|
ЛАМПОВЫЙ "УСИЛИТЕЛЬ" ДЛЯ НИЗКООМНЫХ НАУШНИКОВ ИЛИ СНОВА О КАСКАДЕ SRPP
Часть вторая. "Бриллиант почти не виден" Часть третья. "Истина где-то там..." Часть четвёртая. Проверим компьютер калькулятором Часть пятая. Ближе к реальности Часть шестая. Конструктивы и комплектация
Продолжение
Часть седьмая. Предварительный усилитель Часть восьмая. Достоверность результатов моделирования
Когда-то автору этих строк приходилось довольно много заниматься ламповой аппаратурой. В то время ламповая техника была делом обычным, никто особенно не задумывался о каких-то уникальных свойствах ламповых усилителей. Официальная точка зрения была такой: ламповые конструкции имеют большие габариты, вес, потребляемую мощность, низкий КПД и вообще, являются пережитком прошлого. Поэтому следует непременно осваивать и внедрять полупроводниковую аппаратуру. Измеренные параметры полупроводниковых усилителей порой поражали. Доходило до того, что отдельным мастерам усилительного дела (это не шутка) удавалось делать аппараты, искажения которых не получалось измерить профессиональной измерительной аппаратурой в звуковом диапазоне. При измерении приходилось "выходить" чуть ли не в диапазон радиочастот. Непонятно, правда, был ли смысл в подобных улучшениях, т.е. может, например, кто-нибудь на планете Земля услышать, при прочих равных условиях, разницу между коэффициентами искажений 0,0005 % и 0,005 %? Психоакустики утверждают, что нет. Уровень искажений, замечаемый человеком, начинается примерно с 1 %. Похоже, что гонка за нулями после запятой была больше самоцелью конструкторов, чем борьбой за качество звуковоспроизведения. И вот, маятник качнулся в другую сторону. Сначала робкие возгласы, затем уверенный гул широких масс возвестил о "ламповом ренессансе". Энтузиасты стали ожесточённо рыться на старых складах, запасах, чердаках в поисках заветной лампы. Как всегда, ситуацией воспользовались торгаши и барыги (пардон, предприниматели) - лампа, стоившая 2р50к подскочила до цены с тремя нулями. А как же - раритет! Сменилась и доктрина. Если раньше обращали, для приличия, внимание на КПД, размеры, вес устройства, то теперь эти ограничения просто перестали существовать. 100 Вт потребляемой мощности на 10 Вт выходной - не беда! А 1000 на 10 ещё лучше! Для использования в усилителях стали пробовать всё, что мало-мальски светится и греется. Причём, использовать измерительную аппаратуру теперь стало почти неприлично. Только пробные прослушивания и субъективные мнения. Но маятник есть маятник, и на смену измеренным нулям после запятой пришли другие "запредельности". Например, на фоне нескольких сотен (а то и тысяч) витков обмоток выходного трансформатора ошибка более чем в четверть витка считается фатальной и такой трансформатор считается непригодным. Также существует мнение, что режим работы некоторых типов ламп необходимо подбирать с точностью не хуже 1 %, поскольку даже небольшие отклонения вызывают резкое изменение характера спектра сигнала. Нужно ли говорить, что подобные раздражители будоражили фантазию, и периодически возникала мысль о сборке той или иной конструкции лампового усилителя. Останавливал, как всегда, организационный момент. Положим, что усилитель уже есть - и что дальше? Это ведь не "транзисторная балалайка", его в стойку не запихнёшь! Значит, нужно выделить для него отдельное место, причём этот усилитель должен быть доминантой во всей аппаратуре, если вообще не в комнате... А в квартире и так много всяких, которые норовят в доминанты выйти :-) ... В итоге было решено вместо усилителя мощности собрать усилитель для низкоомных (32 Ома) наушников, тем более, что в последнее время автору чаще всего приходится пользоваться именно наушниками для прослушивания фонограмм. К тому же, однажды в голову пришла, казалось бы, бредовая идея: а нельзя ли в этом случае обойтись без выходного трансформатора? После того, как в распоряжении автора оказалось некоторое количество новых ламп, пригодных для данной задачи, начались "теоретические изыскания". Результат описан ниже. При прочтении статьи следует принять во внимание несколько моментов: - все написанное в статье справедливо только для данной конструкции усилителя и только при работе на низкоомную нагрузку в звуковом диапазоне частот; - в статье будут приведены некоторые, часто встречающиеся на форумах и в новой литературе утверждения (мнения), однако прямых ссылок на источники дано не будет, поскольку, в данном случае, существенно не "кто и где", а "что и сколько". Утверждения "из источников" приводятся для подтверждения или опровержения их; - подтверждение или опровержение реализуется путём расчётов по классическим формулам и моделирования в программе MicroCap. По поводу моделирования существуют масса мнений: кто-то, не приемлет их ни в каком виде, кто-то считает, что моделирование непременно избавит от практической части - налаживания и доводки схемы. Истина, как всегда, где-то посередине. Конечно, сомнительно, чтобы измеренный в моделируемом усилителе коэффициент искажений совпал с реальным усилителем до сотых долей процента, но вот тенденции (увеличатся / уменьшатся) - запросто. К тому же, хорошо моделируются более простые вещи. Например: ток покоя лампы, коэффициент передачи и т.д.; - окончательный вариант усилителя будет опробован на практике, путём сборки опытного экземпляра с замерами основных параметров. Этим будут доказаны или опровергнуты предположения, используемые при разработке.
Часть вторая. "Бриллиант почти не виден"
Итак, необходимо спроектировать ламповый усилитель (или повторитель) для работы со звуковой картой Creative Sound Blaster. В качестве нагрузки будут использоваться низкоомные (32 Ома) наушники. Как было сказано выше, ценной особенностью будущего усилителя было бы отсутствие выходного трансформатора. Поскольку внутреннее сопротивление лампы в любом случае больше сопротивления наушников (в дальнейшем - нагрузки), то очевидно, что при отсутствии трансформатора ламповый каскад фактически является источником тока (относительное изменение сопротивления нагрузки мало влияет на ток через нагрузку). Значит, используемая лампа должна быть способна отдать в нагрузку требуемую амплитуду тока. Чтобы от чего-то отталкиваться, примем, что максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке не превысит 2 В:
Отсюда максимальная амплитуда тока через нагрузку:
Изначально для усилителя предполагалось использовать двойной триод 6Н6П. Основные параметры:
- напряжение накала - 6,3 в - ток накала - 750 ма - напряжение анода - 120 в - напряжение сетки - минус 2 в - ток анода каждого триода - 30 +/-10 ма - крутизна характеристика каждого триода - 11 ма/в - коэффициент усиления каждого триода - 20 - внутреннее сопротивление - 1,8 ком - напряжение отсечки тока анода - минус 12 в - напряжение отсечки тока сетки - минус 0,2 в
Если взглянуть на анодные характеристики этой лампы, то станет ясно, что требуемую амплитуду тока с одной лампы в классическом резистивном каскаде никак не получить. Однако, для сравнения, полезно выполнить моделирование такого каскада. Тем более, что вопросов по поводу его работы, вроде бы ни у кого не возникает. При расчёте будем исходить из рекомендуемых в паспорте лампы режимов. Учитывая, что напряжение отсечки сеточного тока равно 0,2 В, примем напряжение смещения равным 2,2 В. Сопротивление нагрузки зададим равным удвоенному внутреннему сопротивлению лампы, т.е. 3600 Ом. Напряжение питания - 220 В. Построив на семействе анодных характеристик нагрузочную прямую (красная линия), можно оценить ток покоя Iп, напряжение на аноде лампы в режиме покоя, амплитуду переменной составляющей на аноде лампы при максимальной амплитуде входного сигнала:
Рассчитаем резистор автоматического смещения в цепи катода лампы:
Ближайшим номиналом резисторов, имеющихся у автора, оказался 1%-ный 86 Ом. Такое значение и будет использоваться во всех дальнейших схемах. Запустим моделирование каскада:
