Узлы ламповых усилителей класса Hi-End (часть 1)

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на лампах

Опубликовано: 19.03.2017 20:18

Просмотров: 7368

Андрей Семёнов, г. Киев

В редакцию нашего журнала поступает много обращений от читателей, в которых они просят помочь им в изготовлении ныне вновь популярных ламповых УМЗЧ. Идя навстречу их пожеланиям, мы публикуем статью, в которой рассматривается ряд наиболее популярных схемотехнических решений для ламповых УМЗЧ, особенности их конструкции, а также ряд других вопросов, связанных с изготовлением ламповых УМЗЧ.

В последнее время ламповые аудиоусилители как бы переживают свое второе рождение. Их собирают не только радиолюбители, но и серийно производят известные фирмы-производители из многих стран, В некоторых странах даже возобновлен выпуск радиоламп, которые сняли с производства ещё в 1970-1980 годы.

И всё это происходит несмотря на. казалось бы. очевидные недостатки ламп по сравнению с полупроводниковыми приборами:

•  наличие накала, потребляющего значительную мощность;

•  высокое анодное питающее напряжение (300 В и более);

•  малый срок службы (500-1000 ч).

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

Основные типы электронных ламп:

Наиболее распространены такие типы электровакуумных ламп,

Диод - он имеет два электрода: катод и анод. Такая лампа применяется в детекторах, а также в выпрямителях переменного тока промышленной частоты.

Триод - содержит дополнительный электрод - сетку. Изменяя напряжение на сетке, можно управлять током анода такого прибора. Триоды широко используются в усилителях и генераторах электрических колебаний.

Тетрод - в отличие от триода имеет ещё вторую экранную сетку. Экранная сетка заземляется по высокой частоте, что позволяет уменьшить проходную емкость лампы (т.е. емкость «управляющая ceткa - анод») и сделать лампу более высокочастотной. В этом случае в широком диапазоне напряжений анодный ток практически не зависит от напряжения на аноде. Недостатком тетрода является, так называемый, динатронный эффект - при близких напряжениях на аноде и экранной сетке вторичные электроны, выбитые из анода, не возвращаются на анод, а поступают на экранную сетку, что приводит к провалу в анодных характеристиках лампы.

Лучевой тетрод - это 4-электродная лампа, в которой для уменьшения динатронного эффекта используется специальная конструкция электродов лампы, фокусирующая электроны, летящие к аноду в узкие лучи. В итоге вторичные электроны, выбитые из анода, не попадают на экранную сетку.

Пентод - это 5-электродная лампа с дополнительной защитной соткой, расположенной между анодом и окраиной сеткой. Защитная сетка, как правило, имеет нулевой потенциал, что препятствует попаданию вторичных электронов на экранную сетку.

Основные параметры электронных ламп:

Коэффициент усиления

Это один из основных параметров лампы, характеризующий её как усилительный элемент. Коэффициент усиления - это безразмерная величина, показывающая на сколько сильнее влияет на изменение анодного тока лампы изменение напряжения на первой сетке, по сравнению с изменением напряжения на аноде лампы.

µ=∆U_a/∆U_c,

где:

∆U_a - приращение напряжения на аноде лампы;

∆U_c - приращение напряжения на первой сетке лампы.

Коэффициент усиления для триодов определяется при l_a=const.

Для пентодов - при l_a=const, U_a=const и U_cз=0=const.

При определении µ ∆U_a и ∆U_c должны вызвать одинаковое изменение анодного тока лампы І_а.

Крутизна характеристики.

Эта величина показывает, на сколько мА изменяется анодный ток лампы, при изменении напряжения на первой сетке лампы на 1 В. При этом напряжение на остальных электродах лампы должно быть постоянным,

S=∆І_а/∆U_c [мА/В].

где:

∆І_а - приращение анодного тока мА.

Для триодов определяется при U_a=const,

Для пентодов - при U_a=const, U_a= const и U_сз=0=cnrst.

внутренне сопротивление лампы.

Это сопротивление лампы переменному току. Этот параметр имеет размерность в омах и определяется как отношение изменения анодного напряжения лампы к изменению её анодного тока. При этом напряжения на остальных электродах лампы должны быть неизменными.

