Внимание! Осенью запланирован запуск нового курса, посвящённого поверхностному монтажу печатных узлов. Поддержать новый курс можно на странице «О сайте» (в конце). Ознакомиться с предыдущим курсом можно тут (Visual Analyser — Измерительный комплекс на базе ПК).

УНЧ с прямонакальным выходом

Добрый день, уважаемые читатели. В предыдущих статьях я рассказывал Вам о том, как я строил свой первый ламповый усилитель, проводил с ним эксперименты, испытывал лампы в нестандартном применении на «вкус», а так же экспериментировал с трансформаторами ТАН в качестве выходных ( 1, 2, 3 )… В результате работы был получен большой багаж опыта в области построения ламповых усилителей. На основе полученного опыта хочу поделиться с Вами схемой качественного усилителя с прямонакальными лампами на выходе. Но, начнём по порядку…Принципиальная схема усилителя приведена на рисунке ниже. Рассмотрим её подробнее.

Схема электрическая принципиальная усилителя

Сигнал с выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R1 поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора. Данный фазоинвертор построен по классической схеме и представляет собой, по сути, 2 независимых резистивных каскада ОК (благодаря наличию катодного конденсатора С6), выполненных на двойном триоде с высоким коэффициентом усиления Ла1 [1]. Не будем рассматривать принцип работы данного фазоинвертора подробно т.к. это делалось мной в ранних экспериментальных конструкциях и другими авторами он так же рассматривался [2,3].

С выхода предварительного усилителя, через разделительные конденсаторы С7, С9, усиленный сигнал поступает на вход промежуточного каскада – усилителя тока. В качестве усилителя тока применён катодный повторитель (по 1 повторителю на каждое плечо усилителя), выполненный на двойном триоде Ла2 [4]. Катодный повторитель был использован по 2 причинам:

— Ток покоя лампы Ла1 низок, вследствие чего данный каскад не способен напрямую раскачать выходной каскад на радиолампах Ла3, Ла4 (фильтр, образованный разделительным конденсатором и резистором утечки + входную ёмкость выходной лампы с учётом эффекта Миллера).

— Катодный повторитель имеет высокое входное сопротивление, поэтому предварительный усилитель-фазоинвертор не перегружается, не происходит ограничения амплитуды сигнала на выходе и, соответственно, не появляется дополнительных нелинейных искажений на выходе каскада. Кроме того катодный повторитель имеет относительно низкое выходное сопротивление, поэтому с лёгкостью раскачивает выходной каскад, исключая появление нелинейных искажений, правда уже в выходном каскаде. Низкое выходное сопротивление так же позволяет сделать глубокую ООС в выходном каскаде, не боясь упереться всё в тоже ограничение амплитуды сигнала, от протекания дополнительной постоянной составляющей через резисторы ООС.

Коэффициент усиления катодного повторителя чуть меньше единицы, благодаря глубокой ООС с выхода на вход каскада, организованной через резисторы утечки R11, R14. Но несмотря на данный «недостаток» он обладает прекрасными частотными свойствами [3].

С выхода промежуточного каскада, усиленный по току сигнал, через разделительные конденсаторы С10, С11 поступает на вход выходного каскада, выполненного на прямонакальных лучевых тетродах Ла3, Ла4 [5]. Выходной каскад выполнен по тетродной схеме с фиксированным смещением. Тетродный режим ламп задаётся резистором R24 и конденсатором С14, для лампы Ла3; резистором R25 и конденсатором С15, для лампы Ла4. Напряжение смещения на сетки ламп выходного каскада подаётся от дополнительного источника отрицательного напряжения (желательно стабилизированного и хорошо сглаженного), через переменные резисторы R17, R18 и резисторы утечки R20, R21.

Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой.

Так как лампы Ла3, Ла4 имеют средний вывод катода (накала) и являются прямонакальными было решено включить данные лампы нестандартно, а именно:

— отвод от центра катода (накала) был заземлён для протекания тока.

