Классы усиления — вполне логичный и понятный способ отличить одну типовую схему от другой. Однако, применительно к ламповой схемотехнике такого подхода оказалось недостаточно. В зависимости от типа, лампы способны работать в различных режимах, которые при этом одинаково применимы в усилителях разных классов. Этот факт кратно увеличивает количество возможных сочетаний, не говоря уже о том, что режимы работы ламп можно модифицировать, комбинировать и объединять. Столь глубоко в схемотехнику мы, конечно, погружаться не будем, но постараемся разобраться в базовых понятиях.

 

Сохранить и прочитать потом —

История

Радиолампы, как и другие электронные компоненты, имеют богатую историю, в ходе которой произошла заметная эволюция. Началось все в нулевых годах прошлого века, а закатом ламповой эры можно считать шестидесятые годы, когда свет увидела последняя фундаментальная разработка — миниатюрные радиолампы нувисторы, а транзисторы уже начали активно завоевывать рынок. Но из всей истории нас интересует лишь ключевые этапы, когда были созданы основные типы радиоламп и разработаны основные схемы их включения.

Первый в мире триод изобретателя Ли де Фореста, 1908 год
Первой разновидностью радиоламп, разработанной для создания усилителей, были триоды. Цифра 3 слышится в названии не случайно — именно столько активных выводов имеет триод. Принцип работы триода предельно прост. Между анодом и катодом лампы последовательно включаются источник питания и первичная обмотка выходного трансформатора (ко вторичной обмотке которого подключается акустика). Полезный сигнал подается на сетку лампы. При подаче напряжения в схему усилителя между катодом и анодом протекает поток электронов, а расположенная между ними сетка модулирует этот поток соответственно изменениям уровня входящего сигнала.

 

В ходе использования триодов в различных отраслях промышленности потребовалось улучшить их характеристики. Одной из таких характеристик была проходная емкость, величина которой ограничивала максимальную рабочую частоту лампы. В процессе решения этой проблемы появились тетроды — радиолампы, имеющие внутри не три, а четыре электрода. Четвертым стала экранирующая сетка, установленная между управляющей сеткой и анодом. Задачу повышения рабочей частоты это решало в полной мере, что вполне удовлетворило создателей технологии, разрабатывавших тетроды для того, чтобы радиостанции и радиоприемники работали в коротковолновом диапазоне, имеющим более высокие несущие частоты нежели средне- и длинноволновый.


Строение триода

С точки зрения качества воспроизведения звука тетрод не превзошел триод принципиально, поэтому другая группа ученых, озадаченная вопросами воспроизведения звуковых частот, усовершенствовала тетрод, используя, по сути, тот же подход — просто добавив в конструкцию лампы еще одну дополнительную сетку, располагающуюся между экранирующей сеткой и анодом. Это было необходимо для того, чтобы подавить динатронный эффект — обратную эмиссию электронов от анода к экранирующей сетке. Подключение дополнительной сетки к катоду препятствовало этому процессу, делая выходную характеристику лампы более линейной и повышая выходную мощность. Так появился новый тип ламп: пентод.

 

 

Как правильно развести земли входного сигнала и питания?

Ещё на стадии проектирования УНЧ, следует проанализировать все цепи на предмет протекания токов разных источников через одни и те же провода, экраны или дорожки печатной платы. Удобнее всего сделать это с помощью, так называемых эквивалентных схем. Не обязательно чертить эту схему, вполне достаточно держать её в голове во время проектирования.

 

Заменим общие проводники паразитными резисторами, а наводки, вызванные электромагнитными полями, конденсаторами.

На этой картинке Вы видите схему подключения двух независимых генераторов переменного тока к соответствующим нагрузкам. Эти две цепи имеют полную гальваническую развязку и проникновение сигнала одного генератора в нагрузку другого, возможно только посредством электромагнитных волн. Но, это вопрос экранирования и его мы рассмотрим в следующем параграфе.

На этой схеме показано подключение двух источников переменного тока к нагрузкам, с использованием общей шины. Необходимость в применении общей шины возникает из-за того, что входные цепи усилителей и цепи их питания связаны гальванически.

Кроме этого, общие шины могут использоваться для экономии провода или для упрощения разводки печатных плат. Хотя, в некоторых случаях, например, при проектировании печатных плат импульсных или ВЧ устройств, причины бывают и иные.