В синем прямоугольнике показаны значения токов через компонент (в частности, резистор), в красном овале - напряжения в узлах в режиме расчёта по постоянному току, что эквивалентно отсутствию сигнала с генератора G1 (генератор эмулирует синус амплитудой 2 В частотой 1000 Гц, внутреннее сопротивление генератора - 0,001 Ом). Очевидно, что ток покоя, напряжение смещения и напряжение на аноде лампы в режиме покоя, заданные исходя из данных "бумажного паспорта", довольно точно совпадают с режимами, полученными в результате моделирования. Посмотрим работу усилителя при отсутствии нагрузки, для чего зададим значение сопротивления Rn = 3 ГОм (произвольно). Эпюра напряжения на выходе усилителя:
Удвоенная амплитуда сигнала (43 В) вполне соответствует построениям на анодных характеристиках лампы. Здесь весьма любопытно оценить теоретический уровень суммарного коэффициента искажений усилителя:
Суммарный коэффициент искажений (THD) оказался равен 1,38 %. Уровень каждой составляющей можно посмотреть на следующей эпюре:
Максимальное значение имеет вторая гармоника - 1,37 %, уровень третьей гармоники - 0,1 %. Далее сделаем чудовищную вещь - нагрузим лампу на активное сопротивление 32 Ома. На анодных характеристиках нагрузочная прямая пойдёт практически вертикально (синяя линия). Ток покоя, естественно, останется прежним, а вот амплитуда тока возрастёт до своего предельного значения. Очевидно, что должны значительно возрасти искажения "усиливаемого" сигнала. Удвоенная амплитуда тока через нагрузку составила 34 мА (сравните с построениями на семействе анодных характеристик):
Хорошо видно как проявляются искажения: амплитуда верхней полуволны стала значительно меньше нижней. Суммарный коэффициент искажений возрос до 7,9 %:
Ясно, что в таком режиме подобную лампу использовать не получится. Слишком велики искажения. К тому же наш "усилитель" превратился в "ослабитель" - амплитуда сигнала на нагрузке уменьшилась в 4 раза (удвоенная амплитуда составляет 1,1 В). Для вычисления внутреннего сопротивления усилителя посмотрим ток через нагрузку при сопротивлении нагрузки равном нулю. Удвоенная амплитуда тока равна 35,2 мА. По определению выходное сопротивление есть отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания:
Кто-то может возразить, что в данном случае правильно было бы применить катодный повторитель, поскольку известно, что он обладает "низким выходным сопротивлением". Поскольку описание работы повторителя выходит за рамки статьи, ограничимся лишь справочным приведением результатов моделирования. Схема каскада:
Амплитуда тока через нагрузку (удвоенная - 21 мА):
Суммарный коэффициент искажений (5,5%):
Из приведённого выше ясно, что катодный повторитель - это не выход из положения. В процессе поиска подходящих решений внимание привлекла одна весьма интересная схема, которую можно встретить под разными названиями (SRPP - Shunt Regulated Push Pull, СРПП, каскад с динамической нагрузкой):
В различных источниках сигнал с выхода снимают различно: с верхнего или с нижнего по схеме вывода резистора R3. Но будто бы выходное сопротивление усилителя на верхнем выводе резистора значительно меньше, чем при любом другом подключении нагрузки. Вообще, про данную схему можно найти много восторженных отзывов. Настораживало другое: отсутствие единого мнения по поводу работы усилителя. Одни утверждают, что каскад на верхней лампе - катодный повторитель, другие говорят, что это фактически генератор тока, кому-то даже видится "электронный резистор". Ниже приведены характерные утверждения, которые можно найти в литературе и Сети. "Классическое" описание схемы:
Некоторые высказываются более категорично:
А вот другая точка зрения:
Тут же читаем совершенно противоположное:
Для того, чтобы внести ясность в этот вопрос, разумно проследить поведение схемы в системе моделирования. Для начала разберёмся с поведением верхней лампы вместе с резистором. Очевидно, что авторы утверждений (16) и (17) хотели бы видеть на этом месте фактически генератор тока. Вольтамперная характеристика (в идеале) такого двухполюсника выглядит как горизонтальная линия. На практике, очевидно, должно быть что-то похожее на анодные характеристики пентода:
Видимо, приблизительно так должна выглядеть вольтамперная характеристика триода VL2 в сочетании с резистором. И всё вроде бы логично в описании: "... при появлении полуволны со знаком «+» на сетке VL1, ток нижнего триода увеличивается, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R3, а это уменьшает ток верхнего триода VL2 ..." Но посмотрим на это с другой стороны. Представим крайний случай: сопротивление резистора в цепи катода лампы равно нулю. Вольтамперную характеристику такого двухполюсника можно увидеть на (3) - это анодная характеристика триода при напряжении сетки равном нулю. Очевидно, что здесь имеем полную противоположность анодным характеристикам пентода! Можно ли надеяться, что увеличение резистора чудесным образом изменит ВАХ (вольтамперную характеристику) этого двухполюсника, и на ней появится выраженный горизонтальный участок? Очевидно, нет. Скорее всего, падение напряжения на резисторе будет увеличивать запирающее лампу напряжение между катодом и сеткой. Это приведёт только к уменьшению скорости нарастания анодного тока, при увеличении напряжения между нижним по схеме выводом резистора R3 и анодом VL2. Для проверки этих предположений "нарисуем" в MicroCap верхнюю часть схемы и подключим её к источнику постоянного напряжения. В процессе анализа будем изменять напряжение питания от 0 до 200 В (ось X), значение анодного тока (он же - ток через источник питания) будем откладывать на оси Y. Для наглядности построим две кривые: при R3 = 0 и R3 = 86 Ом.
Кривая при R3 = 0 - есть ВАХ триода при напряжении сетки = 0. В этом можно убедиться, сравнивая эту кривую с кривой на семействе анодных характеристик (3). Кривая при R3 = 86 имеет более линейный характер и не имеет выраженных горизонтальных участков, которыми можно было бы воспользоваться для стабилизации тока нижнего триода VL1. Получается, что ВАХ данной схемы действительно приближается к обычному резистору. Тем не менее, имеется изгиб в нежелательном направлении, т.е. сопротивление для переменной составляющей такого двухполюсника меньше сопротивления для постоянной составляющей. Как это ни прискорбно. Для того чтобы иметь количественное представление о величинах сопротивлений, определим непосредственно из графика (курсорные измерения системы MicroCap) статическое сопротивление в точке U(E1) = 125 В, и динамическое, в окрестности этой точки, при dU = 5 В. Статическое сопротивление:
Динамическое сопротивление:
Здесь может возникнуть законный вопрос: можно ли определить результирующее сопротивление цепи VL2-R3 аналитически, не прибегая к построениям? Сделаем небольшое отступление и проанализируем данную схему, используя для промежуточных вычислений возможности системы MathCad. Известно, что закон Ома для триода записывается так:
где ia - ток анода, uak - напряжение на
аноде относительно катода, ugk - напряжение на сетке
относительно катода, Ri - внутреннее сопротивление
триода,
где E1 - напряжение анодного источника питания, ug - напряжение на сетке. При этом анодный ток равен:
Символ стрелки здесь - следствие "особенностей" работы системы MathCad. При чтении её можно воспринимать как знак "=". При наличии резистора в катоде лампы VL2 напряжения uak и ugk определятся следующими выражениями:
Подставляя (m4) в (m1) запишем:
Выполняя очевидные преобразования и упростив левую и правую части уравнения с помощью оператора simplify, получим:
Откуда ток ia равен:
Приводя подобные слагаемые относительно R3, окончательно получаем:
При сравнении уравнений (m3) и (m9) становится очевидно, что добавление резистора R3 в цепь катода лампы VL2 увеличило результирующее сопротивление на величину:
и стало равно:
Упрощённо динамическое сопротивление лампы с резистором в катоде можно представить как сумму сопротивлений:
где Ri - внутреннее сопротивление триода; Что же, получается? Подобное включение ламп - бессмыслица? Не будем спешить. Проанализируем несколько режимов работы, с тем, чтобы понять, что же происходит на самом деле.
