Узлы ламповых усилителей класса Hi-End (часть 2)

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на лампах

Опубликовано: 19.03.2017 20:12

Просмотров: 8601

Андрей Семёнов, г. Киев

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

 Каскад с динамической нагрузкой (рис.8).

Его ещё называют µ - повторитель Название каскада связано с тем, что его коэффициент усиления практически равен паспортному коэффициенту усиления ц лампы, т.е. значительно выше, чем у каскада с общим катодом.

Достоинства:

•  низкий КНИ;

•  низкое выходное сопротивление    (примерно   0,25Ri   лампы VL1);

•  высокий коэффициент усиления;

•  низкая чувствительность к пульсациям питающего напряжения.

Недостатки:

•  высокое напряжение между катодом лампы VL2 и подогревателем.

Каскад с катодной связью (рис.9).

Этот каскад, по сути, представляет собой последовательно включенные каскад с общим анодом и общей сеткой. При этом между каскадами имеется гальваническая связь.

Достоинства:

•  высокая линейность амплитудной характеристики;

•  широкая полоса пропускания;

•  малая входная емкость;

•  большое входное сопротивление.

 Недостатки:

•  необходимо два разнополярных источника питания;

• могут быть сложности в реализации смещения ламп.

Каскодный катодный повторитель (рис.10).

В зарубежной литературе по аудиотехнике такой каскад также называют «катодный повторитель Уайта». Такой каскад напоминает некий гибрид каскада с общим катодом и каскодного усилителя. Особенность каскада рис.10 - это наличие обратной связи через конденсатор Сос, что ограничивает нижнюю рабочую частоту каскада. Благодаря

использованию двух ламп, каскад обеспечивает очень низкое выходное сопротивление. Коэффициент усиления по напряжению у такого каскада практически единица, и он не изменяет фазу входного сигнала.

 Достоинства:

•  низкий КНИ;

•  очень низкое выходное сопротивление;

•  низкая чувствительность к пульсациям питающего напряжения.

Недостатки:

•  высокое напряжение между катодом и подогревателем лампы VL2;

•  наличие ООС.

Новые тенденции в схемотехнике ламповых УМЗЧ.

В 1950-60-е годы УМЗЧ строили практически исключительно на электронных лампах (мощные высокочастотные транзисторы тогда ещё не производились). Если посмотреть на типовые схемы УМЗЧ тех лет, то бросается в глаза стремление разработчиков не только обеспечить серийно пригодность УМЗЧ, без использования тщательного подбора элементов, но и их стремление экономить как за счёт стоимости, так и за счёт габаритов УМЗЧ. Поэтому в те годы использовались более экономичные, но обеспечивающие худшее качество звучания, двухтактные УМЗЧ. В выходных двухтактных каскадах использовался класс работы ламп АВ, АВ2 и даже В. Для сокращения количества ламп в УМЗЧ широко использовались тетроды и пентоды, которые имеют больший КНИ, но обеспечивают больший коэффициент усиления каждого каскада. В итоге, такие усилители звучали немногим лучше современных УМЗЧ, выполненных целиком на ИМС, но стоили, по меркам тех времен, довольно дешево.

В настоящее время тенденции в разработке ламповых УМЗЧ коренным образом изменились-выходной каскад УМЗЧ (как и все остальные) работает в чистом классе А. Чаще всего используются однотактные выходные каскады с трансформаторным выходом. Во всех каскадах УМЗЧ используются только триоды (или пентоды и тетроды в триод-ном включении), что обеспечивает значительное улучшение качества звучания. При этом для разработчиков УМЗЧ определяющим фактором является именно качество звучания, а не КПД и не конечная стоимость УМЗЧ.

Типовой предусилитель звука 1950-60-х.

Поклонники концепции High-End считают, что построение УМЗЧ должно быть бескомпромиссным - он не может быть гибридным (т.е. содержать и лампы, и транзисторы), а должен содержать только лампы. Таким образом, сигнал с CD/DVD-плеера или высококачественной звуковой компьютерной карты должен проходить через минимум каскадов усиления, и все они должны быть только на лампах. Никаких гибридных решений.

Множество схем предусилителей звука было разработано в 1950-60-х годах. Типовая схема предусилителя на триодах, широко использовавшаяся в популярных в те времена магнитолах и радиолах, показана на рис.11.

Это схема УМЗЧ радиолы «Ригонда» разработки рижского завода «ВЭФ». Она была рассчитана на прием широковещательных станций в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. Воспроизведение звука могло быть стерео-

фоническим и монофоническим, в зависимости от комплектации радиолы. В данном усилителе, кроме усиления входного сигнала, реализована также регулировка тембра НЧ и ВЧ, которая позволяла улучшить качество звучания звукозаписи или радиопередачи. В настоящее время регулировка тембра в УМЗЧ, тем более класса High-End, не используется из-за наличия высококачественных источников сигнала.