А вот это уже упрощённая эквивалентная схема, на которой видно, что при использовании общей шины, ток обоих генераторов течёт через паразитный резистор R3. И хотя сопротивление этого резистора ничтожно по сравнению с сопротивлением нагрузок генераторов, законы Кирхгофа продолжают действовать и здесь.

Давайте предположим, что работает только генератор G1 и генерирует некоторый ток в нагрузке R1. Этот ток, протекая по общей шине, имеющей некоторое, пусть даже незначительное сопротивление, которое мы условно обозначим R3, создаст падение напряжения на этой самой шине. Это напряжение приложится через внутреннее сопротивление генератора G2 к нагрузке R2 и через последнюю потечёт некоторый ток помехи. Таким образом, помеха от генератора G1 может попасть в нагрузку R2.

Чем это нам грозит?

Напряжение шумов на линейном входе усилителя может составлять доли микровольта, тогда как величина пульсаций в цепях нестабилизированного источника питания может достигать десятых долей вольта. Если при этом иметь виду, что входное сопротивление линейного входа УНЧ составляет десятки килоом, то становится понятно, как эти пульсации могут проникнуть во входные цепи усилителя, если общие шины разведены без оглядки на подобную эквивалентную схему.

 

Предположим, мы собираем усилитель сигнала по приведённой схеме.

Если мы подключим соединительные провода так, как показано на схеме выше, то получим вот такую картинку. Как видите, при таком подключении, на общей шине появился участок, через который будет течь не только ток входного сигнала, но и ток от источника питания.

Чтобы исправить это безобразие, перенесём точку соединения общих проводов блока питания и входного сигнала поз.1 как можно ближе к схеме усилителя, чтобы снизить влияние помехи. Конечно, этих же принципов придётся придерживаться и при проектировании печатной платы.

Принцип работы

Все вышеупомянутые типы ламп в том или ином виде нашли применение в аудиотехнике. При этом пытливые умы аудиоинженеров постоянно искали пути наиболее эффективного их использования. Довольно быстро они пришли к выводу, что место включения экранирующей сетки пентода в схему усилителя — это инструмент, с помощью которого можно принципиально изменить режим его работы. При подключении сетки к катоду мы имеем классический пентодный режим, если же переключить сетку на анод — пентод начинает работать в режиме триода. Это позволяет объединить два типа усилителя в одном с возможностью смены режима с помощью простого переключателя.


Так работает тетрод

Но и этим дело не ограничилось. В 1951 году американские инженеры Дэвид Хафлер и Харберт Керос предложили подключать сетку пентода совершенно иным способом: к промежуточным отводам первичной обмотки выходного трансформатора. Такое подключение является чем-то средним между чистым триодным и чистым пентодным включением, давая возможность комбинировать свойства обоих режимов.

Таким образом, с режимами ламп произошла та же история, что и с классами усиления, когда вслед за «чистыми» классами А и В появился комбинированный класс АВ, сочетающий сильные стороны двух предыдущих.


Обозначение разных типов ламп по ГОСТу

 

В том, что касается сочетания режимов работы ламп и классов усиления, они могут комбинироваться произвольным образом, что приводит к изрядной путанице и даже жарким спорам в рядах неофитов. Не добавляет ясности и тот факт, что разработчики ламповых усилителей в большинстве случаев указывают не класс усилителя, а принцип схемотехники: однотактный — SE (Single Ended) или двухтактный — PP (Push-Pull). В итоге, пентоды и тетроды нередко ассоциируют исключительно с классом АВ и двухтактной схемой в целом, а триод, напротив, считают синонимом класса А и сугубо однотактного включения. На самом же деле, ни что не препятствует переключить усилитель, работающий в классе А, в пентодный или ультралинейный режим, а на паре триодов можно собрать двухтактный усилитель, работающий в классе В или АВ.

Предпосылкой к неверным ассоциациям является частота использования тех или иных режимов в различных классах усиления. Триоды чаще используют в однотактных схемах и классе А. В свою очередь, пентоды и тетроды лучше подходят для работы в двухтактных схемах, хотя переключение их в триодный режим — реальная опция, встречающаяся на усилителях, работающих в классе АВ, и не имеющая ровным счетом никакого отношения к классу А.

Узлы ламповых усилителей класса Hi-End

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).
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 сетка — 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 сеткой, расположенной между анодом и экранной сеткой. Защитная сетка, как правило, имеет нулевой потенциал, что препятствует попаданию вторичных электронов на экранную сетку.

