Узлы ламповых усилителей класса Hi-End (часть 3)

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на лампах

Опубликовано: 19.03.2017 20:08

Просмотров: 7527

Андрей Семёнов, г. Киев

(Продолжение. Начало см. в (часть 1-2) и РА 2/2015)

Если паспортная допустимая мощность рассеивания превышена, надо выбрать другую рабочую точку лампы.

На рис.15 кривая максимально допустимой мощности: рассеивания лампы Ра нанесена в виде параболы пунктиром в верхней части рисунка.

5. На вольтамперной характеристике (ВАХ) наносят прямую линию динамической характеристики УМ3Ч. Она проходит через точку «0» до пересечения с характеристиками лампы при U_c=0 и U_C=U_CМAКC. Прямая должна пересекать характеристику U_с=0 при выбранной величине I_AмAкс (точка "А" на рис.15).

6. Определим величину переменного напряжения на управляющей сетке:

U_MC=U_C0

7.  Определяем амплитуду переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора:

U_MA=(U_AMAKC-U_AMИН)/2

где:

u_amakc - напряжение в точке «В» (I_A=I_AМИН);

U_Aмин - напряжение в точке «А» (I_A =I_AМAКС)

8. Амплитуда переменной составляющей анодного тока:

i_ма=i_амакс-i_амин)/2.

9.  Мощность, отдаваемая УМ3Ч в нагрузку:

P_НАГР=U_МА*І_МА*h_T/2

где

h_т - КПД выходного трансформатора (обычно 0,7-0,8).

10. Коэффициент нелинейных искажений такого каскада определяем для 2 и 3 гармоники тока

анода лампы:

к_г=√*[(g₂)²+(g₃)²]*100%,

где:

g₂=[0.5( i_aмAKC+I_{A MиH})-IA_мин]/(I_{а макс}-i_{a мин})

g₃⁼[2(I_A'-I_А")-(I_АМАКС+I_{А МИН})]/[2(I_АМАКС+I_A-I_{А МИН}-I_A")]. Величины I_A' и I_A" определяются по ВАХ лампы, как показано на рис.15, а именно:

I_A' - это ток при напряжении на управляющей сетке равном 0,5 U_C0;

I_A" - это ток при напряжении на управляющей сетке равном 1,5 U_CO.

11. Определяем величину нагрузки а аноде лампы:

R_A=U_MA/I_MA

Если в результате расчётов получается малая выходная мощность каскада или большой KНИ, то можно попробовать изменить наклон динамической характеристики каскада. Для этого можно изменять Р_A, т.е. как бы поворачивать динамическую характеристику вокруг точки "0" Можно также выбрать другую рабочую точку или увеличить U_AO-При этом надо следить, чтобы не было превышения U_Aдоп и Р_Aдоп, указанных в паспортных характеристиках лампы.

В случае, если при U_AO=U_AДОП не удается получить заданную выходную мощность при допустимом КНИ, то следует выбрать более мощную лампу.

Особенности УМЗЧ

Обращаем ваше внимание ещё на одну особенность выходного каскада, показанного на рис. 11.

В нём лампа Л2 работает в, так называемом, ультралинейном включении, т.е, в схеме присутствует отрицательная обратная связь в цепи экранирующей сетки лампы. Достигается это тем, что в цепь анода включена вся первичная обмотка трансформатора Тр1, а в цепь экранирующей сетки - лишь часть этой обмотки.

Пентод, включенный таким образом, приобретает свойства лампы, которая, по своим параметрам, представляет собой нечто среднее между триодом и пентодом. Т.е, при использовании такой схемы включения можно сохранить присущие пентоду большую выходную мощность, невысокое значение анодного напряжения и высокий коэффициент усиления. Одновременно удается получить свойственное триоду малое внутреннее сопротивление, а также получить КНИ даже меньше, чс-м при триод ном включении лампы,

В наибольшей степени преимущества ультралинейного каскада раскрываются в двухтактном выходном каскаде, работающем в режиме АВ,

Особенности восприятия искажений звукового сигнала человеческим ухом Подробно об особенностях слуха человек;) и о том, как они используются при сжатии аудиосигнала, можно прочитать в статье «Семёнов А. Кодеки звука МРЗ и другие» в РА 5 - РА 11 -12/2014.