Часть третья. "Истина где-то там..."
1) Поскольку в литературе встречается включение нагрузки к нижнему по схеме выводу резистора R3, начнём моделировать именно с этого варианта. Проведём моделирование в двух режимах - холостой ход и короткое замыкание, после чего определим внутреннее сопротивление усилителя. Несколько замечаний относительно схемы. Резисторы в цепях анодов ламп "Anod_VL1" и "Anod_VL2" имеют ничтожное сопротивление (1 мкОм) и не влияют на работу схемы. Они используются исключительно для целей моделирования - токи через резисторы совпадают с анодными токами ламп. Поэтому на всех последующих графиках токи анодов будут обозначены как "I(Anod_VL1)" и "I(Anod_VL2)". Режим работы нижней лампы используется прежний (напряжение смещения, ток покоя, амплитуда сигнала генератора). Поскольку параметры триодов идентичны, а R2 = R3, то режим работы верхнего триода VL2 совпадает с нижним триодом VL1. Напряжение на аноде лампы VL1, естественно, равно половине напряжения питания - 125 В.
Наблюдаем работу усилителя без нагрузки (Rn = 3 ГОм). Удвоенная амплитуда сигнала на выходе составила 42,8 В:
Обратите внимание - амплитуда напряжения практически совпадает с (6). Что, между прочим, подтверждает факт отсутствия большого динамического сопротивления. Выигрыш можно увидеть, посмотрев суммарный коэффициент искажений. Он несколько уменьшился по сравнению с (7) и равен 0,95 %. А теперь посмотрим, что происходит с анодными токами ламп. На следующем графике показаны одновременно токи анодов VL1 и VL2. Оба графика слились в один. Удвоенная амплитуда тока равна 12,6 мА. Никакого пуш-пула (Push Pull) нет и в помине!
Теперь зададим сопротивление нагрузки Rn = 0. Удвоенная амплитуда тока через нагрузку составила 35 мА:
Коэффициент искажений вырос до 8,1%. Посмотрим, что стало с токами анодов.
Переменная составляющая анодного тока VL2 стала равной нулю - оно и понятно, т.к. переменная составляющая напряжения на аноде VL1 также равна нулю. Переменная составляющая анодного тока VL1 равна току через нагрузку. Рассчитаем выходное сопротивление усилителя.
Что соответствует выходному сопротивлению обычного резистивного усилителя (11). Если усилитель работает на нагрузку отличную от нуля и бесконечности, то переменная составляющая анодного тока VL2 будет всегда меньше переменной составляющей анодного тока VL1. Амплитудное значение тока через нагрузку будет равно разности амплитуд переменных составляющих токов VL1 и VL2. Для примера нагрузим усилитель на сопротивление, равное Rвых. Ток через нагрузку:
Анодные токи ламп:
Суммарный коэффициент искажений составил 3,9%. Для сравнения усилитель был нагружен на сопротивление 32 Ома. Удвоенная амплитуда тока составила 34 мА, суммарный коэффициент искажений 7,9% (сравните с (9) и (10)). Т.е. использование вместо обычного резистора цепочки VL2 - R3 в нашем случае не принесло никакой выгоды. Лишь при работе усилителя без нагрузки несколько уменьшился уровень искажений. 2) Теперь подключим нагрузку к верхнему по схеме выводу резистора R3. И ещё. Поскольку для переменной составляющей тока нагрузки безразлично, куда будет подключён земляной конец нагрузочного резистора подключим его к "+" источника анодного напряжения E1. При этом несколько упрощается понимание логики работы усилителя. Впоследствии мы вернёмся к "классическому" подключению нагрузки.
В случае работы без нагрузки анодные токи ламп, понятное дело, совпадают с (28). Напряжение холостого хода немного уменьшится - падение на резисторе R3:
Т.е. удвоенная амплитуда напряжения на выходе усилителя - 41,7 В:
Крайне интересна работа усилителя при Rn = 0. Ток через нагрузку:
Удвоенная амплитуда тока через нагрузку увеличилась до 58 мА, т.е. в 1,7 раз по сравнению с (29). А теперь посмотрим на анодные токи:
Картина разительно отличается от всего, что мы видели до сих пор! Вот только теперь режим работы ламп стал похож на настоящий Push Pull! Хорошо видно, как УВЕЛИЧЕНИЮ анодного тока лампы VL1 теперь соответствует УМЕНЬШЕНИЕ анодного тока VL2. Теперь амплитудное значение тока через нагрузку равно сумме амплитуд переменных составляющих анодных токов VL1 и VL2 (абсолютные значения), поэтому результирующая амплитуда тока нагрузки возросла. Но почему же так произошло? Почему переключение нагрузки с нижнего на верхний вывод резистора так кардинально изменило картину? Рассмотрим этот процесс подробнее, в стиле (16). Допустим, напряжение на сетке лампы VL1 стало увеличиваться в положительной полярности. Лампа VL1 начнёт приоткрываться и анодный ток, соответственно, увеличиваться. Но по какой цепи он протекает (выше анода VL1)? Поскольку путь с наименьшим сопротивлением для переменной составляющей тока - это Rn-С3-R3, то бОльшая часть тока протекает именно по этой цепи. И именно ток нагрузки создаёт падение напряжение на резисторе R3. Падение напряжения на этом резисторе прикрывает лампу VL2 (её анодный ток уменьшается), что дополнительно увеличивает амплитуду тока через нагрузку (сравните графики (30) и (38)). Обратный процесс. Напряжение на сетке VL1 изменилось в отрицательной полярности. Лампа VL1 прикрывается и её анодный ток уменьшается. При этом уменьшается падение напряжение на резисторе R3, что приводит к приоткрыванию лампы VL2. Возникает вопрос: поскольку нагрузка включена, фактически, параллельно лампе VL2 - откуда берётся энергия для протекания тока через нагрузку в обратном направлении (отрицательная полуволна на (37))? Ответ прост - заряженный до половины напряжения питания конденсатор C3. Поскольку его ёмкость достаточно большая, то напряжение на нём за один полупериод даже при наименьшей частоте усиливаемого сигнала остаётся практически неизменным. Итак, ещё раз. Путь тока через нагрузку. При положительной полуволне сигнала на сетке: "+"E1 - Rn - C3 - R3 - [анод-катод VL1] - "-"E1 При отрицательной полуволне сигнала на сетке: "+"C3 - Rn - [анод-катод VL2] - "-"C3
Из (39) видно, что через резистор R3 протекает только анодный ток (переменная составляющая) лампы VL1. Очевидно, что переменная составляющая тока через резистор R3 равна переменной составляющей анодного тока VL1:
Становится ясно, почему увеличилась амплитуда тока в режиме короткого замыкания. Амплитуда тока через ламу VL1, ввиду малости сопротивления R3 осталась практически такой же, как и в (11) и (29). А поскольку амплитудное значение тока через нагрузку равно сумме амплитуд переменных составляющих анодных токов ламп (абсолютные значения) (см. (37) и (38)):
то результирующая амплитуда тока увеличилась на величину Im(VL2) (Im - амплитудное начение тока). Здесь полезно ещё раз перечитать описание работы усилителя данное в (16).
Пока всё верно. Нужно только оговориться, что данный режим работы будет иметь место при малых сопротивлениях нагрузки (об этом - чуть ниже). При больших сопротивлениях нагрузки связка VL2 - R3 ведёт себя подобно простому резистору (25)...
