пинайте меня сильно за этот "трюк", но статья действительно объёмная... Думаю так будет проще ориентироваться )))))
Список использованной литературы
1. Параметры радиолампы 6Н2П-ЕВ
2. Н. Трошкин. Фазоинверторы, журнал Class A, Апрель 1997 г, стр. 16-21
3. Параметры радиолампы 6Н6П
4. Параметры радиолампы 6П44С
5. Параметры радиолампы 6Н13С
6. Официальный сайт Visual analyser
7. УНЧ с прямонакальным выходом
8. Параметры конденсаторов nichicon
9. Параметры радиолампы 6Н23П
10. Параметры радиолампы 6Х2П
11. Параметры радиолампы 6Е3П
Фух, не устали ещё читать? Нееет? Ну что же, тогда продолжим экспериментировать! )))
А потом всё пошло по наклонной... вверх... или продолжение следует... (Часть 2)
Итак, первый эксперимент с управлением по второй сетке уже проведён, можно сделать некоторые выводы, а именно: в принципе, во-первых, данный метод управления вполне может быть успешно осуществлён без лишних плясок с бубном, а во-вторых, при должном подходе можно получить очень даже неплохие результаты при таком управлении.
Перед тем как начать рассказ о втором варианте сконструированного усилителя сделаем небольшое отступление. Отступление будет касаться линейности лампового каскада, при осуществлении управления по 2 сетке и методике его проектирования.
Так как мной использовалась характеристика лампы, снятая для расчётного режима и построенная качественно и очень приближённо для пояснения принципов расчёта каскада и его параметров воспользуемся справочными параметрами для другой радиолампы, например 6П3С [1].
Первый вопрос касается непосредственно линейности самого каскада при различном управлении. Итак, рассмотрим семейство усреднённых характеристик тока анода от напряжения на аноде при разных напряжениях на 2 сетке (рисунок слева) и семейство характеристик зависимости тока анода от напряжения на аноде при заданных фиксированных значениях смещения на 1 сетке (рисунок справа).
 |
 |
Проведём вертикальный нагрузочные прямые (они соответствуют отсутствию нагрузки в аноде лампы) на характеристиках, соответствующих одинаковым напряжениям анода (прямые 1, 2, 3) для произвольных значений напряжений. По характеристикам наглядно видно, что приращение анодного тока, при изменении напряжения на 2 сетке значительно линейнее, чем при классическом управлении по 1 сетке, особенно в области больших токов.
Расчёт нагрузочной прямой данного каскада производится классическим графическим методом, но на семействе характеристик управления по 2 сетке. Но тут следует учесть, что характеристики управления по 2 сетке приведены для напряжения на первой сетке равного 0 Вольт и подходят далеко не для всех случаев.
Проектируя подобный каскад нужно решить несколько задач, в той или иной степени противоречащих друг другу:
- Напряжение питания второй сетки нужно выбирать как можно ниже, что бы при меньшем напряжении на аноде выходного каскада и драйвере получить наибольший размах напряжения управления и, как следствие большую выходную мощность – это с одной стороны.
- С другой стороны, напряжение питания второй сетки не должно быть ниже, чем минимальная необходимая амплитуда возбуждения + остаточное напряжение ламп драйвера + запас 20% для обеспечения нормальной работы каскада. Это требование больше актуально для класса усиления А (А2) и схемотехнике с непосредственной связью каскадов. В классе АВ (АВ2) и трансформаторной связи напряжение на второй сетке можно выбирать низким, настолько низким, пока не начнётся лавинный рост искажений каскада из-за сеточного тока.
- Третье НО, это максимальное напряжение на 2 сетке в динамическом режиме. Оно не должно слишком близко приближаться к анодному напряжению, и НИКОГДА не должно его превышать т.к. в этом случае вторая сетка начинает принимать на себя ток и о линейности каскада можно и не вести речи.
- И последнее… Так как напряжение второй сетки, при отсутствии отрицательного смещения на первой сетке для превышения максимальной рассеиваемой анодом мощности требуется небольшое, но недостаточное для осуществления эффективного управления относительно него, то требуется задание отрицательного смещения на первой сетке (любым известным способом), что повлечёт переход к новому семейству характеристик управления по 2 сетке для каждого фиксированного значения напряжения на первой сетке т.к. поле первой сетки будет тормозящим для электронов и будет уменьшать анодный ток в то время как поле второй сетки будет ускоряющим и, соответственно, будет увеличивать ток.