Здесь отметим следующее: уровень восприятия человеческим сигналом искажения синусоидального сигнала пропорционален квадрату номера гармоники. Т.е, если рассмотреть синусоидальный выходной сигнал усилителя с уровнем 2 В, имеющий 2-5 гармонику, то 5 гармоника с уровнем 2 мВ будет воспринята как уровень искажения в 50 мВ (2^.52=50). В то же время, 3 гармоника с уровнем 4 мВ (т.е. имеющая вдвое больший уровень) - только как 36 мВ (4^.32=36). Те. 5 гармоника имеет вдвое меньший уровень, но её присутствие заметно куда сильнее. Это и является причиной того, почему транзисторные УМЗЧ с КНИ=0,01% и с полосой пропускания 10 Гц, -50... 100 кГц звучат хуже, чем ламповые УМ 3Ч с полосой пропускания 20 кГц и КНИ-1% - в выходном спектре ламповых УМЗЧ нет гармоник высокого порядка, так как они просто срезаются выходным трансформатором. Разумеется, по сравнению с ламповыми, транзисторные УМЗЧ с полосой пропускания 20 кГц звучат ещё хуже, но уже по другим причинам. В этом примере намеренно говорится о 3 и 5 гармониках, так как именно нечётные гармоники сигнала наиболее сильно диссонируют с основным тоном и наиболее остро ощущаются человеческим ухом.

Для обеспечения ультралинейного режима следует правильно задать соотношение между количеством витков, включенных в цепь экранирующей сотки WЭ (обмотка 1 -2 на рис. 11) и в цепь анода лампы WA (обмотка 1-3 на рис. 11). Это соотношение обозначается р. Оно будет различным для разных типов ламп. Например, в рассматриваемом УМЗЧ, выполненном на лампе 6П14П, оптимальное р=0,22.

Практическая схема выходного каскада УМЗЧ

на лучевом тетроде

На рис.16 показана схема выходного каскада УМЗЧ. В ней используется лучевой тетрод типа 6П7С. Эта лампа была разработана для замены лампы Г-807 (импортный аналог - 807), имеющей специальный цоколь, а у лампы 6П7С - октальный цоколь. Изначально лампа предназначалась для работы в высокочастотных усилителях мощности и в выходных каскадах строчной развертки телевизоров. Благодаря «телевизионному» происхождению, такие лампы отличаются надежностью и

долговечностью - срок наработки на отказ лампы 6П7С по техническим характеристикам составляет не менее 500 ч.

Бытует мнение, что УМЗЧ, построенные на радиолампах, которые специально разработаны для схем строчной развертки телевизоров, обеспечивают весьма хорошее качество звучания. Аудио-филы объясняют это тем, что дефекты на телевизионном изображении хорошо заметны, поэтому

для получения качественной «картинки» используют лампы с тщательно продуманной конструкцией и с высоким качеством изготовления.

ВАХ лампы 6П7С в тетродном включении, при напряжении на второй сетке 250 В, показаны на рис. 17.

Основные параметры 6П7С

Номинальный ток анода                     72 ± 18 мА

Крутизна                                                    6 мА/В

Внутреннее сопротивление            32 ±7,5 к Ом

Коэффициент усиления

(в триодном режиме)                                 8 ±1,5

Максимальное напряжение на аноде      500 В

Максимальная мощность,

рассеиваемая на аноде                              20 Вт

В схеме УМЗЧ. показанной на рис.16, лампа 6П7С используется в триодном включении. Соответствующие такому включению ВАХ 6П7С показаны на рис.18  Как видим, они значительно отличаются от ВАХ, показанной на рис. 17.

Особенности расчёта УМЗЧ на «псевдотриоде»

Отметим, что в приведенную ранее методику расчета выходного каскада УМЗЧ, выполненного на пентоде, в данном случае, из-за триодного включения лампы надо внести некоторые изменения. Дело в том, что параметры тетродов и пентодов в триодном включении крайне редко приводятся в справочниках. Поэтому ниже будут приведены формулы, позволяющие самостоятельно определить ряд параметров таких «псевдотриодов». Однако при этом надо помнить, что эти формулы справедливы при ряде ограничений;

•  напряжение на экранной сетке и на управляющей сетке должны соответствовать рекомендуемым для типового режима работы пентода (тетрода);

•  из-за параллельного включения анода и второй сетки анодное напряжение не должно превышать максимально допустимого напряжения на второй сетке;

•  погрешность определения параметров лампы при использовании данной методики может составлять до 20%.

Таким образом:

1. При расчёте следует использовать ту величину напряжения второй сетки, которая указана на анодных ВАХ (в данном случае для рис. 17 это 250 В),

2. Эта величина и будет соответствовать анодному напряжению «псевдотриода» в рабочем режиме.

3. Выбрав смещение на первой сетке, определяем соответствующие ему параметры при работе в пентодном (тетродном) режиме и подставляем их в приведенные ниже формулы. Можно также использовать справочные параметры тетрода, указанные для заданного смещения на первой сетке.

Коэффициент усиления «псевдотриода»;

µ_тр=S[U_c2/(I_a-S*U_c1)],

где:

S - крутизна характеристики пентода (тетрода) при выбранных напряжениях;

U_с2 - напряжение на второй сетке пентода (тетрода);

І_а- ток анода пентода при выбранных напряжениях на аноде и первой сетке;

U_c1 - напряжение на первой сетке лампы.

Внутреннее сопротивление:

R_iтр=U_c2/[(I_a-S*U_c1)*(t+I_c2*I_a)],

где:

I_c2 - ток второй сетки пентода (тетрода) при выбранных напряжениях.