Анодный ток VL1 не оказывается более стабильным, его амплитуда, фактически остаётся такой же, как и в резистивном каскаде (11), (29) и (38) ...
В данном случае рассматривать триод VL2 с резистором R3 как нагрузку триода VL1 просто некорректно. Триод VL2 и R3 не являются стабилизатором тока. Это - "составная часть усилителя", верхнее плечо каскада, образованного двумя триодами VL1 и VL2.
Вообще "не в тему". Разбирая эпюры (37), (38), (40) вместе со схемой (39), становится очевидно, что никакой стабилизации тока нет и быть не может в принципе, ибо именно анодный ток VL1 (изменение тока) управляет триодом VL2. Если изменение тока станет равно нулю, то и управление триодом VL2 прекратится. Выходное сопротивление усилителя:
По сравнению с (11) и (31) оно уменьшилось в 1,7 раз. Можно, конечно, назвать эту разницу "значительно ниже", а можно просто принять как факт. Суммарный коэффициент искажений составил 4,9%, т.е. в 1,7 раз меньше, чем в (29).
Увеличение сопротивления нагрузки приведёт к тому, что переменная составляющая анодного тока VL2 будет уменьшаться и при некотором значении Rn = Rгр станет минимальной (практически, можно считать её равной 0). Это сопротивление нагрузки можно считать граничным. При Rn < Rгр (а особенно при Rn << Rгр) мы действительно можем назвать данный каскад SRPP, т.к. в этом случае VL1 и VL2 работают "в противофазе". Режим работы сильно напоминает работу двухтактного усилителя. При Rn > Rгр преимущества данной схемы постепенно теряются и целесообразность её применения при Rn >> Rгр весьма сомнительны. Гораздо эффективнее будет применить вместо VL2-R3 "настоящий" генератор тока, в результате чего ощутимо снизить коэффициент искажений. Другими словами, область применения SRPP - работа на низкоомную нагрузку. Как же определить значение сопротивления Rгр? По определению, статический коэффициент усиления триода - отношение приращения напряжения на аноде к вызвавшему его приращению напряжения на сетке (абсолютное значение) dUa / dUc при неизменном токе анода. Поскольку dUa пропорционально Rn, а dUc пропорционально R3 то для минимума переменной составляющей анодного тока можно приближённо записать:
17 - это значение статического коэффициента усиления модели лампы 6Н6П в MicroCap. Для точного поиска сопротивления запустим в MicroCap так называемую оптимизацию. Оптимизируемым параметром будет сопротивление нагрузки в диапазоне, скажем, 50-5000 Ом. Целью оптимизации будет минимум переменной составляющей анодного тока VL2. Система определила значение сопротивления - 1435 Ом:
Дальнейшее увеличение сопротивления нагрузки приведёт к тому, что анодные токи ламп начнут изменяться не в противофазе, а синфазно, как в (33). Теперь, когда работа усилителя более-менее прояснилась, вернёмся к нашей задаче - подключим нагрузку 32 Ома. Удвоенная амплитуда тока через нагрузку равна 53 мА - пока что рекордное значение.
Однако искажения сигнала до сих пор остаются неудовлетворительными - это видно даже по эпюре тока (50). Измеренное значение суммарного коэффициента искажений составило 5,6%. Что можно ещё придумать?... 3) Во всех публикациях, касающихся каскада SRPP, указывается непреложная истина - режим работы ламп должен быть одинаковым. Т.е. R2 = R3, при этом на аноде лампы VL1, в режиме покоя, будет ровно половина напряжения питания. До сих пор мы слепо и неукоснительно придерживались этого правила. Но посмотрим ещё раз на эпюры анодных токов ламп:
Амплитуда анодного тока VL1 явно больше амплитуды анодного тока VL2. Кроме того, относительно тока покоя полуволны несимметричны. При рассмотрении данной эпюры возникает вопрос: как изменится результирующий сигнал, если попытаться увеличить амплитуду анодного тока VL2? Увеличить её просто - увеличивая сопротивление R3. Для упрощения задачи снова обратимся к возможности оптимизации параметров. Оптимизируемым параметром теперь будет значение сопротивления резистора R3, цель оптимизации - минимум суммарного коэффициента искажений. Сопротивление резистора будем выбирать из разумного диапазона, скажем 50-500 Ом. После завершения оптимизации система выдала значение резистора - 183 Ома. Соотношение амплитуд анодных токов изменилось:
Посмотрим, что стало с суммарным коэффициентом искажений:
Результат впечатляет! Коэффициент искажений снизился до рекордного значения - 1,6%! Есть, правда, один нюанс: режим работы по постоянному току "уплыл" - ток покоя уменьшился до 21 мА. Для его восстановления придётся увеличить анодное напряжение до 290 Вольт. После этого повторно запустим оптимизацию. В результате получим новое значение R3 - 166 Ом. Суммарный коэффициент искажений стал чуть меньше 1,2%. На практике, если потребуется выжать из усилителя максимум, видимо, придётся временно заменить резистор R3 на подстроечный, с тем, чтобы найти оптимальное значение; одновременно потребуется возвращать ток покоя к расчётному значению подбором анодного напряжения. Но для упрощения примем значение R3 равным 86 * 2 = 172 Ома. Это удобно для комплектации - составить из двух резисторов по 86 Ом. К тому же, будет легко проверить, как изменится режим работы усилителя, если замкнуть один из резисторов, обеспечив, таким образом, условие R2 = R3. 4) Итак, финальная версия усилителя:
Эпюра напряжения на нагрузке:
Суммарный коэффициент искажений:
Как видно из приведённых выше графиков, так и не удалось добиться желаемой амплитуды сигнала равной 2 В. Коэффициент передачи по напряжению, при сопротивлении нагрузки 32 Ома, получился порядка 0,6. Ожидаемое ослабление сигнала на выходе (по напряжению) - 4...5 дБ, что, в общем, не так уж и много. "Запаса" звуковой карты вполне хватит, чтобы компенсировать эту разницу. Выходное сопротивление усилителя (сравните с (11), (31) и (46)):
Иными словами, удалось добиться почти двукратного снижения выходного сопротивления по сравнению с обычным резистивным каскадом. И, похоже, что это предел возможностей, т.к. дальнейшее увеличение резистора R3 приведёт к тому, что мощность рассеиваемая анодом лампы VL2 окажется недопустимо большой. Поскольку выходное сопротивление каскада оказалось в 19 раз больше сопротивления нагрузки, усилитель фактически является источником тока управляемый напряжением. Хорошо это или плохо, в случае питания наушников, выяснится при пробных прослушиваниях. Всё зависит от параметров самих наушников.