Рассмотрение этих 4-ех факторов в совокупности, неотделимо друг от друга позволяет оптимизировать и выбрать параметры такого каскада наиболее правильно. На этом закончим краткое отступление об управлении каскадом по 2 сетке и перейдём непосредственно ко 2 варианту спроектированного усилителя.
На схеме ниже приведена схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя. Разберёмся кратко как он работает.
С выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R2 сигнал поступает на вход предварительного усилителя, выполненного на радиолампе Ла1 [2] по классической схеме с резистивной нагрузкой.
С выхода предварительного усилителя, через разделительный конденсатор С4 и антипаразитный резистор R7 усиленный сигнал поступает на вход второго каскада усиления – фазоинвертор (ФИ). Данный фазоинвертор выполнен так же по классической схеме неавтобалансного фазоинвертора, но с применением SRPP-каскадов в каждом плече ФИ, выполненных на двойных триодах Ла2, Ла3 [3]. Не будем рассматривать подробно принцип работы данного фазоинвертора и причины установки отдельных катодных резисторов т.к. это всё многократно рассматривалось в различной литературе и мной в том числе немного выше.
Остановимся только на небольшом нюансе, связанным с работой SRPP-каскада. Так как верхний триод каскада, по сути, является источником неизменяющегося тока, то изменяя катодный резистор верхнего триода мы задаем жёстко ток покоя каскада. Изменяя данный резистор, без изменения катодного резистора нижнего триода напряжение питания будет перераспределяться между верхним и нижним триодами схемы за счёт изменения протекающего тока.
Нижний же триод каскада, по сути, является каскадом с общим катодом (ОК), нагруженным на источник неизменяющегося тока. Изменяя катодный резистор нижнего триода, без изменения резистора верхнего триода напряжение так же будет перераспределяться между триодами, но ток покоя каскада при этом будет практически постоянным. Эти 2 момента важно помнить при проектировании и применении SRPP-каскадов.
С выхода фазоинвертора усиленный сигнал, через ультралинейные обмотки трансформатора Tr1 поступает на вход выходного каскада, выполненного на радиолампах Ла8, Ла9 [4]. Выходной каскад выполнен по дифференциальной ультралинейной схеме. Ток покоя выходного каскада задаётся источником тока, выполненным на интегральном стабилизаторе DA1. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой.
В данном варианте усилителя, для питания каскадов предварительного усилителя применён усовершенствованный стабилизатор напряжения, выполненный на радиолампах Ла4-Ла7 [4, 5, 6].
Усовершенствование схемы заключается в том, что для задания тока цепочки газоразрядных стабилитронов Ла6, Ла7 используется источник неизменяющегося тока, выполненный на одном триоде радиолампы Ла4.
Кроме того, вторая сетка радиолампы Ла5 запитана стабилизированным напряжением т.к. ток через резистор R19 постоянен и задан источником тока, а следовательно, постоянно и падение напряжения на нём, в отличие от большинства схем встречающихся в литературе, где вторая сетка запитана со входа стабилизатора, что может негативно сказаться на стабильности выходного напряжения. Применение данных мер позволяет значительно улучшить стабильность выходного напряжения без применения дополнительных мер и увеличения коэффициента усиления петли ООС.
Резистор R5, конденсаторы С2, С3, С6, С7 – дополнительный развязывающий фильтр анодного питания каскадов предварительного усиления.
Конденсаторы С10, С11 – дополнительный фильтр напряжения питания выходного каскада усилителя.
Резистор R24 – резистор отрицательной обратной связи.
Настройка данного усилителя не представляет сложности. Перед первым включением необходимо выставить движки резисторов R11, R23 в среднее положение и отсоединить 2-ые сетки выходного каскада от ФИ. После этого можно включить усилитель и дать ему прогреться.