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 все 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 триод-ном 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 (OK). В неё нагрузка включается в цепь анода (рис.1). В качестве R в таком кааскаде 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 RK и CK можно использовать фиксированное смещение, если вместо Ra включить стабилитрон. При этом, из-за высокого уровня шумов стабилитрона, надо использовать высококачественный С .

Недостатки каскада:

  • высокая входная емкость;
  • усиление, которое обеспечивает каскад ОК, всегда ниже паспортного коэффициента усиления лампы;
  • каскад требует применения высококачественного С значительной емкости (470-1000 мкФ).

Из каскада можно удалить конденсатор С . При этом произойдет увеличение выходного сопротивления каскада, т.е. его будет сложнее согласовывать как с нагрузкой, так и с последующим каскадом. Одновременно удаление Ск приведет к снижению КНИ каскада, так как при этом в каскаде образуется местная обратная связь по току. 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 5-1RK.

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 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 внутриламповая 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 стоками управляющей сетки. В этом случае КНИ выходного каскада будет меньше, чем при использовании схемы, в которой входной сигнал драйвера подается 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 ОК, 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 Rа и Rк .

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 фазоинверсного 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;

Каскад с динамической нагрузкой

Его ещё называют µ-повторитель (рис.8). Название каскада связано с тем, что его коэффициент усиления практически равен паспортному коэффициенту усиления µ 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 \/1_2 и подогревателем.

Каскад с катодной связью

Этот каскад (рис.9), 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

В зарубежной литературе по аудиотехнике такой каскад (рис. 10) 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 \/L2;
  • 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 . Она была рассчитана на прием широковещательных станций в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. Воспроизведение звука могло быть стереофоническим 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… 15000 Гц.
  2. Номинальная выходная электрическая мощность УМЗЧ — 2 Вт, максимальная неискаженная -3,5 Вт.
  3. Регулировка тембра НЧ, ВЧ — в пределах 14…18 дБ.
  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 к трансформатору TP 1 через конденсатор С10.

В усилителе НЧ (рис.11) используются два каскада на двойном триоде 6Н1П. Регулировка громкости осуществляется тонкомпенсирован-ным регулятором R1. Для регулировки тембра НЧ используется частотно-зависимый 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 конденсатора С5 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•R». 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 Р4) должно быть: 160+408=568 В.

Аналогично обстоит дело и с каскадом на Л 2. 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 355 В. Для обеспечения оптимального режима работы обоих триодов \/L1.1 и VL1.2 желательно чтобы это напряжение делилось между ними поровну, т.е. анодное напряжение каждого триода составит 177,5 В при заданном Uсм = -3 В ток анода составит 9 мА (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•RЗ.

Ещё один вариант предварительного усилителя, с большим коэффициентом усиления (около 35), показан на рис.14. В нём разделена нагрузка в цепи анода \/L1.1, т.е. нагрузкой по переменному току для \/L1.1 является не только триод \/L1.2, но и резистор R5.

 


При этом падение напряжения на резисторе Р6 используется как напряжение смещения для \/L1.2, 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 = 100 В, Uсм = -3 В ток анода \/L1.1 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 UС0, І0, µ, S, Ri, Ra, 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= UА0.
  2. По анодным характеристикам лампы (рис.15) задаются:
      максимальный ток анода IAМАКС — он определяется для режима UC=0. Как правило, этому току соответствует напряжение UA=(0,1…0,25)UA0;
  3. минимальныйтоканода IА МИН=0,1·IAМАКС. При этом напряжение на управляющей сетке, соответствующее IAМИН, будет максимальным отрицательным значением этого напряжения – UС МАКС.

  4. Постоянное отрицательное напряжение на сетке составит: UC0 = UC МАКС/2,т.е. рабочая точка на ВАХ выбирается на пересечении кривой для UC = UC0 и вертикальной линии для UA0 (точка «0» 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 UC0.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.
  5. Проверяется, что в выбранной рабочей точке максимальная мощность, рассеиваемая на аноде, не превышает допустимую:

РА ДОП = UA0·IA0,

где:

 

РА ДОП — максимально допустимая мощность рассеивания на аноде лампы данного типа;

UA0 — анодное напряжение в рабочей точке [В];

IA0 — анодный ток в рабочей точке [А].