R_i=∆U_а /∆І_а  [кОм].

Для триодов определяется при U =consl, для тетродов при U_c=const и U_а=const, для пентодов при U_с=const, U_а=const и U_CЗ=0=const.

Перечисленные параметры лампы связаны между собой следующим соотношением:

R_i=µ/S.

Напряжение анода.

Номинальное напряжение на аноде, при котором обеспечиваются паспортные значения R_i, µ и S.

Ток анода.

Ток анода, при котором обеспечиваются заявленные в технических характеристиках R_i, µ и S.

Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде.

Это максимальная рассеиваемая мощность, при которой лампа не выходит из строя и её характеристики не деградируют.

Максимальное напряжение между катодом и подогревателем.

Это максимальное напряжение, которое выдерживает изоляция между катодом и подогревателем для лaмп с косвенным накалом.

Эквивалентное сопротивление шумов.

Оно характеризует уровень внутриламповых шумов и выражается и омах. Эквивалентным шумовым сопротивлением называют омическое сопротивление, на котором при температуре 15°С из-за теплового движения электронов будет такое же напряжение шумов, как и у данной лампы, если его привести к управляющей сетке.

Междуэлектродные емкости.

Они определяют высокочастотные свойства лампы:

•  входная емкость, - емкость управляющей сетки относительно другим электродов лампы;

•  выходная емкость, - емкость анода относительно всех других электродов лампы;

•  проходная емкость, - емкость между управляющей сет-кой и анодом.

Накал.

Прежде всего, лампы различаются по типу накала катода - прямой или косвенный. В справочных данных указывается также напряжение накала и его номинальный ток.

Аудиофилы часто говорят: «Чем короче «путь» звукового сигнала в УМЗЧ - тем лучше он звучит». Причина увлечения ламповыми аудиоусилителями заключается в том числе и в том, что хороший ламповый усилитель содержит куда меньше деталей («путь» звука короче), чем аналогичный транзисторный (в котором звуковой сигнал проходит через десятки транзисторов), обеспечивая при этом лучшее качество звучания. Это притом, что ламповые УМЗЧ практически всегда имеют больший коэффициент нелинейных искажений (КНИ), чем транзисторные. Вызвано это тем, что ряд компаний слишком увлекся производством УМЗЧ, в которых выходной каскад выполнен на ИМС, что привело к заметному ухудшению звучания даже усилителей, рекламируемых как относящиеся к классу Hi-Fi.

Отметим также такой факт, давно известно, что транзисторный УМЗЧ (даже не на ИМС, а на дискретных транзисторах), имея полосу пропускания 20 Гц-40 кГц и КНИ=0,01%, звучит, при прочих равных условиях, хуже, чем ламповый, имеющий полосу пропускания вдвое уже и КНИ более 1%, Это вызвано двумя причинами:

1.  В транзисторных УМЗЧ (особенно в УМЗЧ на ИМС) широко используются как общая, так и местная обратные связи. Это делается для того, чтобы уменьшить КНИ и увеличить температурную стабильность усилителя. Однако эти же обратные связи приводит к появлению, так называемых, «динамических искажений» и к феномену неприятного «транзисторного» звучания.

2. Транзистор, особенно биполярный, как усилительный элемент, в отличие от ламп, имеет резко нелинейную амплитудную характеристику.

На последнем обстоятельстве впоследствии остановимся более подробно, а в начале остановимся на основных схемах ламповых усилителей.

 1. Схемотехника ламповых УМЗЧ.

Она в значительной степени отличается от схемотехники УМЗЧ на полупроводниковых приборах, вследствие иного, чем у транзистора, принципа функционирования лампы как усилительного прибора. Если в полупроводниковом приборе поток заряженных частиц протекает в твердом кристалле, то в лампе электроны, эмитированные катодом, перемещаются в вакууме. Поэтому асе усилительные лампы относят к классу электровакуумных приборов.