После прогрева усилителя, подбором резистора R15 нужно установить напряжение на выходе стабилизатора равное 400 Вольт, при этом резистором R19 выставляется ток через цепочку стабилитронов Ла6, Ла7 равный 15 мА. Процедуру подстройки нужно произвести несколько раз. Далее, резистором R3 нужно выставить напряжение на аноде радиолампы Ла1 равное 175 Вольт. На этом настройку предварительного усилителя можно считать законченной. Переходим к настройке фазоинвертора.
Для настройки фазоинвертора нужно резисторами R8, R12 выставить напряжение на катодах верхних (по схеме) триодов равное 200 Вольт. После чего нужно обесточить усилитель и подключить вторые сетки выходного каскада, после чего вновь включить усилитель.
Для настройки выходного каскада следует резистором R22 выставить суммарный ток выходного каскада равный 50 мА. После этого, резистором R23 следует уровнять токи ламп выходного каскада (по 25 мА на лампу). На этом настройку по постоянному току можно считать законченной. Переходим к настройке по переменному току.
Для настройки по переменному току нужно вращением движка резистора R11 добиться на выходе минимума 2-ой гармоники любым известным способом. На этом настройку по переменному току можно считать законченной.
Кроме того следует проверить правильность фазировки обмоток трансформатора. При правильной фазировке, через резистор R24 с выхода на вход должна образовываться ООС, и при подключении её мощность на выходе должна незначительно уменьшаться. В противном же случае, при увеличении выходной мощности или появлении генерации при подключении резистора R24 следует изменить полярность вторичной обмотки трансформатора. Увеличение мощности или генерация свидетельствует о том, что связь положительная, и фазировка нарушена.
После проведения настройки усилителя и его проработки в течении 50-ти часов для контроля стабильности параметров был произведён обмер параметров.
На фото ниже представлена АЧХ данного варианта усилителя.
По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ составляет: 30 Гц – 18 кГц, что является неплохим результатом.
На следующем фото представлен спектр искажений усилителя при максимальной выходной мощности равной 3 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 1.24%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей равен -38.9 дБ.
На фото ниже представлена реакция усилителя на прямоугольный импульс.
По фото видно, что задний фронт сигнала не имеет выбросов большой величины и чередования затухающих импульсов, что свидетельствует о хорошей устойчивости усилителя и отсутствию локальных спадов и подъёмов АЧХ в полосе пропускания, а так же отсутствию резонансных явлений в усилителе.
После проведения замеров было произведено контрольное прослушивание усилителя. Усилитель даёт на выходе чистый звук с хорошей детальностью звучания, но приглушённый, как в описанном ранее усилителе на 6С19П в статье «Усилитель на ТАНах. Часть 2».
Звучание данного усилителя мне не понравилось именно из-за подобного эффекта + низкой выходной мощности. Поэтому выходной каскад был заменён на каскад, описанный в первой части данной статьи, но с включением ультралинейных обмоток в цепь второй сетки. Настройка данного выходного каскада описана в 1 части данной статьи. После настройки был произведен обмер параметров второго варианта усилителя.
На фото ниже приведена АЧХ второго варианта усилителя при номинальной выходной мощности равной 5 Вт.
По АЧХ видно, что полоса усилителя по уровню -3 дБ составляет от 20 Гц до 19 кГц. Кроме того, по АЧХ видно, что уменьшился общий завал в области ВЧ-части звукового диапазона.
На следующем фото приведён сравнительный спектр сигнала на выходе, при одинаковом с предыдущим вариантом (с дифференциальным выходным каскадом) уровнем нелинейных искажений.
Выходная мощность данного варианта составляет при этом 7 Вт (что больше более чем в 2 раза), суммарный коэффициент гармоник равен 1.29%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей, равен -38.8 дБ.
На фото ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности равной 5 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.52%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей равен -49.1 дБ.
На фото далее представлен спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности, равной 2.5 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.3%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей равен -51.6 дБ.
Если сравнить последние 2 спектра со спектрами, приведёнными в 1 части данной статьи, то можно заметить увеличение суммарного уровня гармоник и уменьшение уровня гармоник высших порядков. Более лучшее подавление гармоник высших порядков связано с введением ультралинейных обмоток в цепь второй сетки ламп выходного каскада. Увеличение суммарного коэффициента гармоник, по моему мнению, связано менее линейным предварительным усилителем и более высоким его выходным сопротивлением, вследствие чего линейность управления несколько хуже.