Часть четвёртая. Проверим компьютер калькулятором
Для того чтобы оценить работу усилителя, совсем не обязательно прибегать к моделированию. Режимы работы вполне можно определить, выполняя построения на анодных характеристиках выбранной лампы и делая несложные промежуточные вычисления. Ниже будет дана методика подобного расчёта на примере схемы (54). Перед выполнением расчётов необходимо подготовить график с анодными характеристиками. Если характеристики имеются в "бумажном" варианте, то чертёж необходимо отсканировать и увеличить при распечатке до размеров формата A4. Впрочем, не менее удобно выполнять построения и на компьютере, загрузив отсканированный рисунок в какой-нибудь графический редактор. 1) Для выбранной лампы задаёмся током покоя. В общем случае это значение берётся из паспорта лампы. Чтобы в итоге сравнить результаты расчётов с результатами моделирования положим прежнее значение Iп:
2) Задаёмся напряжением смещения лампы VL1. Здесь также следует обращаться к паспортным данным. При выборе напряжения смещения нужно учитывать амплитуду входного сигнала. Поскольку предполагается работа без сеточных токов, то напряжение смещения должно быть больше амплитудного значения напряжения входного сигнала. В паспорте лампы 6Н6П сказано, что напряжение отсечки сеточного тока составляет -0,2 В, поэтому примем напряжение смещения Uсм1 лампы VL1:
3) Определяем сопротивление резистора автоматического смещения в цепи катода лампы VL1:
Выбираем ближайшее значение резистора, либо составляем резистор из 2х. В данном случае, имеются резисторы 86 Ом. 4) По идее, нужно рассчитать и блокировочный конденсатор C2. Его ёмкостное сопротивление на самой нижней частоте должно быть много меньше параллельно соединённых R3 и т.н. сопротивления лампы со стороны катода, которое равно 1/S:
Рассчитаем ёмкостное сопротивление применённого конденсатора 4700 мкФ на частоте 20 Гц:
что вполне соответствует условию (62). 5) Напряжение смещения лампы VL2 зависит от сопротивления резистора R3. При R3 = R2, напряжения смещения будут равными, при R3 = 2 * R2 напряжение смещения Uсм2 = 2 * Uсм1 и равно 4,6 В. В общем случае, напряжение смещения VL2:
6) Определим напряжение питания усилителя. Падение напряжения на лампе VL1 в режиме покоя определяется из анодных характеристик лампы. На анодных характеристиках проводят горизонтальную линию от оси токов до пересечения с характеристикой, соответствующей напряжению смещения в режиме покоя - 2,3 В (67). Это - ток покоя. Пересечение горизонтальной линии с анодной характеристикой даст точку "C", из которой нужно опустить перпендикуляр на ось напряжений. Полученное значение есть падение напряжения на лампе VL1 в режиме покоя. Аналогичную операцию нужно проделать для лампы VL2, только анодную характеристику нужно выбирать другую, соответствующую напряжению 4,6 В (75). Поскольку кривых с дробными напряжениями на графиках, как правило, не бывает, то необходимую характеристику придётся дорисовать самостоятельно. Это несложная задача. Итак, из анодных характеристик определяем, что падение напряжения на лампе VL1 составляет 120 В, на лампе VL2 - 160 В. Стало быть, напряжение питания Uпит будет:
7) Теперь нужно определить напряжение "холостого хода" и ток короткого замыкания усилителя, с тем, чтобы рассчитать выходное сопротивление. Зная эти три параметра легко вычислить напряжение на нагрузке, оценив, тем самым, коэффициент передачи по напряжению, а также целесообразность применения конкретной лампы в данном усилителе. Напряжение холостого хода определим учитывая тот факт, что при отсутствии нагрузки лампу VL2 с резистором R3 можно заменить эквивалентным резистором. Сопротивление резистора определим из выражения (25):
Для большего совпадения с результатами моделирования статический коэффициент усиления взят из модели лампы 6Н6П. На анодных характеристиках лампы нужно выполнить следующие построения:
Сначала проводят горизонтальную линию, соответствующую току покоя (26 мА). Пересечение линии с анодной характеристикой при напряжении 2,3 В (напряжения смещения в режиме покоя) даст точку "C". Через эту точку должна проходить линия нагрузки, соответствующая сопротивлению эквивалентного резистора Rэ. Для определения наклона прямой, воспользуемся методом, несколько отличным от классического. Поскольку вся шкала тока, в нашем случае, равна 60 мА, определим, какое напряжение будет падать на резисторе 4700 Ом при протекании по нему тока 60 мА:
Отлично! Если построения выполняются вручную, то располагаем линейку таким образом, чтобы она соединяла на графике 2 точки: (U=0 В; I=60 мА) и (U=282 В; I=0 мА). Параллельным переносом сдвигаем линейку к точке "C". Чертим линию нагрузки "A-B" Пресечение лини "A-B" с анодными характеристиками, соответствующими амплитуде входного сигнала дадут значение удвоенной амплитуды выходного напряжения при работе усилителя без нагрузки. В нашем случае, амплитуда входного сигнала принята равной 2 В. Стало быть, нужны характеристики при Uc1 = -0,3 В и Uc1 = -4,3 В. Найденное значение удвоенной амплитуды холостого хода равно 47 В. 8) Немного сложнее найти ток короткого замыкания. Эту процедуру можно разделить на 3 этапа: - нахождение по анодным характеристикам тока КЗ лампы VL1; - нахождение по анодным характеристикам тока КЗ лампы VL2; - суммирование удвоенных амплитуд токов ламп. Определение тока короткого замыкания лампы VL1 показано на следующем рисунке:
Поскольку ток короткого замыкания лампы VL1 проходит через резистор R3, то наклон прямой "A-B" соответствует значению этого резистора. Ввиду малости его значения, при грубых расчётах линию нагрузки "A-B" можно заменить вертикальной линией. Падение напряжения на резисторе, при протекании через него тока 60 мА:
Располагаем линейку таким образом, чтобы разность напряжений при I = 0 и I = 60 мА составляла 10 В и параллельным переносом смещаем её в точку "С". Чертим линию "A-B". Хорошо видно, что амплитуда верхней полуволны тока больше амплитуды нижней полуволны. При грубых расчётах этим обстоятельством можно пренебречь. В данном примере разница амплитуд принимается во внимание. Ток, протекающий по резистору R3, создаёт на нём падение напряжения. Амплитуда напряжения при протекании тока верхней полуволны тока:
Амплитуда нижней полуволны напряжения:
Верхняя полуволна напряжения складывается с напряжением смещения, нижняя полуволна - вычитается из напряжения смещения:
Осталось только выполнить необходимые построения:
Поскольку в цепи лампы VL2 при сопротивлении нагрузки равном нулю никаких сопротивлений нет (см. (39)), то линия "A-B" - строго вертикальная. Теперь суммируем удвоенные амплитуды токов ламп из (69) и (75):
9) Ну вот, практически и всё! Выходное сопротивление усилителя:
10) Поскольку сопротивление нагрузки значительно меньше выходного сопротивления усилителя, можно приближённо записать:
Итак, амплитуда напряжения на нагрузке, в результате расчётов, получилась равной 1,2 В. Сравните это значение с (56). Вполне возможно, что в ряде случаев удобнее работать с аналитическими выражениями, поэтому ниже будет показан вывод формул для определения напряжения на нагрузке. Используя закон Ома для триода, и выполняя необходимые преобразования, можно найти коэффициент усиления по напряжению, "коэффициент усиления по току" и выходное сопротивление. Для начала, найдем значение анодного тока в обычном каскаде с резистором в аноде лампы (заменяем VL2-R3 воображаемым резистором Ra). Поскольку, в итоге, нас интересуют только переменные составляющие токов и напряжений, а, точнее, коэффициенты передачи по напряжению и току, то сопротивление резистора R2 полагаем равным нулю. Используя (m1) и определяя значения uak и ugk, получим следующие выражения:
где Ra - резистор в цепи анода лампы, ug1 - напряжение на сетке лампы VL1. Выполняя необходимые преобразования, аналогичные (m6), (m7), (m8), получаем уравнение для анодного тока лампы VL1:
Напряжение на аноде лампы, равно:
Подставляя (m14) в (m15) получим результирующее выражение для анодного напряжения VL1:
Переходим к схеме (54). Для определения режимов работы будем исходить из следующих соображений: - величина сопротивления анодной нагрузки в режиме холостого хода определится выражением (m11). Соответственно в выражении (m16) вместо Ra следует записать (m11). - как указывалось в (35), напряжение на катоде лампы VL2 меньше напряжения на аноде лампы VL1. Рассматривая резистор R3 с лампой VL2 как делитель напряжения, становится, очевидно, что при переходе от анода VL1 к катоду VL2 напряжение уменьшится в
раз. Подставляя (m11) в (m16) и уменьшая полученное выражение в (m17) раз, найдем значение напряжения на катоде VL2:
Усиление по напряжению, равное d(uk2)/d(ug1), после вычисления производной, упрощения и приведения подобных слагаемых относительно R3, определится выражением:
Запомним это выражение. Оно пригодится на практике, при вычислении напряжения на нагрузке. Далее, нужно определить токи короткого замыкания ламп VL1 и VL2, затем просуммировать их. Анодный ток короткого замыкания лампы VL1 равен (см. (39)):
Поскольку напряжение на сетке лампы VL2 определяется током ia1, а именно ia1 * R3, то ток КЗ лампы VL2 запишется так (вспомните, также, что ток лампы VL2 не протекает через резистор R3):
Ток через нагрузку in, очевидно, равен:
"Усиление по току" d(in)/d(ug1) после вычисления производной:
Выходное сопротивление усилителя есть отношение коэффициента усиления по напряжению (в режиме холостого хода) к коэффициенту усиления по току (в режиме короткого замыкания):
В очередной раз радуясь, что MathCad избавил от нудной работы, получаем выражение для определения выходного сопротивления усилителя:
Теперь, подставляя необходимые значения величин в выражение (m19) и (m25), найдём коэффициент усиления по напряжению Ku и выходное сопротивление Rout. Напряжение на нагрузке:
где Un - напряжение на нагрузке, Uin - напряжение на входе усилителя, Rn - сопротивление нагрузки. И поскольку мы всё равно сидим в MathCad-е, то было бы разумно воспользоваться замечательной возможностью наглядно посмотреть выходное сопротивление усилителя на лампе 6Н6П в зависимости от сопротивления резистора R3. Для начала оценим общую картину. Параметры лампы в выражении (m25) взяты из паспорта. Оцифровка осей графиков дана в Омах:
На практике диапазон возможных значений R3 будет, конечно, меньше:
Для сравнения посмотрим теоретическое выходное сопротивление усилителя на других лампах (данные взяты из справочника по электровакуумным приборам): - 6Н1П:
- 6Н2П:
- 6Н3П:
- 6Н23П:
- 6Н8С:
- 6Н9С:
- 6С19П:
Часть пятая. Ближе к реальности
Для проверки всего изложенного был собран опытный экземпляр усилителя по следующей схеме:
Анодное напряжение выбрано равным 290-300 В. Для задержки включения анодного напряжения собрана схема на транзисторе VT1 и реле K1. Время задержки порядка 60 с. Питание цепей накала выполнено обычным образом, последующие измерения подтвердили нецелесообразность применения более сложных решений (питание накала постоянным током, подача на нити накала постоянного напряжения смещения и т.д.) Налаживание усилителя не требуется. После прогрева катодов ламп и включения реле K1 необходимо измерить высокоомным вольтметром указанные на схеме напряжения. Если они отличаются более чем на 10 %, то, скорее всего, придётся заменить лампу. Для проверки усилителя была использована звуковая карта Creative Sound Blaster X-Fi Xtreme Audio. В качестве генератора использовалась эта же звуковая карта + программный генератор (синус, 1000 Гц). Спектр "сквозного канала" звуковой карты (выход звуковой карты подключен перемычкой к линейному входу карты):
Суммарный коэффициент искажений не превышает 0,003 %. Собственный шум карты находится на уровне - 130 дБ, поэтому на спектрограмме не виден. Амплитудное значение сигнала на выходе звуковой карты приведено к значению 1 В. Вместо перемычки к звуковой карте подключаем усилитель. В качестве нагрузки к усилителю подключены наушники. Генератор 1000 Гц - отключен:
Пик на частоте 100 Гц по уровню -88 дБВ - фон переменного тока. Возник вопрос, что является причиной. Пульсации анодного напряжения или цепь накала? Кратковременные отключения реле K1 прояснили суть дела - при отключении реле пик на частоте 100 Гц исчезал. Поскольку фон переменного тока в наушниках не прослушивался, было решено оставить ёмкость конденсатора фильтра C4 без изменения. Включаем генератор 1000 Гц:
Указанное на рисунке значение коэффициента искажений было получено путём перебора некоторого количества ламп ("новые" лампы выпусков 1964 -1966 годов). Разброс коэффициента искажений на сигнале 1 В составлял приблизительно 0,3 %. Следует отметить, что искажения реального усилителя получились больше моделируемого. Уже при напряжении сигнала 1 В искажения почти сравнялись с теми, что получились при моделировании на 2 Вольтах входного сигнала. Ослабление сигнала хорошо совпадает с ожидаемым. Теперь проверим, как отразится уменьшение резистора R5 (или R3 при моделировании) до 86 Ом:
В левом канале был замкнут один из двух резисторов по 86 Ом. В результате коэффициент искажений вырос до 1,7 %. Разница хоть и не такая большая, как при моделировании, но, всё же, весьма заметная. Строго говоря, искажения увеличатся ещё больше, если уменьшить анодное напряжение так, чтобы ток покоя снизился до первоначального. Субъективно громкость сигнала амплитудой 1 В, в наушниках, явно больше "средней". Прослушивание сигнала 1000 Гц вызывает ощутимый дискомфорт. При уменьшении громкости звучания до приемлемого уровня на слух (получилось -15 дБВ), суммарный коэффициент искажений снизился до уровня 0,2-0,3 %. Нужно подчеркнуть: вообще, искажения пропорциональны размаху входного сигнала. Использование более чувствительных наушников позволит работать на меньшем уровне сигнала, следовательно, при меньших искажениях.
Минимальных искажений можно добиться, произведя балансировку усилителя по второй гармонике с учётом сопротивления нагрузки, напряжения питания, разброса параметров лампы. Для этого резистор R5 нужно заменить двумя последовательно соединёнными: постоянным 86 Ом и переменным 100 Ом.
Далее рекомендуется методика: - резистор R trim установить в нижнее по схеме положение; - нагрузить усилитель резистором, его величина д.б. равна сопротивлению наушников; - к нагрузке подключить анализатор спектра; - на вход подать синус 1 кГц амплитудой 1 В; - прогреть катоды и подать анодное напряжение 280...300 В; - наблюдая за второй и третьей гармониками, уменьшать сопротивление R trim. Характер изменения гармоник (%), в зависимости от величины R trim (Ом), показан на следующем рисунке:
У нормально работающего усилителя будут наблюдаться три характерные точки. Первая точка отличается от третьей, главным образом, меньшим током анода и меньшей рассеиваемой на аноде мощностью. Возможно, любителям лампового звука эти точки равных уровней гармоник покажутся наиболее интересными. Во второй точке происходит максимальная компенсация искажений и уровень второй гармоники минимален. После налаживания были пробные заслушивания "усилителя" на различных музыкальных произведениях. От классики до попсы. Думается, что рассыпаться в описании субъективных ощущений смысла нет. Если совсем коротко: эффект есть и слышен невооружённым ухом. Возможно, дополнительно сказывается токовое питание наушников. Именно токовое питание нагрузки отличает данный усилитель от усилителя, например, с трансформаторным выходом.