Автор: Андрей Семёнов, г. Киев

Источник: Радиоаматор №1, 2 2015

Особенности

С точки зрения качества и характера звучания каждый тип ламп и каждый режим включения имеет свои особенности, настолько очевидные на слух, что даже ультралинейный режим, по факту, не стал золотой серединой. Триоды в чистом виде и триодное включение пентодов обеспечивают наиболее чистый и объемный звук до тех пор, пока дело не дойдет до энергичной музыки с быстрыми и значительными по амплитуде перепадами громкости. Иными словами — для спокойного джаза триоды подходят куда лучше, чем для прослушивания рока.

Пентодный и ультралинейный режимы, напротив, больше подходят для энергичной музыки, но в ряде случаев звучат недостаточно чисто, точно и детально. Особенно часто эти претензии относятся к пентодному режиму, а в целом характер звучания и пентодного, и ультралинейного режимов нередко сравнивают с транзисторными усилителями.

Гармонические искажения

Любой усилитель вносит в сигнал некоторые дополнения, которые имеют частоту кратную к частоте основного сигнала. Эти дополнения называют гармониками, а относительная величина этих дополнений определяется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ или THD). Если у транзисторного усилителя при 1/10 от максимальной мощности величина КНИ имеет порядок от 0,002 до 0,06%, то для типичного лампового усилителя этот показатель от 0,1 до 0,5%. При этом в диапазоне комфортной громкости величина КНИ меняется, скажем, от 0,02 до 0,35%. Поэтому спектр музыкального сигнала как бы «дышит» в зависимости от громкости, и благодаря этой особенности «лампы» те же инструменты звучат как бы богаче. Правда, гармоники высших порядков попутно ухудшают передачу верхних звуковых частот, но в хорошем ламповом усилителе уровень высших гармоник, как правило, намного ниже. Тогда как в транзисторных усилителях избавиться от них бывает очень непросто. У однотактных усилителей трансформатор устроен не совсем так, как у двухтактных, а потому и спектр гармоник у него иной, чётные составляющие чаще всего больше по амплитуде, чем нечётные. Этим обусловлен особый «тёплый» характер звучания таких усилителей. Можно (и не без оснований) возразить, что такого рода украшательство является искусственным, оно как бы наносит «макияж», за которым трудно рассмотреть живой звук. Ну, правильно подобранный макияж лишь подчёркивает природную красоту «объекта». А при первичной записи музыки микрофон убирает часть гармоник ещё «в воздухе». И потом, запись, это продукт, созданный трудом звукорежиссёра, и «живой» звук именно в такой форме, как мы слышим, никогда не существовал. И, кстати, звукорежиссёры очень часто используют «гармонайзер», который делает, как раз, то же, что и ламповый усилитель.

 


Luxman sq-n100 в работе

Практика

Ламповая схемотехника — дело тонкое, поэтому большинство производителей упражняются в совершенствовании какого-то одного сочетания режима работы ламп и класса усиления. Стремление разработчиков получать идеальный (согласно их представлениям) звук и следующий за этим отказ от любых альтернативных способов включения ламп вполне понятны, но при поиске испытуемого наша задача состояла как раз в обратном: иметь возможность сравнить один и тот же набор ламп как минимум в двух вариантах включения.

Это существенно сократило выбор кандидатов, однако, подходящий вариант был найден. Им стал Cayin CS-100A — аппарат, буквально созданный для разного рода экспериментов. Его конструкция допускает использование выходных ламп двух типов: тетродов KT88 и пентодов EL34. При этом есть возможность выбора между триодным и ультралинейным режимом с выходной мощностью 50 или 80 Вт на канал, соответственно. При этом схемотехника усилителя в обоих случаях двухтактная, и работает он в классе АВ.

Кроме прочего, Cayin CS-100A является хорошим примером современной реализации традиционного лампового усилителя. Он имеет классическую компоновку со съемной решеткой закрывающей лампы, несет на борту выходные трансформаторы солидных размеров, обеспечивающие не только достаточную мощность, но и широкий диапазон воспроизводимых частот. Комплектующие соответствуют современным требованиям качества: в усилителе применяются угольные резисторы, аудиофильские конденсаторы, тороидальный трансформатор питания и проводка серебряным кабелем. Монтаж при этом реализован навесным способом — так же, как это делали более полувека назад. Это является не столько данью истории, сколько способом сокращения путей сигнала. В целом, Cayin CS-100A — это аппарат, в полной мере попадающий под определение лампового High End.