На фото ниже представлена реакция на прямоугольный импульс второго варианта усилителя при номинальной выходной мощности равной 5 Вт.
По фото видно, что по сравнению с первым вариантом усилителя незначительно увеличилась высота выбросов, что не критично для данного усилителя и не требует применения корректирующих цепочек.
После проведения замеров было произведено контрольное прослушивание усилителя. По сравнению с первым вариантом усилителя в данном варианте отсутствует эффект приглушения звука. Звук в целом воспринимается более естественно и позитивно.
Следует так же отметить, что после превышения номинальной мощности 5 Вт усилитель начинает плавно входить в ограничение и способен развивать на выходе мощность до 18 Вт. При этом коэффициент гармоник будет около 7-8%.
Подводя итог второго эксперимента можно дать небольшой совет по повторению усилителя с управлением по 2 сетке. Из испытанных каскадов, для получения максимальной детальности, минимальных искажений и хорошего звучания я рекомендую скомбинировать их следующим образом: предварительный усилитель взять из 1 части данной статьи (6Н2П+2х6Н6П. Рекомендую раскачивать именно с каскада на катодном повторителе с приёмником неизменяющегося тока т.к. он обладает низким выходным сопротивлением и хорошей нагрузочной способностью, что позволяет более линейно управлять выходным каскадом), стабилизатор взять из данной части статьи, выходной каскад взять из 1 части статьи, но включить дополнительные ультралинейные обмотки. При этом резистор ООС увеличить до 20-22 килоом. Данная комбинация поможет получить от усилителя оптимальные параметры.
Так же можно поэкспериментировать с напряжением питания 2-ой сетки, для достижения максимальной выходной мощности при минимальных искажений, не забывая о 4 принципах, сформулированных в начале данной части статьи.
Настройка всех каскадов описана в первой и данной частях статьи. Все использованные детали указаны на схемах.
В подборке фото ниже представлен внешний вид унифицированного стаблизатора напряжения, применённого в данном варианте усилителя, а так видео с его испытания.
На видео далее показана работа макета второго варианта усилителя, описанного в данной статье. Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.
На этом вторая часть экспериментов заканчивается... Надеюсь я ещё не сильно Вас утомил обилием графиков, картинок и технических параметров? Если нет, то поехали тогда дальше, ведь впереди самое интересное, а именно третья часть экспериментов!!!!
Список использованной литературы
1. Параметры 6П3С
2. Параметры 6С2П
3. Параметры 6Н6П
4. Параметры 6П44С
5. Параметры 6Н13С
6. Параметры 6Ж9П
7. Параметры СГ201С
Так к чему же мы пришли в итоге? (Часть 3)
Итак, проведя ещё кучу промежуточных экспериментов я всё-таки пришел к конечному варианту управления лампами по второй сетке. Именно данный вариант управления я и хочу представить Вам в последней части данной статьи.
Схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя показана на схеме ниже.
Как и предыдущие варианты усилителя данный усилитель является 3-ёх каскадным. Первый каскад – это предварительный усилитель-фазоинвертор, выполненный на двойном триоде с высоким коэффициентом усиления Ла1 [1]. Второй каскад – промежуточный. Он представляет из себя усилители тока, а именно катодные повторители с приёмниками стабильного тока, выполенные на двойных триодах Ла2, Ла3 [2]. Он служит для линеаризации управления выходным каскадом.
Питание предварительного усилителя и промежуточного каскада осуществляется от модернизированного стабилизатора напряжения, выполненного на радиолампах Ла4-Ла7 [3, 4, 5]. Не будем подробно рассматривать принцип работы, устройство и методику настройки данных каскадов т.к. это всё подробно описано в предыдущих частях данной статьи. Рассмотрим подробнее выходной каскад.
Итак, усиленный по току и напряжению сигнал, с выхода промежуточного каскада поступает на вход выходного каскада, выполненного на лучевых тетродах Ла8, Ла9 [6, 7] в нестандартном включении.