Ещё одним существенным отличием ламп от полупроводниковых приборов является практически полное отсутствие разброса характеристик. Лампы с одним названием, например 6Н1П, из разных партий и выпущенные разными заводами имеют одинаковые характеристики,

Важным обстоятельством, влияющим на ламповую схемотехнику, является тот факт, что катод лампы разогрет до температуры 700,..900°С, поэтому изменение температуры окружающей среды от -30 до +50°С практически не оказывает никакого влияния на режим работы лампы. Следовательно, принимать схемотехнические меры для температурной стабилизации режима работы лампы, как это делается в транзисторных усилителях, нет необходимости,

Среди меломанов и конструкторов ламповых УМЗЧ существует мнение, что для усиления звукового сигнала наиболее подходят лампы типа триод или пентод и тетрод, используемые в триодном включении. Дело в том. что анодные характеристики триода и пентода значительно отличаются, и УМЗЧ на триоде вносит гораздо меньшие искажения во входной сигнал, чем УМЗЧ на пентоде. Для того чтобы лучше понимать особенности работы конкретного лампового УМЗЧ или разработать такой УМЗЧ самостоятельно, необходимо учитывать особенности работы ламп в различных схемах их включения, т.е. знать достоинства и недостатки каждой из таких схем. Рассмотрим некоторые типы усилительных каскадов на триодах, используемые в УМЗЧ,

Каскад с общим катодом.

Наиболее часто в ламповых УМЗЧ, причём как в предварительных, так и в выходных однотактных каскадах, используется схема с общим катодом

(ОК), В неё нагрузка включается в цепь анода (рис,1).

 В качестве R_a в таком каскаде может использоваться:

•  в  выходных каскадах - трансформатор;

•  в драйверах - дроссель;

•  в предварительных каскадах УМЗЧ - резистор. Важно отметить, что наименьшие искажения и

наилучшее качество звучания такого каскада (минимум КНИ) обеспечивает использование в качестве нагрузки трансформатора, а наихудшие показатели - при использовании резистивной нагрузки. Очевидно, что стоимость такого усилителя при использовании в нём трансформатора или дросселя будет выше, чем при использовании резистивной нагрузки. Однако для подобных усилительных каскадов с трансформатором или дросселем надо правильно располагать элементы усилителя на шасси.

Сигнал на выходе каскада с ОК будет противоположен по фазе входному сигналу, т.е. это инвертирующий усилитель.

Достоинства каскада:

•  простые методики расчёта и готовые схемотехнические решения для ламп разных типов;

•  минимум элементов;

•  простая реализации цепи смещения;

•  низкая стоимость.

В каскаде вместо автоматического смещения посредством элементов r_k и С_к можно использовать фиксированное смещение, если вместо Ra включить стабилитрон. При этом, из-за высокого уровня шумов стабилитрона, надо использовать высококачественный С_к .

Недостатки каскада:

•  высокая входная емкость;

•  усиление, которое обеспечивает каскад ОК, всегда ниже паспортного коэффициента усиления лампы;

•  каскад требует применения высококачественного С_к значительной емкости (470-1000 мкФ).

Из каскада можно удалить конденсатор С_к, При этом произойдет увеличение выходного сопротивления каскада, т.е. его будет сложнее согласовывать как с нагрузкой, так и с последующим каскадом. Одновременно удаление С_к приведет к снижению КНИ каскада, так как при этом в каскаде образуется местная обратная связь потоку. Одновременно уменьшится коэффициент усиления такого каскада.

Каскад с общим анодом.

Этот каскад (рис.2) также ещё называют катодным повторителем. Такой каскад не инвертирует

фазу входного сигнала. При использовании в каскаде лампы с высокой крутизной можно получить минимальное выходное сопротивление каскада. Это может быть важно при работе на мощные выходные лампы, которые работают в режиме с токами первой сетки. Каскад также может работать на нагрузку со значительной входной емкостью. Чтобы уменьшить КНИ, желательно чтобы сопротивление нагрузки такого каскада было больше 5-10R_к .