Часть шестая. Конструктивы и комплектация
Опытный экземпляр усилителя собран на гетинаксовой пластине размерами 190 x 110 x 5:
Монтаж усилителя выполнен по общеизвестным правилам навесным способом. Следует использовать, по возможности, собственные выводы деталей. Ниже показан один из вариантов сборки усилителя (один канал):
Таким образом, почти все элементы припаиваются собственными выводами друг к другу, без применения промежуточных монтажных лепестков и т.п. Анодное и накальное питание выполнено в соответствии со следующим рисунком:
Разворот и взаимное положение панелек ламп показаны условно. Реле K1 - неизвестного происхождения с открытыми контактами. Несмотря на рабочее напряжение (обмотки) 24 В, оно надёжно срабатывает при напряжении 7,5 В. По поводу конденсаторов нужно сказать отдельно. В литературе и Сети масса статей по поводу того, какие нужно применять конденсаторы. Почитать весьма познавательно. Аудиофилы здесь не должны мелочиться. Использовать продукцию только именитых фирм, как, например, бумажномасляные "Jensen". Применяются в качестве разделительных. Стоимость за штуку порядка 30$. Из электролитов - "BlackGate". Стоимость доходит до 100$ за штуку. Из отечественных неэлектролитов следует ставить полистирольные К71, полиэтилентерефталатные К73, полипропиленовые К78, фторопластовые ФТ, хотя, по поводу отечественных мнения разнятся. Автор разоряться не стал и поставил следующее. Электролиты - "Jamicon", C3, C4 - 220 мкФ x 350 В (хотя, ёмкость C3, C4 полезно увеличить в 2 раза), C7 - 4700 мкФ x 25 В, C10 - 470 мкФ x 220 В. C5, C9 и C8 - плёночные К73-17В 1 мкФ x 630 В и 2,2 мкФ x 63 В, C6 - ... керамические SMD конденсаторы. После этой фразы у истинных аудиофилов должен случиться инфаркт! И неспроста. Керамические конденсаторы заслуженно получили дурную славу среди любителей качественного звука. Рассмотрим этот вопрос подробнее. В Сети можно найти много интересной информации по исследованию качества конденсаторов. Суть исследований заключается в следующем. Собирается нехитрая схема:
Для исследований используется какая-либо программа, позволяющая увидеть спектр входного сигнала и программный генератор. Далее сравнивается спектр сигнала без конденсатора и спектр сигнала, пропущенного через конденсатор C1. В одном из примеров выходной сигнал составлял 2 В (действующее значение), а R1 подбирался таким образом, чтобы напряжение на резисторе составляло примерно 1,3 В, т.е. ослабление по напряжению около 3,5 дБ. Такой подход несколько озадачил. Если рассматривать возможность применения того или иного конденсатора в качестве разделительного, то тогда, очевидно, должно выполняться условие X(C1) << R1 т.е. ёмкостное сопротивление конденсатора на выбранной частоте должно быть много меньше сопротивления нагрузки R1. Наоборот, если нужно оценить качество конденсатора, как такового, то необходимо выполнить условие X(C1) >> R1. Автор решил провести собственные "исследования", с учётом этих требований. Для эксперимента были выбраны конденсаторы К73-17 ёмкостью 1 и 4,7 мкФ и керамический SMD конденсатор 2,2 мкФ. Сопротивление (ёмкостное) конденсатора 1 мкФ на частоте 1000 Гц составляет 159 Ом, конденсатора 2,2 мкФ - 72 Ома. Исходя из этого, были выбраны два значения сопротивления R1: 22 кОм и 8,2 Ом (МЛТ). Результаты проверки представлены ниже. Спектр сигнала без резисторов и конденсатора (амплитуда напряжения на выходе - 1 В):
Спектр сигнала с конденсатором К73-17 1 мкФ и резистором 22 кОм:
Очевидно, спектр сигнала остался прежним. Спектр сигнала с конденсатором К73-17 1 мкФ и резистором 8,2 Ом:
Суммарный коэффициент искажений значительно возрос! Отчётливо "прорезалась" вторая гармоника, которой практически не было в исходном сигнале. Проверка конденсатора К73-17 4,7 мкФ дала практически те же результаты, поэтому спектрограммы не приводятся. Значительно интереснее обстоит дело с керамикой. Спектр сигнала с керамическим конденсатором 2,2 мкФ и резистором 22 кОм:
Т.е. в своём "нормальном режиме" конденсатор не привнёс никаких искажений. Оно и понятно - ведь та же звуковая карта, как ни крутись, а работает! Спектр сигнала с керамическим конденсатором 2,2 мкФ и резистором 8,2 Ом:
О! Вот тут-то и вскрылась суть! Суммарный коэффициент искажений увеличился по сравнению с первоначальным почти в 1000 раз! Причём, способность конденсатора "портить звук" имеет сильную обратную температурную зависимость - удерживание жала паяльника на расстоянии 10 мм от конденсатора в течение 30 секунд "согнало" цифру до значения 1 %. Теперь становится ясно, в каком именно случае "зазвенит" керамический конденсатор. Для проверки подпаяем параллельно данному конденсатору такой же, ёмкостью 2,2 мкФ. Спектр сигнала с керамическим конденсатором 4,4 мкФ и резистором 8,2 Ом:
Как и ожидалось, суммарный коэффициент искажений уменьшился в два раза. Исходя из проведённых "исследований" и были, в целях эксперимента, поставлены керамические конденсаторы. Конденсатор C6 составлен из трёх SMD конденсаторов 2,2 мкФ и припаян непосредственно к выводу резистора R3 вблизи лепестка ламповой панели. Он является, по совместительству, монтажной стойкой - к противоположному концу конденсатора припаяна жила кабеля входного разъёма. По идее, нынешние тенденции конструирования ламповой аппаратуры требуют отдельного источника питания на каждый канал. Тем не менее, автор сознательно пошёл против течения и ограничился одним источником на два канала. Значение тока, протекающего по резистору фильтра R2, порядка 50 мА, при этом падение напряжения на нём около 50 В. Его рекомендуется составить из 2х равных резисторов по 2 Вт. Остальные резисторы мощностью 0,25 - 0,5 Вт. Автор применил обыкновенные МЛТ резисторы, хотя аудиофилы, безусловно, должны применить углеродистые, вроде старых зелёных ВС. Первичная обмотка силового трансформатора включена нестандартно, для уменьшения тока холостого хода. В результате, все выходные напряжения стали меньше. Для того чтобы получить необходимые величины напряжений, трансформатор распаян в соответствии со схемой:
Что касается "земляной шины", то в данной конструкции усилителя её, как таковой, нет. Есть "земляная точка" примерно посередине межу лампами, в которую сходятся все необходимые цепи, в т.ч. и минусовой вывод питания 300 В. Сечение проводов - 0,35-0,5 кв. мм. Анодное питание берётся непосредственно с выводов конденсатора C4. Поскольку усилитель предназначен для работы совместно со звуковой картой, то регулятор громкости не предусмотрен (используется регулятор громкости системного микшера). В случае необходимости, следует установить высококачественный (например, японский ALPS, стоимость $30) сдвоенный потенциометр 10 - 50 кОм. Соединение усилителя со звуковой картой и наушниками выполнено экранированным кабелем. Сечение центральной жилы 0,5 кв. мм. Ну и напоследок, предупреждение для тех, кто впервые решит заняться сборкой и наладкой ламповой аппаратуры. Работая с полупроводниковой техникой, привыкаешь к тому, что все напряжения имеют, как правило, один порядок и невелики по абсолютному значению. В случае с лампами это не так и ко многому обязывает. Нужно понимать, что проверка результата "методом тыка" может привести к весьма печальным последствиям. В лучшем случае, придётся распрощаться с дорогостоящим оборудованием. Метод "сначала сделать, потом проанализировать результат" нужно сменить на "сначала обдумать последствия, потом сделать". Для примера, в данном усилителе необходимо проверить напряжение смещения (единицы вольт) и анодное напряжение (сотни вольт), разница в напряжениях - больше чем в сто раз. Пульсации питания полупроводниковой техники смотрим осциллографом не задумываясь. Пульсации анодного же напряжения можно посмотреть только при наличии щупа с делителем 1:10, и то, не каждым осциллографом. Особую опасность представляют заряженные до высоких напряжений конденсаторы - они сохраняют заряд в течение длительного времени. Поэтому совершенно недопустимо считать, что при отключенной сетевой вилке в схеме отсутствуют опасные для жизни и приборов напряжения. Первое, что необходимо сделать после отключения усилителя от сети - разрядить электролитические конденсаторы C3, С4, С10. Разряжать их, замыкая выводы накоротко, недопустимо. Удобнее всего применять для этой цели обыкновенную лампу накаливания 220 В 40 Вт (идеально - последовательно 2 штуки) с патроном и выводами, снабженные щупами. Если возникнет желание проверить искажения усилителя используя звуковую карту компьютера, то нужно помнить, что при отсутствии нагрузки (наушников или резисторов 32 Ома), напряжение на выходе усилителя возрастёт до 20 В при напряжении на входе 2 В (амплитудные значения). Что произойдёт с входными цепями данной конкретной звуковой карты - неизвестно.