Основа данного принципа включения была заимствована из схем включения мощных выходных ступеней ламповых передатчиков. В данных ступенях все сетки радиоламп соединяются вместе и заземляются, а раскачка осуществляется со стороны катода т.е. каскад обычно строится с общей сеткой. Данное включение ламп называется супертриодным. Считается, что данное включение значительно повышает линейность выходного каскада.
Для проверки данного предположения были сняты изначально анодные характеристики радиолампы 6П44С в режиме с соединёнными сетками без сеточного резистора. Данные анодные характеристики показаны на фото ниже.
По приведённым характеристикам можно сделать вывод, что они значительно линейнее характеристик, приводимых в справочной литературе для классического включения 6П44С.
Как Вы уже заметили, данные анодные характеристики сняты для области положительных смещений на соединённых сетках (область отрицательных смещений не представляет интереса) т.е. в так называемом правом режиме, соответственно недостатком данного включения является ток управляющей сетки (роль которой в данном случае выполняют соединённые вместе сетки 6П44С). В данном варианте он может достигать трети анодного тока. Такие высокие значения сеточных токов потребуют проектирования специального промежуточного каскада, что не является тривиальной задачей, а рассеиваемая им мощность в несколько раз перекроет выходную мощность усилителя в целом, что ставит под сомнение целесообразность данного управления, несмотря на явную линейность характеристик.
После многочисленных экспериментов был найден выход из данной ситуации – в первую сетку радиолампы 6П44С был установлен ограничивающий резистор.
За счёт протекания сеточного тока через сеточный резистор на данном резисторе падает напряжение смещения. В итоге получается, что напряжение смещения на второй сетке больше напряжения смещения на первой сетке на величину падения на сеточном резисторе. Таким образом, снижается суммарный сеточный ток (за счёт уменьшения напряжения на первой сетке относительно катода и, соответственно, уменьшения тока первой сетки), но вместе с ним уменьшается и анодный ток (за счёт подзапирания лампы этим же смещением), что приводит к необходимости повышать напряжение возбуждения выходного каскада.
Линеаризация же анодных характеристик происходит так же за счёт данного резистора т.к. при увеличении напряжения на сетках происходит увеличение тока первой сетки, что увеличивает падение напряжения на сеточном резисторе. В свою очередь увеличивающееся падение напряжения уменьшает анодный ток т.е. мы получаем глубокую ООС по току.
По мере увеличения данного резистора анодные характеристики, представленные на фото выше вырождаются в характеристики, показанные на фото далее.
Анодные характеристики, показанные на фото выше сняты для величины сеточного сопротивления равного 12 кОм. По данным характеристикам можно сделать вывод, что они обладают высокой линейностью, но выходной каскад при таком построении требует большого напряжения возбуждения, что не является проблемой, в отличие от проектирования каскад с высоким током управления и хорошей линейностью. Если присмотреться ещё внимательнее, то можно заметить интересную деталь, а именно, по форме данные характеристики представляют собой классические характеристики правых триодов с низкой крутизной при положительных напряжениях смещения. Отсюда можно сделать вывод, что, по сути, применив описанное вклчение терода (пентода) мы получили в итоге классический правый триод со всей спецификой его применения.
В качестве эксперимента так же сетки ламп были соединены вместе, а токоограничивающий резистор был установлен общий для обоих сеток. Результаты такого включения показали, что линейность лампы возрастает незначительно, но при этом мы проигрываем в необходимой амплитуде возбуждения однозначно т.к. падает коэффициент усиления ещё сильнее из-за действия ООС уже по двум сеткам одновременно. По причине нецелесообразности данного включения его не привожу в данной статье.
На фото далее показана зависимость анодного тока и суммарного тока сеток от величины резистора первой сетки.
Данные характеристики сняты для напряжения анод-катод равного 200 Вольт и напряжения смещения на сетках равного +7 Вольт. По данным характеристикам удобно определять оптимальную величину сеточного резистора, если их снять для максимального напряжения смещения, либо построить семейство характеристик для различных напряжений смещения при фиксированном напряжении анод-катод.
Оптимальное сопротивление резистора первой сетки находится в нижней части изгиба характеристики, при переходе суммарного тока сеток в «прямую» т.к. ещё сохраняется высокая крутизна характеристики лампы, ток сеток относительно мал, напряжение раскачки относительно невелико.