— на края, относительно центра был организован делитель напряжения, образованный резисторами R22, R23 и конденсаторами С12, С13. Это сделано для выравнивания потенциала вдоль катода (накала) выходных ламп т.к. половинки катода (накала) могут незначительно отличаться. Кроме того данная мера эффективно подавляет фон переменного тока, проникающего через цепи катода (накала) и проявляющегося сильным гудом в прямонакальных лампах при плохой фильтрации напряжения накала.

Резисторы R17, R19 – резисторы ООС выходного каскада.

Резистор R10, конденсаторы С2, С3 – дополнительный фильтр напряжения питания предварительного усилителя.

Конденсаторы С8, С16 – дополнительный емкостной фильтр напряжения питания усилителя. Данные конденсаторы следует установить как можно ближе к точке подсоединения «+» источника питания к выходному трансформатору.

В качестве катодного конденсатора С6 использован аудиоконденсатор nichicon серии ES [9].

Остальные использованные детали указаны на схеме.

Налаживание усилителя не представляет сложности. Перед включением усилителя, резисторы R17, R18 нужно выставить в положение максимального отрицательного напряжения. Далее нужно включить усилитель и дать ему прогреться 5-10 минут. После прогрева усилителя, катодным резистором R9 нужно выставить на одном из анодов лампы Ла1 напряжение равное 160 Вольт. При этом разность напряжений между анодами лампы не должно превышать 5-8%. Если разность напряжений между анодами превышает это значение, то необходимо подобрать другую лампу Ла1, по меньшему разбросу параметров половинок лампы.

После настройки предварительного усилителя переходим к настройке усилителя тока. Для этого резисторами R12, R15 нужно выставить на катодах лампы Ла2 напряжение равное 140 Вольт.

Для настройки выходного каскада нужно попеременной подстройкой резисторов R17, R18 выставить токи анодов ламп Ла3, Ла4 выходного каскада равные 20 мА. На этом настройку по постоянному току можно считать законченной.

Переходим к настройке по переменному току. Настройку по переменному току можно выполнить несколькими способами:

— На слух. Для этого вращением движка переменного резистора R5 нужно добиться такого его положения, при котором при максимальной выходной мощности усилителя искажения будут минимальными (такой метод настройки применять не рекомендуется).

— По осциллографу. Для настройки по осциллографу к выходу усилителя нужно подключить эквивалент нагрузки – резистор сопротивлением 4 Ом и мощностью 15-25 Вт. Выставить резистор R5 в среднее положение. После этого подать на вход синусоидальный сигнал частотой 1 кГц. Увеличивая уровень сигнала на входе добиться выходной мощности усилителя равной 6 Вт. Далее подстройкой резистора R5 выставить равенство амплитуд отрицательной и положительной полу-волн сигнала на эквиваленте нагрузки. Это будет соответствовать минимуму чётных гармоник на выходе. На этом настройку можно считать законченной (данный метод настройки приемлем, но по осциллограмме часто не виден уровень искажений вплоть до 3-5%).

— По спектроанализатору. Настройка производится аналогично предыдущему методу, но подстройкой резистора R5 добиваются минимума 2 гармоники на выходе (данный метод настройки наиболее предпочтителен).

При настройке усилителя в качестве генератора и анализатора спектра можно воспользоваться звуковой картой компьютера и программным комплексом Visual analyser [6]. Подробное описание по работе с программой и её функций на английском языке есть в комплекте поставки вместе с программой [7]. Русское руководство можно найти в [8].

После сборки, настройки и прослушивания усилителя мной был проведён обмер данного усилителя на ПК при помощи программного комплекса Visual analyser. Перед замерами параметров усилителя был произведён замер параметров звуковой карты ПК. В качестве входа использовался линейный вход звуковой карты.