Крутизна характеристики «псевдотриода»:

S_тр=(1+I_c2*I_a)*S.

Программа расчета выходных каскадов УМЗЧ

Расчёт выходного каскада УМ3Ч можно выполнить не только вручную, но и используя специализированное программное обеспечение. Одной из таких простых и удобных программ является SE Amp CAD. Эта программа была разработана в 1998г. и в настоящее время доступна бесплатно на многих Интернет- сервисах.

SE Amp CAD - это программная среда, предназначенная для проектирования и анализа выходных каскадов однотактных ламповых усилителей, работающих в классе А, Усилители класса А2 (т.е. работающие с токами управляющей сетки) данной программой рассчитывать нельзя.

Программа SE Amp CAD написана на английском языке, русификатора к ней нет и не предвидится ввиду простоты пользования ею, поскольку узкая область применения программного обеспечения обусловила её крайне простой и интуитивно понятный интерфейс. Среда проектировании SE Amp CAD была разработана для работы под управлением операционных систем Microsoft Windows 3.1,95,98, NT. Однако SE Amp CAD работает и с последними версиями ОС Windows - XР, Vista, 7.

От аналогичных полупрофессиональных программ , среда SE Amp CAD выгодно отличается довольно точным соответствием рассчитанных значений параметрам реальных каскадов.

Программа SE Amp CAD имеет целый рад достоинств;

1.  Простой интерфейс пользователя.

2. Расчетные величины весьма близко соответствуют параметрам реальных каскадов. 3- Возможность выбора модели выходного трансформатора (в базе более 100 вариантов), как

из встроенной библиотеки, так и по спецификации пользователя.

4. Содержит собственную библиотеку электронных ламп, состоящую из нескольких десятков различных ламп, среди которых тетроды и пентоды в триодном включении. Помимо технических характеристик, все представленные в библиотеке лампы снабжены подробными сведениями о размере и назначении контактных выводов.

5. Большая часть имеющихся в библиотеке ламп (включая, разумеется, весьма популярные SV572, SV811, 6СЗЗС) имеет отечественные аналоги или производится в странах СНГ

6.   Использование автоматического .или фиксированного смещения - по выбору пользователя.

7. Возможность моделирований выходного каскада с использованием параллельного включения нескольких ламп.

8.   Наглядность представленных результатов обеспечивается построением подробных графиков и осциллограмм.

9.  Имеется режим «проверка» (меню «Tools» вкладка «Circuit Evaluation»), который позволяет найти и исправить (по желанию пользователя) грубые ошибки, например превышение предельно допустимых значений.

10.  Программа выдает распечатку подробного отчета о результатах моделирования.

При использовании SE Amp CAD следует помнить о ряде ограничений. Встроенные ВАХ ламп соответствуют заявленным в технических условиях производителей и могут отличаться от реальных. Среда разработки не учитывает влияние драйвера и, как уже указывалось ранее, не рассматривает каскады, работающие в режиме класса А2.

Работа со встроенной библиотекой ламп программы SE Amp CAD показана на рис. 19, а встроенная библиотека трансформаторов показана на рис.20.

На рис.21 показаны характеристики лампы 807 (импортный аналог 6П7С). При этом программа на вкладке «Curves» позволяет отображать:

«Transfer function- - передаточная характеристика, которая для отсутствия искажения должна быть, при заданном напряжении входного сигнала VIN, идеально ровной;

«Plate lines» - анодные характеристики каскада;

«Grid lines» - сеточные характеристики каскада.

В режиме «Plate lines» или «Grid lines» отображается (при нажатии соответствующих кнопок):

•  максимальный анодный ток (Imax) - в данном случае 120 мА;

•  максимальное напряжение на аноде (Vmax) - 480 В;

•  прямая линия динам и чес кой характеристики УМЗЧ (Load Line] - жирная линия из верхнего левого в нижний правый угол (рис.21);

•  IV Points - точки; рабочая, максимального тока анода и максимальною напряжения на аноде при заданной величине входного сигнала V_|N;

•  кривая максимальной мощности (Wp) - парабола на рис,21.

Всё это помогает максимально правильно оценить режим работы лампы в проектируемом усилителе. В программу SE Amp CAD встроена текстовая подсказка, расшифровывающая то или иное принятое в программе сокращение параметра и подсказывающая, в каких пределах он должен находиться.,

Вернемся к УМЗЧ, показанному на рис. 16. Результаты его моделирования программой SEAmp CAD показаны на рис.22.

 Как видим, при указанных на рис.16 номиналах элементов схемы и использовании звукового трансформатора типа Audio Note Trans 115, рабочий режим лампы оказывается не такой, как указан на рис.16, - анодный ток в рабочей точке будет составлять 89,6 мА, в то время как на рис.16 он указан 85 мА.

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

(Продолжение следует}

РА 3/2015