На практике рекомендуется выбирать величину данного резистора правее данного изгиба, увеличивая при этом величину ООС по току, тем самым увеличивая линейность анодных характеристик и снижая искажения каскада. Кроме того, подобный выбор позволит отказаться от промежуточного каскада при достаточной мощности предварительного усилителя-фазоинвертора.
После рассмотрения принципиально нового способа управления лампами выходного каскада вернёмся к схемотехнике спроектированного усилителя.
Выходной каскад данного усилителя выполнен в режиме с автоматическим смещением. Автоматическое смещение задаётся катодными резисторами R22, R23. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой. Следует так же отметить, что первичные обмотки трансформатора соединены накрест, что уменьшает межслойную паразитную ёмкость трансформатора, расширяя при этом полосу пропускания усилителя.
Все использованные детали указаны на схеме, а их назначение подробно описано в предыдущих частях данной статьи.
Настройка каскадов данного усилителя, так же подробно описана в первых 2-ух частях данной статьи. Настройка выходного каскада заключается в установке токов анодов ламп выходного каскада Ла8, Ла 9 резисторами R22, R23 равных 50 мА.
Выходная мощность усилителя равна 6 Вт.
После проведения настройки усилителя и его проработки в течении 50-ти часов для контроля стабильности параметров был произведён обмер параметров.
На скрине ниже показана АЧХ данного усилителя при максимальной выходной мощности.
По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню – 3 дБ составляет от 15-20 Гц до 32 кГц, что является отличным результатом. В большую сторону замерить АЧХ не позволяют параметры применяемой звуковой карты (в третьей части статьи использовалась другая звуковая карта).
На следующем скрине представлен спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 6 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.056%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей примерно равен -64.8 дБ.
На скрине ниже представлен спектр сигнала при половинной выходной мощности равной 3 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.042%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей равен -66.5 дБ.
После превышения выходной мощности равной 6 Вт начинается медленный рост искажений и гармоник высших порядков из-за плавного входа усилителя в ограничение сигнала (клиппинг).
На скрине далее представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 12 Вт.
При этом суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.11%, а уровень самой высокой гармоники 6-ой примерно равен -45 дБ. Данный уровень нелинейных искажений довольно низок и позволяет эксплуатировать усилитель вплоть до заявленной мощности, но возможно появление гитарного окраса звучания.
После превышения выходной мощности 12 Вт начинается сильное ограничение сигнала (клиппинг). На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 15 Вт.
По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 1.26%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей равен -33.9 дБ. Более высокую выходную мощность в данном усилителе получить не удалось.
По приведённым выше спектрам и АЧХ можно сделать вывод, что применение данного метода управления в выходном каскаде усилителя целесообразно и полностью оправдано. Кроме того, приведённые в самом начале рассуждения полностью подтверждаются снятыми практическими характеристиками.
После замера основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание. В качестве акустической системы была использована акустика ВЕГА 25АС-109-2. Каналы данной акустики были соединены синфазно и параллельно для получения сопротивления равного 4 Ом.
Усилитель даёт на выходе чистый чёткий звук, гитарный оттенок отсутствует. Кроме того усилитель обладает высокой детальностью звучания, особенно в верхней части звукового диапазона (тарелки, щётки и подобные инструменты прослушиваются достаточно детально).
На видео в подборке ниже показана работа макета варианта усилителя, описанного в данной статье. Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.
Ну вот вроде бы и всё, на этом данная история с нестандартным управлением лампами выходного каскада заканчивается, все выводы уже сделаны, итоги подведены. Надеюсь данный материал будет полезен любителям ламповой техники.
Список использованной литературы
1. Параметры 6Н2П
2. Параметры 6Н6П
3. Параметры 6Н13С
4. Параметры 6Ж9П
5. Параметры СГ201С
6. Параметры 6П44С
7. Параметры 6П44СМ
Файлы:
Схема в формате SPlan. Вариант 1
Схема в формате SPlan. Вариант 2
Схема в формате SPlan. Вариант 3
Все вопросы в
Форум.
|
Как вам эта статья?
|
Заработало ли это устройство у вас?
|
|
|
|