На фото ниже представлена АЧХ звуковой карты ПК при входном напряжении равным 1В.

АЧХ на выходе звуковой карты при проведении измерений

Т.к. мной использовалась методика измерения АЧХ, описанная в [7,8] , то при проведении более точной линии АЧХ следует в замерах пользоваться методом наименьших квадратов [10] т.е. применить усреднение.

На фото ниже представлен спектр сигнала на выходе звуковой карты, при подаче на линейный вход максимальной амплитуды, при которой не наступает ограничения сигнала, равной 1.4 В (действующее значение равно 1 В).

Спектр сигнала на выходе звуковой карты при проведении измерений

По фото видно, что собственный уровень нелинейных искажений сравнительно низок и составляет 0.0024%, а уровень самой высокой гармоники, 5-ой, равен -95 дБ.

На фото далее представлен спектр сигнала на выходе при подаче на линейный вход звуковой карты сигнала равного 707 мВ (500 мВ действующего значения).

Спектр сигнала на выходе звуковой карты при проведении измерений

При этом уровень нелинейных искажений на выходе составляет 0.0037%. Уровень самой высокой гармоники, 3-ей, равен -100.88 дБ.

По приведённым характеристикам можно сделать вывод, что данная звуковая карта подходит для измерения частотных характеристик усилителей в полосе от 20 Гц до 20-22 кГц и отлично подходит для измерения спектров сигнала на выходе.

После замера параметров звуковой карты ПК был проведён обмер параметров усилителя на эквиваленте нагрузки – резисторе 4 Ом.

На фото далее представлена АЧХ усилителя при выходной мощности равной 6 Вт.

АЧХ на выходе усилителя при проведении измерений

По фото видно, что полоса усилителя по уровню -3 дБ составляет от 25 Гц до 20 кГц. Замерить АЧХ в большую сторону не позволяют параметры самой звуковой карты.

На фото далее представлен спектр сигнала на выходе при выходной мощности равной 6 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя при проведении измерений

Суммарный коэффициент гармоник равен 0.53%. Уровень третьей гармоники равен -45.4 дБ.

На фото ниже представлен спектр сигнала на выходе при выходной мощности равной 3 Вт.

Спектр сигнала на выходе при проведении измерений

Суммарный коэффициент гармоник равен 0.44%. Уровень третьей гармоники равен -48.4 дБ.

По результатам замеров можно сделать вывод, что данный усилитель имеет сравнительно неплохие параметры.

Выходная мощность усилителя равна 6 Вт.

В качестве акустики для прослушивания была использована псевдо-стерео система 25АС-109-2. Данная акустика является 8 Омной. Для получения 4 Ом колонки включаются синфазно и параллельно. Усилитель звучит чисто, не слышно посторонних хрипов и призвуков, обладает глубоким басом и чистыми верхами.

В подборке фото ниже представлено несколько фотографий с испытаний усилителя. Для питания данного варианта усилителя (как и многих других) мной был использован макет универсального БП (кто бы его собрал в корпус ещё теперь).

На видео ниже показана работа макета данного усилителя при проведении испытаний. Не стоит судить о качестве воспроизведения по данной видеозаписи т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством плюс свою негативную лепту вносит акустика комнаты и шум с улицы (окна выходят на одну из центральных улиц города). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.

На этом на сегодня всё. С уважением, Андрей Савченко, г. Омск.

Список использованной литературы

1. Параметры 6Н2П

2. Н. Трошкин. Фазоинверторы, журнал Class A, Апрель 1997 г, стр. 16-21.

3. Морган Джонс. Ламповые усилители. Издательский дом: ДМК-пресс, 2007с, 760 стр.

4. Параметры 6Н23П

5. Параметры 6П21С

6. Официальный сайт Visual analyser

7. Пакет сопроводительной документации автора ПО.