* * *
Часть седьмая. Предварительный усилитель
Время от времени автор получает письма с различными вопросами, в частности про "слабую громкость" SRPP усилителя, при работе от устройств типа MP3 плееров и т.п., и возможность "согласования" одного с другим. Чаще всего такие письма пишутся после безрезультатных поисков по форумам, где знатоки, ухая как филины, пугают людей разными глупостями. Работа SRPP усилителя подробно описана выше, поэтому, коротко главное: - при работе на низкоомную нагрузку коэффициент усиления по напряжению можно грубо считать равным 1; - коэффициент усиления по току получается весьма большим. Так, если принять резистор утечки (R3, на схеме) максимально возможным -1 МОм, то усиление по току: 37 мА / 2 мкА = 18500. Как правило, тут же спрашивают: "А для чего нам такой усилитель, от которого "не становится громче" и куда девать это усиление по току?". Во-первых, не стоит забывать про ламповый и тёплый. Выражаясь более грамотно - ради характерных искажений, которые вносит радиолампа. Между прочим, любителям "потеплее" не следует гнаться за минимизацией гармоник: результат может разочаровать. Во-вторых, учитывая высокое выходное сопротивление - наушники питаются током, что принципиально. При работе от звуковой карты либо "обычного" усилителя, наушники питаются напряжением. В-третьих, усиление только по току необходимо при работе от высокоомного источника сигнала, который, тем не менее, обладает требуемым размахом выходного напряжения, т.е. возможно использование данной конфигурации в качестве выходного каскада. Итак, для работы от линейного выхода аудиоаппаратуры требуется дополнить SRPP каскад предварительным усилителем напряжения. Сразу возникает вопрос: какой требуется коэффициент усиления? Выбор рабочей точки каскада SRPP определил и максимальную амплитуду его входного сигнала - 2 Вольта. С другой стороны, амплитуда сигнала линейного выхода навряд ли будет менее 200 мВ. В результате получаем, что достаточный коэффициент усиления равен 10. Брать усиление с запасом нет никакого смысла, т.к. пользы не будет, а шумы возрастут. Следует отметить, что переменная составляющая анодного напряжения (и тока) предусилителя получается относительно небольшой по сравнению с типичным значением покоя. Как нетрудно догадаться это означает, что искажения входного каскада будут существенно меньше, чем искажения каскада SRPP. Тогда неактуальна любимая тема аудиофилов о выборе типа лампы: годится, в принципе, любая (в пределах разумного, конечно).
Поскольку большое усиление не требуется, используем известную и распространённую лампу 6Н1П. Самый простой вариант усилителя показан на рисунке. Красным цветом выделена часть принципиальной схемы каскада SRPP без изменения, синим - номиналы элементов SRPP, требующие корректировки. Позиционные обозначения предусилителя даны с символом ( ' ).
Для проверки "в железе" на вход предусилителя подан меандр амплитудой 100 мВ. Ниже показан выходной сигнал на нагрузке 220 кОм: требуемый коэффициент усиления обеспечен. Вертикальный масштаб 0,5 В/дел:
Моделирование предварительного усилителя показало, что коэффициент нелинейных искажений в режиме максимального сигнала не превышает 0,1%, главным образом присутствует вторая гармоника. С уменьшением уровня входного сигнала относительно 200 мВ, искажения пропорционально снижаются.
Иными словами, искажения предусилителя на порядок меньше, чем искажения каскада SRPP, следовательно, характеристики усилителя в целом не ухудшились. Цепь смещения накального напряжения C'1, R'1, R'2 можно исключить, если чувствительность наушников невысока. Пробные прослушивания собранного усилителя, при замкнутом накоротко входе, должны разрешить этот вопрос. Конденсатор C'1 - с малым током утечки, танталовый, на напряжение не менее 25 Вольт. Все постоянные резисторы должны быть мощностью 0,5 Вт. Рабочее напряжение высоковольтных конденсаторов не менее 350 Вольт. Силовой трансформатор следует заменить на более мощный. Из аналогичных по распайке обмоток подойдёт ТАН-45. Подробнее по элементной базе читать раздел Конструктивы и комплектация.
Часть восьмая. Достоверность результатов моделирования
Немало вопросов задаётся относительно расхождения моделируемого и измеренного коэффициента нелинейных искажений. Поскольку моделируется простейшая схема, где единственным нелинейным элементом является лампа, то очевидно, всё дело в разнице характеристик. Линейность виртуальной лампы выше реальной. В общем-то, ничего страшного здесь нет, поскольку реальные лампы также имеют приличный разброс: 30% изменения уровня КНИ от замены при испытаниях. И это ещё не предел, т.к. нередки случаи, когда искажения усилителя (любого) изменяются в разы, в зависимости от установленного экземпляра лампы. Другими словами, после сборки обязательно должен следовать наладочный этап. Формальное завершение монтажа совершенно не означает, что устройство будет работать должным образом. Хуже обстоит дело, когда виртуальная лампа настолько виртуальна, что даже ток покоя не попадает в разумные допуски. Именно так случилось при моделировании предварительного усилителя из предыдущей главы. Эксперимент и прикидочный расчёт по бумажно-справочным характеристикам заметно отличались от результатов моделирования. Проверка всех доступных моделей лампы 6Н1П показала, что они похожи как близнецы. Поиск подходящего варианта случайно привёл к интересной программе PspiceCalc v1.2
Суть её заключается в подборе пяти параметров модели триода по отсканированному рисунку ВАХ лампы.
Первая же попытка сравнения характеристик 6Н1П дала ожидаемый результат:
Надо признать, подбор параметров фактически методом "тыка" - дело довольно скучное и в какой-то мере случайное. Тем не менее, результат получается вполне пригодным для работы. Иногда подбор можно упростить/уточнить добиваясь совпадения не всего диапазона ВАХ, а только необходимой для моделирования части. Результат оптимизации параметров 6Н1П:
Теперь при моделировании ток покоя совпал, а КНИ увеличился почти в два раза. Последнее обстоятельство заставило проверить и модель лампы 6Н6П. Модель, используемая в первых главах статьи:
Расхождение хотя и не такое сильное (а на практике это подтвердилось), но виртуальные ВАХ более линейны. Что будет, если попробовать "подогнать" поточнее? Например, так:
Моделирование с входным сигналом амплитудой 2 Вольта показало, что суммарный КНИ увеличился примерно в два раза, по сравнению с исходной моделью лампы:
Моделирование с входным сигналом амплитудой 1 Вольт (как в эксперименте) хорошо совпадает с результатами измерений:
Нагрузка в обоих случаях - 32 Ома. В заключение хочется ещё раз напомнить, что создание экземпляра какого-либо устройства с максимально возможными характеристиками - это отнюдь не формальное соединение выводов всех деталей между собой. Подобный подход наверняка не приведёт к успеху. Попытка ускорить процесс, смонтировать "на соплях" по чужим готовым "рецептам" не вникая в принцип действия, ничего, кроме разочарования, не даст. Ибо собрать совсем без ошибок (в смысле грамотного монтажа, компоновки, качества деталей и т.п.) с первого раза редко когда удаётся, а без вдумчивого подхода и работы с измерительной техникой успешно завершить налаживание практически нельзя.
Автор: Олег Иванов
|
-
коэффициент усиления триода. При отсутствии резистора 
- коэффициент
усиления триода.