От теории к практике

Схему пришлось собирать на AD823. Неплохой операционник, не капризный в работе. Но не слишком быстрый (максимальная скорость нарастания выходного сигнала около 22 В/мкс). Попытка заказать AD8066 (180 В/мкс) на Али закончилась плачевно. Просто потерял 430 рублей. Прислали по ощущениям бракованную партию (5 шт.). ОУ работал в целом, но при переключении входного делителя, даже при закороченном входе, уровень постоянного напряжения на выходе ОУ значительно изменялся. Да и крутизна фронтов (точнее ее отсутствие) наводили на мысли о перемаркировке. Т.е. использовать данные ОУ возможности и желания нет. Возможно вам повезет больше и вы сможете найти не бракованные микросхемы.

Если это будут AD8066, то в схеме изменения совсем невелики и печатку можно использовать ту же. Зато с ним даже на частоте 1 МГц меандр будет выглядеть лучше, чем с AD823 на 400 кГц.

Настройку проводил на частоте 100 кГц. Построенный по данной схеме входной блок на AD823 сможет вполне адекватно отображать синусоидальный сигнал до 1 мегагерца. Дальше начинает потихоньку снижаться амплитуда.

По меандру верхней приемлемой границей считаю 500 кГц. Вот так это выглядит:

Это все условно, конечно. Объективно становится проблематичным различить синусоиду, треугольник и меандр на частоте около 700 – 750 кГц. Но это тоже условный параметр.

На частоте 100 кГц сигнал выглядит так:

Для AD823, по моему мнению, неплохой результат. Но опять же, я не поручусь за форму сигнала использованного мной генератора. Не исключено, что сам ослик рисует лучше, с меньшими скруглениями на углах. Что делать, получить меандр с крутыми фронтами на достаточно высоких частотах не столь просто, а профессионального генератора у меня нет.

Если вы желаете расширить диапазон по частоте, вам придется снижать усиление. Т.е. изменится величина минимального сигнала, который вы сможете рассмотреть на своем осциллографе. Ну либо ищите операционник побыстрее.

В железе (в прямом смысле слова) это все счастье выглядит вот так:

И вот так:

Да, сделал плату автономным блоком. Сам входной блок подключается всего четырьмя проводами. Плюс и минус питания, земля и выход. Ну и заодно пихнул наверх панель кнопок управления. Еще 6 проводов.

Под отверстиями подстроечные СМД конденсаторы. Применил их двух номиналов: 10 и 30 пФ. Обойтись одним номиналом трудно, т.к. у них есть такой параметр, как «минимальная емкость». Скажем на моих, которые 10 пФ, меньше 1,5 – 2 пФ установить не получится. У 30 пикофарадных эта величина еще больше.

Звук

Когда речь идет о High End-компонентах, особенно ламповых, не всегда удается четко провести грань между «усилитель не справился» и «так и было задумано». В конце концов, аудиоинженер в мире High End — это тоже в некотором роде художник и он имеет право на свое собственное представление о том, как должна звучать система. Избежать такого рода недоразумений помогло использование в процессе тестирования двух пар акустических систем, обладающих принципиально разными характеристиками. Специфические признаки недостатка мощности и роста искажений можно было заметить на тяжелой нагрузке и на громкости выше средней, что в общем соответствует заявленным характеристикам. С крупными полочниками или напольниками средних размеров со столь же среднестатистическими параметрами мощности, импеданса и чувствительности Cayin CS-100A вполне справится.

В триодном режиме усилитель выдает красивое, тембрально насыщенное звучание с богатым верхним и средним басом. Лучше всего звучала спокойная медленная музыка, вокал, аудиофильский джаз, камерная классика малых составов. Вполне можно было получить удовольствие от ранних Beatles и Led Zeppelin. При этом попытки послушать современный рок и металл не увенчались успехом. Звучание гитар было очень густое, тягучее, округлое и не особенно агрессивное. Самый злющий металл подавался так, словно его записывали в начале семидесятых.

Переключение в ультралинейный режим производится одним нажатием кнопки и меняет картину полностью: рок, металл, танцевальная электроника сбрасывают налет винтажности и начинают звучать не менее энергично, чем на транзисторных усилителях, работающих в классе АВ. В характере остается некоторая теплота и приятная округлость басовых нот, но в весьма умеренных количествах. На медленной музыке и малых составах ультралинейный режим не столь красив и выразителен, как триодный, музыка подается более спокойно и ровно.

От admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *