Узлы ламповых усилителей класса Hi-End (часть 4)

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на лампах

Опубликовано: 19.03.2017 20:03

Просмотров: 4164

Андрей Семёнов, г, Киев

(Продолжение. Начало см. в (часть 1-3) и РА 1-3/2015)

В то же время, для катодного резистора номиналом 240 Ом шунтирующий конденсатор номиналом 66 мкФ является совершенно недостаточным - использование этого конденсатора с номиналом 470 мкф более целесообразно.

В подменю «Options» в пункте «Resolution» можно задать высокую точность расчёта «Fine» или грубую - «Coarse*.

В левой части вкладки «Schematic» (рис.22) можно задавать тип используемой лампы (Tube), количество ламп, включенных параллельно (PSE), тип используемого трансформатора (Output Transformer) и величину амплитуды входного сигнала (V_in).

На вкладке «Wave form» можно увидеть форму выходного сигнала на выходе УМЗЧ при заданном V_in .

 На рис.23 показан выходной сигнал УМЗЧ, при подаче на его вход треугольного сигнала амплитудой 30 В. Как видим, выходной сигнал УМЗЧ, в этом случае, сильно искажен, что также видно на рис.24, который моделирует подачу на вход УМЗЧ синусоидального сигнала с амплитудой 30 В.

Программа позволяет рассчитывать уровень второй и третьей гармоники выходного сигнала.

Для этого надо перейти на вкладку «Results», и в подразделе «Load» будут указаны значения этих гармоник, как в абсолютном (Dist. 2nd; Dist 3rd), так и в относительном (2nd dВ; 3rd dB) выражении (рис.25).

На вкладке «Results» (рис.25) программы SE Amp CAD в подразделе «IV Dinamic» приведены также следующие параметры, рассчитанные при заданной величине входного сигнала:

v_pmax' v_{p avg'} V_{P min} - максимальное, среднее и минимальное напряжение на аноде лампы; V_{g max}' V_{g ldle}' V_{g min} - максимальное, среднее и минимальное отрицательное напряжение на сетке лампы;

I_{p max}' I_{p avg}' I_{p min} - максимальное, среднее и минимальное значение тока катода лампы;

В подразделе «Output Stage»:

W_{p idle} - мощность, рассеиваемая лампой при отсутствии входного сигнала;

W_p% - мощность, рассеваемая лампой в процентном отношении к максимально допустимой мощности рассевания данным типом лампы;

W_{p avg} - средняя мощность, рассеиваемая лампой.

Gain - коэффициент усиления каскада.

Plate Ƞ - КПД лампы;

Total Ƞ - общий КПД каскада, включая КПД трансформатора, потери мощности на катодном резисторе и т.д.;

Plate Zo - выходное сопротивление каскада;

PSRR - коэффициент подавления помех по питающему напряжению;

R_ect.mA - максимальное пиковое значение тока управляющей сетки;

R_kw- скорость нарастания выходного напряжения для драйвера, работающего с данным выходным каскадом. Это минимальное значение, необходимое для обеспечения полосы пропускания каскада 20 кГц;

R_{k cap} - минимальное значение катодного конденсатора в мкФ обеспечивающего нижнюю рабочую частоту 20 Гц.

В подразделе "LOAD"

W_rms - среднеквадратичное значение мощность в нагрузке;

V_rms - среднеквадратичное значение напряжения нагрузки;

I_rms - среднеквадратичное значение напряжения нагрузки;

Z_out - выходное сопротивление усилителя с учетом трансформатора;

DF - коэффициент демпфирования усилителя.

На рис.25 показаны общие результаты расчета выходного каскада УМЗЧ, из которых следует, что при использовании выбранного трансформатора и заданного режима лампы мощность рассеивания 32 Вт (выделено на вкладке красным цветом) превышает предельно допустимую мощность рассеивания на аноде данной лампы. Для того чтобы при заданном напряжении источника питания исправить ситуацию, надо уменьшить ток анода в рабочей точке или выбрать другой тип трансформатора., что показано на рис.26 и рис.27,

На рис.27 хорошо видно, что после уменьшения тока анода в рабочей точке до 50 мА и выбора другого типа выходного трансформатора, динамическая характеристика каскада не пересекает параболу предельно допустимой мощности лампы.