Основные характеристики этого УМЗЧ, приведенные в паспорте радиолы:

1.  Диапазон  воспроизводимых частот 60... 15000Гц.

2.  Номинальная выходная электрическая мощность УМЗЧ - 2 Вт, максимальная неискаженная -3,5 Вт.

3.  Регулировка тембра НЧ, ВЧ - в пределах 14...18дБ.

4. Уровень фона с входа УМЗЧ - 56. ..60 дБ.

Акустическая система радиолы состоит из четырех громкоговорителей: двух 4ГД-28 (с резонансными частотами 60 и 90 Гц) и двух 1ГД-28 (с резонансной частотой 100 и 140 Гц), последние два подключены ктрансформаторуТР1 через конденсатор С10.

В усилителе НЧ (рис.11) используются два каскада на двойном триоде 6Н1П. Регулировка громкости осуществляется тонкомпенсированным регулятором R1. Для регулировки тембра НЧ используется частотнозависимый делитель напряжения и переменный резистор R3. Особенностью данного УМЗЧ является использование для регулировки тембра ВЧ дифференциальной схемы с положительной и отрицательной обратной связью. Это обеспечивается путем включения переменного резистора R4, по переменному сигналу, между катодом и анодом триода Л1.2.

Выходной каскад выполнен на лампе Л2 типа 6П14П (специально разработанный «звуковой» пентод) по ультралинейной схеме. Тем не менее, для уменьшения КНИ УМЗЧ используется общая отрицательная обратная связь с вторичной обмотки трансформатора Тр1 через резистор R14 на катод лампы Л2. При этом назначение конденсатора С12 (его номинал 2200 пф) предотвращение возбуждения УМЗЧ на высоких частотах.

Если говорить об обратных связях, то в данном усилителе есть еще местная отрицательная обратная связь по переменному току, а именно в первом усилительном каскаде номинал конденсатopa C5 выбран 0,033 мкФ вместо 10...20 мкФ, для того чтобы обеспечить большее усиление ВЧ каскадом на Л1.1.

Для анализа работы такого усилителя будем использовать вольтамперные характеристики (ВАХ) использованной в нем лампы 6Н1П (рис.12)

Номинальный паспортный ток анода лампы 6Н1П составляет 8 мА. В данном случае он равен всего лишь 2,5 мА, т.е. более чем в 3 раза меньше. При напряжении смещения -2 В и напряжение на аноде +80 В лампа будет работать на начальном, крайне нелинейном участке её ВАХ. И хотя лампа Л1 работает в классе А, это приведет к значительному росту КНИ такого каскада. Чтобы увидеть это, надо на рис.12 отметить рабочую точку лампы при напряжении смешения -2 В и напряжении на аноде +80 В.

Всё это вызвано неправильным выбором номинала анодного нагрузочного резистора R4 - он слишком завышен. Существуют рекомендации для работы триода на линейном участке характеристики: «данный каскад с общим катодом должен иметь номинал R4 равный 5... 10.Rі». Для лампы типа 6Н1П Rі равно 11 кОм, т.е. оптимальный номинал R4 составляет от 55 до 110 кОм, т.е. он более чем в два раза меньше, чем в схеме, показанной на рис.11. Да и в паспортных данных на лампу указан режим: la=8 мА, Ua=250 В.

Для обеспечения минимума КНИ рабочая точка триода должна располагаться в середине линейного участка его ВАХ. Как видно из рис.12, при напряжении смещения -2 В этому условию соответствует точка с напряжением на аноде 160 В и током анода 8 мА, т.е. напряжение на аноде Л1 надо поднять почти в 2 раза.

Однако для того, чтобы обеспечить это, придется значительно увеличить напряжение питания каскада. Итак, при токе анода 8 мА выбираем минимальное значение номинала R4 равное 51 кОм. При этом падение напряжения на R4 составит 408 В, т.е. напряжение питания каскада (напряжение на аноде Л1 + падение напряжения на R4) должно быть: 160+408=568 В.

Аналогично обстоит дело и с каскадом на Л2. И это притом, что напряжение питания выходного каскада УМЗЧ составляет всего лишь 270 В.

В связи с этим возникает вопрос: «Следует ли усложнять конструкцию УМЗЧ, чтобы обеспечить минимальный КНИ первых двух каскадов УМЗЧ, когда КНИ трансформатора Тр1 весьма велик?». Именно так и думали разработчики ламповой аппаратуры 1950-60-х годов. При этом они не забывали, что источник питания с выходным напряжением 568 В будет очень громоздким и дорогим, в первую очередь, из-за используемых в нём высоковольтных электролитических конденсаторов.