8. Visual Analyser — Измерительный комплекс на базе ПК

9. Параметры конденсаторов nichicon

10. Метод наименьших квадратов

Обновление от 25.07.2020:

Во-первых, работу данного усилителя можно значительно улучшить, если увеличить напряжение питания усилителя минимум до 400 Вольт (а лучше до 450-500 Вольт). При этом необходимо пропорционально увеличению напряжения увеличить сопротивление резисторов R3, R7, R13, R16. При этом вторые сетки радиоламп выходного каскада Ла3, Ла4 необходимо запитать от выпрямленного и хорошо сглаженного (а лучше стабилизированного) источника питания напряжением 250-270 вольт. При подаче напряжения питания равного 450-500 вольт в выходном трансформаторе необходимо изменить коммутацию обмоток —  для каждой анодной обмотки необходимо соединить: одну обмотку напряжением 110 вольт, 2 обмотки напряжением 28 вольт и 1 обмотку напряжением 6.3 вольта. В качестве выходной обмотки для подключения акустической системы необходимо использовать соединённые параллельно 2 обмотки напряжением 5 вольт. В качестве выходного трансформатора рекомендуется применять трансформатор ТАН-69 с соединёнными обмотками 110 вольт и всеми остальными накрест т.е. 110 вольт берется на одном стержне, а все остальные на другом.

Во-вторых, коэффициент нелинейных искажений можно значительно уменьшить, если ввести в усилитель общую отрицательную обратную связь небольшой глубины с выхода усилителя. Для этого необходимо исключить из схемы конденсатор С6, а резистор R9 необходимо разделить на 2 резистора с сопротивлением примерно в 2 раза выше. При этом катоды половинок лампы Ла1 соединять не нужно (т.е. у каждой половинки лампы будет свой катодный резистор). После этого со вторичной обмотки трансформатора в катод левой (по схеме) половинки лампы необходимо завести резистор ООС. Сопротивление резистора будет лежать примерно в области 6.8-15 кОм. Более точно сопротивление резистора определяется при настройке. Остальная настройка усилителя при этом остаётся такой же.

Таким образом применение данных двух мер позволит уменьшить коэффициент нелинейных искажений усилителя, увеличить выходную мощность усилителя, а так же уменьшить выходное сопротивление усилителя (и сделать его более равномерным во всей полосе частот усилителя).

В-третьих, для значительного уменьшения уровня фона переменного тока на выходе усилителя рекомендуется питание радиоламп выходного каскада осуществить от отдельного выпрямленного, хорошо сглаженного стабилизированного (компенсационным стабилизатором) источника питания.  Напряжение смещения радиоламп выходного каскада так же рекомендуется стабилизировать компенсационным стабилизатором (т.к. он обладает достаточно высоким коэффициентом сглаживания). 

В-четвёртых, часто встречается рекомендация стабилизировать всё или не стабилизировать ничего. Предполагается, если напряжения стабилизированы частично, то при изменении напряжения сети режимы работы ламп будут разбегаться сильнее, чем при отсутствии стабилизации вообще. Данная рекомендация не имеет под собой особых оснований при применении в выходном каскаде тетродов или пентодов. Это напрямую связано с формой ВАХ тетродов и пентодов. Взгляните на ВАХ 6П21С! При изменении анодного напряжения с 300 вольт до 400 вольт при напряжении на первой сетке -20 вольт и напряжении на второй сетке 250 вольт ток анода изменяется всего на 4-5 мА. А изменение напряжения второй сетки на 50 вольт при напряжении на аноде 400 вольт и напряжении на первой сетке -20 вольт приводит к изменению тока анода примерно на 25 мА. Думаю не стоит говорить, что происходит при изменении напряжения смещения на единицы или десятки вольт (достаточно вспомнить как управляется лампа, что такое напряжение «раскачки», снова посмотреть на предложенные ВАХ и вспомнить что такое крутизна характеристики)? Думаю теперь стало понятно почему данная рекомендация не имеет под собой основы.