Для ламп с прямым подогревом катода программа позволяет также рассчитывать цепь питания накала. При этом на вкладке «Shematic» в правой стороне в подразделе «Heater Setup» можно выбирать нагрев накала постоянным или переменным током, стабилизированное или нет напряжение накала и тип накального трансформатора. Схема питания накала триода типа 300В СЕ стабилизированным напряжением при использовании накального трансформатора со средним выводом понижающей обмотки показана на рис.28,

Для сохранения или распечатки полученных графиков следует воспользоваться кнопкой «BMP». Отчет о произведенном расчёте можно создать, используя вкладку «Tools» и выбрав на ней пункт «Reports».

Выходной трансформатор лампового УМЗЧ Как уже отмечалось ранее, выходное сопротивление однотактного лампового каскада УМЗЧ составляет единицы - десятки кОм. В то же время, сопротивление современных акустических систем, на которые должен работать ламповый УМЗЧ, как правило, на частоте 1 кГц колеблется в диапазоне 4-16 Ом, Поэтому для согласования выходного сопротивления УМЗЧ с сопротивлением нагрузки используется звуковой трансформатор.

В литературе и сети Интернет имеется большое количество материалов и методик по расчёту и конструировании выходного звукового трансформатора. В основном их можно раз делить на две категории:

•  пособия для  инженеров  проектировщиков трансформаторов;

•  упрощенные методики расчёта ориентированные на радиолюбителей. Расчёт, описанный в пособиях, рассчитанных на инженеров, требует серьезной математической подготовки и содержит сложные формулы. Более того, для его использования надо знать множество параметров магнитопроводов. Расчеты для радиолюбителей базируются на приближенных формулах и усреднённых параметрах магнитолроводов.

Но самым существенным недостатком обоих этих подходов к расчёту трансформатора является критерий получения его минимальной стоимости. Дело в том, что все эти методики расчёта разрабатывались 1950-60-х годах и ориентировались на массовое производство недорогих УМ 3Ч. Поэтому диапазон рабочих частот 60 Гц- 16 кГц при неравномерности 3 дБ, в таких методиках, считается отличным результатом. Разумеется, рассчитать трансформатор обеспечивающий неравномерность АЧХ 1 дБ в полосе частот 20 Гц - 20 кГц по таким методикам просто невозможно.

Эмпирическая методика расчёта выходного трансформатора.

В связи с вышесказанным, ниже будет приведена эмпирическая методика расчёта высококачественного выходного звукового трансформатора.

При этом будут использоваться такие предположения:

• выходная мощность УМЗЧ не превышает 50 Вт;

•  параметры и марка стали сердечника трансформатора неизвестны, т.к. свойства стали одной и той же марки, но в разных партиях, заметно отличаются даже у одного и того же производителя и поэтому параметры сердечника будут определяться экспериментально;

•  нагрузка трансформатора чисто активная, т.е. её индуктивность и емкость не учитываются.

Важно учесть также следующее:

•  обмотки трансформатора должны наматываться виток к витку, а не «в навал».

•  обязательно  использовать  межслойную  и межсекционную изоляцию с толщиной выдерживающей разность напряжений между слоями и секциями трансформатора.

Снижение паразитных параметров трансформатора, таких как индуктивность рассеивания и межобмоточные емкости (а это крайне важно для расширения полосы рабочих частот) достигается путем секционирования его обмоток.

 При этом:

•  общее число секций каждой обмотки должно быть нечетным и не превышать 9;

•  крайние (внутренняя и наружная) секция трансформатора должны при надлежать одной обмотке и содержать в два раза меньше витков, чем во внутренних секциях этой же обмотки.

В приведенных выше расчетах трансформатор присутствовал в качестве нагрузки лампы в виде Ra которое для триода (или триодного включения пентода или тетрода) выбирается на уровне 3...5 Ri-Рaзумеется, первичная обмотка трансформатора имеет кроме реактивного сопротивления также и активное сопротивление r₁ Для того чтобы получить приемлемый КПД трансформатора, а значит и всего УМЗЧ, необходимо чтобы r₁ не превышало 10-15% от Ra. Особенно это важно для воспроизведения НЧ, поскольку на них величина r₁ и реактивного сопротивления первичной обмотки могут оказаться сопоставимыми, что приведет к значительному «завалу» НЧ.

Для изготовления трансформаторов используются стальные сердечники нескольких типов. На рис.29 показаны:

•  рис.29,а - стержневой сердечник;

•  рис.29,б-броневой сердечник;

•  рис.29,в -тороидальный сердечник;

•  рис.29,г- витой стержневой сердечник; •  рис.29,д - витой броневой сердечник;

•  рис.29,е- витой тороидальный сердечник.

Низшая рабочая частота Реактивное сопротивление обмотки трансформатора:

X_L = 2 π f L.

Поскольку Ra (нагрузка) и Ri лампы включены параллельно, то при расчётах надо использовать Rэ:

Rэ = Ra * Ri / (Ra + Ri).

В предположении, что r_i намного меньше Rэ, получаем что X_L равно Rэ, откуда легко определить индуктивность трансформатора:

L = Rэ/(2 π f).

Если нам необходима неравномерность АЧХ на нижней рабочей частоте трансформатора -3 дБ. то в дальнейших расчетах используется именно эта

формула, в которой f заменяется f_Н, т.е. нижней рабочей частотой УМЗЧ. Для получения спада на нижней рабочей частоте -1 дБ формула преобразится:

L₁ = Rэ / (π f H).

Т.е. для обеспечения хороших «басов» нужна вдвое большая индуктивность первичной обмотки трансформатора и он будет стоить гораздо дороже.

Верхняя рабочая частота:

Здесь основное значение играет индуктивность рассеяния Ls вызванная взаимодействием магнитных полей обмоток вне магнитопровода трансформатора. Для удобства её оценки обычно используют коэффициент рассеивания d = Ls / L₁. Значение d обычно находится в интервале 0,003...0,008. поскольку получить d меньше 0,003 при использовании стального сердечника очень сложно, a d более 0,008 приводит к значительному "срезанию" ВЧ.

Используя полученное ранее значение  L₁ можно определить активный объем стали сердечника используя эмпирическое соотношение — 1 Вт выходной мощности требует 1-3 кубических дюймов активного объема стали, т.е.:

V_СT>20√(Pa/fH).

При этом Vct = S Ic, где S - площадь сердечника, [см²], Ic - средняя длина магнитной силовой линии [см]. Средняя силовая линия составит (рис.30):

• для броневого сердечника Ic = 2h + 2b + 0,5 π у₁ ;

• для стержневого сердечника Ic = 2h + 2b + π у₁ (размер в сантиметрах).

Определение числа витков и диаметра провода обмоток трансформатора

Напряжение на первичной обмотке трансформатора составит:

U₁=√(Pa*Ra),

где Ра - мощность рассеиваемая анодом лампы в рабочей точке. Это напряжение необходимо знать, чтобы можно было определить коэффициент трансформации трансформатора.

Поскольку параметры магнитопровода (кроме его сечения) неизвестны, то необходимое количество первичной обмотки определяется экспериментально. Для этого на каркас наматывается 100 витков провода диаметром не менее 0,7 мм (лучше 1...1,5мм,при этом надо обеспечить чтобы все витки поместились на катушке). После этого трансформатор собирается и при помощи любого метода, например, с использованием мультиметра с функцией L-метра, измеряется его индуктивность L₁₀₀. Поскольку в выходном однотактном каскаде УМЗЧ трансформатор работает с подмагничиванием. то при измерении L₁₀₀ в его магнитопровод следует ввести немагнитный зазор, который зависит от тока анода лампы la в рабочей точке, и составляет: при токе анода 0-50 мА - 0,1 мм; при 50-100 мА - 0.15 мм; при 100-150 мА - 0,2 мм; при 150-200 мА - 0,25 мм.

 На рис.31 показан трансформатор со стержневым витым магнитопроводом в разобранном виде.

Для получения рассчитанной ранее индуктивности L₁ количество витков должно составлять:

N1=100*√(L₁/L₁₀₀).

Активное сопротивление обмоток;

r₁ = 0,5 Rа* (1 - Ƞ_тр)

где  Ƞ_тр- это КПД транcформатoра, которое для трансформаторов мощностью до 30 Вт принимается равным 0,85.

Активное сопротивление вторичной обмотки:

r₂ ⁼ r₁ n²,

где n - коэффициент трансформации, определяемый по формуле:

n=N₂/N₁=√[Rн/(Ra Ƞ_тр)].

Отсюда число витков вторичной обмотки N₂ = n N₁.

Узлы ламповых усилителей класса Hi-End Скачать все части в одном файле Word.

(Продолжение следует)

РА 4 '2015