Достоинства каскада:

•  низкое выходное сопротивление (теоретически оно равно 1/S);

•  высокое входное сопротивление;

•  широкая полоса пропускания; •  малая входная емкость. Недостатки каскада:

•  в некоторых схемах, при большом падении напряжения на резисторе R_к   может быть велико напряжение между катодом и подогревателем, в этом случае накал следует питать от индивидуальной, для этой лампы, накальной обмотки;

•  каскад с ОА не усиливает напряжение входного сигнала - он только усиливает его мощность;

•  каскад охвачен 100% местной ООС, а это, по мнению ряда разработчиков, вносит искажения в звуковой сигнал.

Каскад с общей сеткой.

Его ещё называют каскадом с заземлённой сеткой (рис.3).

 Каскад характеризуется невысоким входным сопротивлением и является самым высокочастотным из ранее рассмотренных. Дело в том, что внутри ламповая емкость «управляющая сетка-анод» в таком каскаде включена параллельно нагрузке, а значит, не образует частотно-зависимую обратную связь между управляющей сеткой и анодом.

Схема, показанная на рис.3, часто используется в выходном каскаде УМЗЧ, работающего с токами управляющей сетки. В этом случае КНИ выходного каскада будет меньше, чем при использовании схемы, в которой входной сигнал драйвера по дается на управляющую сетку (т.е. при использовании схемы с общим анодом или с общим катодом). Каскад с общей сеткой является неинвертирующим,

Достоинства каскада:

•  большая линейность при использовании такого включения в выходных каскадах УМЗЧ. работающих с токами сетки.

Недостатки каскада:

•  низкое входное сопротивление.

Анодный повторитель (anode follower).

Такой каскад (рис.4), как и каскад с общим анодом, имеет низкое выходное сопротивление, малый уровень КНИ и широкую рабочую полосу частот. По сравнению с каскадом с ОK, анодный повторитель охвачен обратной связью (ОС) через резистор R2. Изменяя соотношение номиналов резисторов R1 и R2, можно регулировать коэффициент усиления каскада, в том числе сделать его равным 1.

Достоинства каскада такие же, как у каскада с ОК.

Недостатки:

• низкое входное сопротивление.

Фазоинверсный каскад.

Для работы двухтактных УМЗЧ на их вход надо подавать сигналы,  противоположные  по  фазе, Для этого можно использовать, например, или трансформатор, или фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой (рис.5).

 Достоинства:

•  схема содержит минимум элементов;

•  хорошая балансировка  выходных сигналов, зависящая, в основном, только от

точности подбора одинаковых номиналов резисторов R_a и r_к.

Недостатки:

•  коэффициент усиления по напряжению такого каскада примерно равен 1;

•  каскад отличается малой перегрузочной способностью, поэтому уровень поступающего на него сигнала должен быть невелик;

•  выходные сопротивления каскада по выходам «-» и «+» различные.

Дифференциальный усилитель.

Его ещё называют балансный каскад (рис.6)

 Используется в схемах драйвера двухтактного выходного каскада УМЗЧ. Сигнал на него может поступать, например, с фазоинвереного каскада (рис.5),

Достоинства:

•  одинаковое выходное сопротивление по выходам «-» и «+*;

•  низкий уровень собственных шумов;

•  невысокие требования  к фильтрации питающего напряжения.

Недостатки:

•  необходимо два источника питания с положительным и отрицательным напряжением.

Каскодный усилитель.

В этом усилителе используется два последовательно включенных триода (рис.7).

 Отсюда и его название- каскад на триодах. Этот каскад обеспечивает гораздо больше усиление амплитуды входного сигнала, чем каскад на одиночном триоде. Теоретически коэффициент усиления такого каскада равен произведению коэффициентов

усиления входящих в его состав триодов.

 Достоинства:

•  низкий уровень шумов, который определяется уровнем шумов триода VL1;

•  высокий коэффициент усиления по напряжению;

•  хорошая линейность при больших выходных амплитудах сигнала;

•  широкая  полоса пропускания;

•  невысокая входная емкость.

 Недостатки:

•  высокое напряжение между катодом лампы VL2 и подогревателем;

•  жесткие требования к пульсациям питающего напряжения;

•  высокое выходное сопротивление.

{Продолжение следует)

PA 1’2015