Улучшение параметров входного каскада.

Рассмотрим, как можно улучшить параметры входного каскада на лампе 6Н1П без значительного увеличения напряжения источника питания. Для этого можно, например, использовать каскад с динамической нагрузкой, рассмотренный ранее (рис.8).

Схема УМЗЧ с напряжением питания 360 В (что значительно меньше оптимальных 568 В для усилителя, показанного на рис.11) и входным каскадом с динамической нагрузкой, в котором используется лампа 6Н1П, показана на рис.13.

 Достоинства и недостатки такого каскада рассмотрены ранее.

Отметим, что резистор фильтра R6 желательно заменить дросселем. В этом случае напряжение на аноде VL2.1 составит около 355В. Для обеспечения оптимального режима работы обоих триодов VL1.1 и VL1.2 желательно чтобы это напряжение делилось между ними поровну, т.е. анодное напряжение каждого триода составит 177,5 В при заданном UCM = -3В ток анода составит 9мА (рис.12). Такой режим близок к оптимальному, для данного типа лампы. Для уменьшения КНИ каскада можно попробовать подобрать номинал резистора R4 в диапазоне 0,5...2.R3.

Ещё один вариант предварительного усилителя, с большим коэффициентом усиления (около35), показан на рис.14.

 В нём разделена нагрузка в цепи анода VL1.1, т.е. нагрузкой по переменному току для VL1.1 является не только триод VL1.2, но и резистор R5.

При этом падение напряжения на резисторе R6 используется как напряжение смещения для VL1.2, а управляющая сетка VL1.2 соединена по переменному току с анодом VL1.1 через конденсатор С1.

При этом каждая лампа работает с анодным напряжением 100 В, что не является оптимальным для данного типа лампы. Как видно из ВАХ, показанных на рис.11, в данном случае, при Ua= 100B, UСМ = -3 В ток анода VL1.1 составит

2,8 мА, т.е. рабочая точка каскада находится на нелинейном участке ВАХ, и такой каскад будет иметь довольно значительный КНИ. Выход из этого положения - увеличить напряжение на аноде VL1.2 хотя бы до 350 В, чтобы увеличить как напряжение анод-катод, так и анодный ток каждого из триодов.

Расчет выходного каскада УМЗЧ.

В данном случае приведем пример расчета классического выходного однотактного каскада на пентоде, показанного на рис.11 (он собран на Л2).

Отметим, что существуют таблицы типовых режимов для ламп при их использовании в однотактном выходном каскаде с выходной мощностью 0,1...5,5 Вт. Особенностью такого каскада является наличие трансформатора, что позволяет обеспечить согласование УМЗЧ с нагрузкой практически с любым сопротивлением.

Если в УМЗЧ используется типовой режим работы для данной лампы, то её параметры, такие

как Uco, IАО, µ, S, Rі Rа, можно найти в паспортных данных на лампы. В случае использования не типового режима работы лампы, для расчёта надо воспользоваться ВАХ лампы.

Последовательность расчета:

1. Задается постоянное напряжение на экранирующей сетке. Как правило, UЭ=UAО.

2.  По анодным характеристикам лампы (рис.15) задаются:

•  максимальный ток анода ІАМАКС- он определяется для режима Uc=0. Как правило, этому току соответствует напряжение UA=(0,1...0,25)UAO;

•  минимальный ток анода IАМИН=0,1.IAМАКС. При этом напряжение на управляющей сетке, соответствующее IAМИН, будет максимальным отрицательным значением этого напряжения - ucmakc.

3.  Постоянное отрицательное напряжение на сетке составит:

UС0 =UС МАКС/2,

т.е. рабочая точка на ВАХ выбирается на пересечении кривой для UC=UCO и вертикальной линии для UAо (точка «О» на рис.15). Поскольку предполагается, что данный каскад работает в режиме без токов сетки (в противном случае его КНИ резко возрастет), то амплитуда входного сигнала не должна превышать uco.

Таким образом, получаем рабочий участок динамической характеристики между точками А и В на рис.15.

Ток анода лампы будет максимальным в точке А и минимальным в точке В.

4. Проверяется, что в выбранной рабочей точке максимальная мощность, рассеиваемая на аноде, не превышает допустимую:

PА ДОП =  U АО * IАО

где:

PА ДОП - максимально допустимая мощность

рассеивания на аноде лампы данного типа; UAO - анодное напряжение в рабочей точке [В]; IАО - анодный ток в рабочей точке [А].

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

(Продолжение следует)

РА 2 '2015