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).

Усилитель на ТАН. Часть 2

Добрый день, уважаемые читатели. В предыдущей статье Усилитель на ТАНах. Часть 1 я поделился своим опытом применения трансформаторов ТАН в однотактных конструкциях. В данной статье я хочу продолжить свои эксперименты и поделиться опытом применения ТАНов в двухтактных конструкциях. Итак, начнем…

Схема электрическая принципиальная усилителя на трансформаторах ТАН

Схема электрическая принципиальная усилителя представлена на фото выше.

Сигнал с выхода Вашего аудио устройства, через конденсатор С1 и антипаразитный резистор R1 поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора, выполненного на широкополосных триод-пентодах 6Ф12П [1]. Плечи данного фазоинвертора (ФИ) выполнены по схеме SRPP, а сам ФИ является усовершенствованным вариантом ФИ, приведённым в статье Н.Трошкина [2].

По своей сути данный фазоинвертор является дифференциальным усилителем, плечи которого нагружены на катодные повторители (SRPP). Дифференциальный усилитель (дифкаскад) состоит из 2 идентичных каскадов ОК (общий катод), выполненных на триодных половинках ламп Ла1, Ла2 с общим не зашунтированным катодным резистором R3. Если на сетки такого каскада подать равные по амплитуде, но противофазные напряжения, то и переменные составляющие анодных токов, протекающие через общий не зашунтированный катодный резистор R3, будут равны по модулю, но противоположны по фазе. Поэтому падения напряжений, вызываемые этими токами на резисторе R3 взаимно уничтожатся. Таким образом, несмотря на не зашунтированный резистор R3 для противофазных напряжений, плечи дифкаскада не охвачены ООС и усиливают сигнал.

Если же на сетки подать равные по амплитуде, но синфазные напряжения, то переменные составляющие анодных токов плеч так же будут синфазными и создадут на катодном резисторе R3 падение напряжения сигнала. Появится ООС и усиление каскада для синфазных напряжений уменьшится (в идеале до 0).

Таким образом, данный ФИ обладает свойством подавлять синфазные сигналы [2].

Если вернуться к рассмотрению приведённой схемы усилителя, то противофазные сигналы получаются следующим образом:

— Сигнал поступающий на вход предварительного усилителя-фазоинвертора усиливается триодом Ла1.1 и инвертируется. Таким образом на выходе мы получаем 1 сигнал, противофазный входному.

— Часть инвертированного сигнала снимается с делителя R8, R9 и поступает через конденсатор C3 на вход второго плеча ФИ, где усиливается и инвертируется повторно триодом Ла2.1. На выходе получаем 2 сигнал, синфазный входному.

Применение в качестве динамической нагрузки пентодных половинок ламп Ла1.2. Ла2.2 позволило получить от каскада максимальное усиление.

Пентодный режим половинки Ла1.2 задается резистором R7 и конденсатором C2, а половинки Ла2.1 резистором R13 и конденсатором С4. Резисторы R6, R12 – антипаразитные.

Работу самого SRPP каскада рассматривать подробно не будем, так как это уже неоднократно делалось в моих предыдущих статьях и множестве других источников [например 3].

С выхода предварительного усилителя-фазоинвертора усиленный сигнал поступает на вход двухтактного выходного каскада, выполненного на проходных триодах 6С19П [4]. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой.

Выходной каскад выполнен по схеме с полуавтоматическим (комбинированным) смещением и комбинированной ООС.

Полуавтоматическое (комбинированное) смещение создается падением напряжения на катодных резисторах R15, R16 + подачей недостающего отрицательного напряжения на сетку от дополнительного источника отрицательного напряжения через резисторы R18, R19.

Комбинированная же ООС состоит из 2 петель:

1 петля ООС – это катодные обмотки (15-16, 18-17) трансформатора Tr1.

2 петля ООС создаётся межанодными резисторами R14, R17.

В качестве источника питания использован неоднократно описанный мной ранее источник питания с небольшой модернизацией. Нововведением данного БП стало введение дополнительного источника отрицательного напряжения. Рассмотрим его подробнее:

С обмотки IV трансформатора Tr2 переменное напряжение поступает на вход удвоителя напряжения, выполненного на диодах VD3, VD4 и конденсаторах С18, С19. Далее удвоенное напряжение поступает на параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на резисторе R22, газоразрядном стабилитроне СГ15П-2 и сглаживающем конденсаторе С20. С выхода данного стабилизатора и снимается отрицательное напряжение смещения выходного каскада.

Все использованные детали указаны на схеме. Остановимся только на трансформаторе Tr2. В качестве трансформатора Tr2 подойдёт любой трансформатор с напряжение вторичной обмотки (II) 230-250 вольт, током не менее 0,5 А; напряжением вторичной обмотки (III) 6,3-7 вольт, током не менее 3-3,5 А; напряжением вторичной обмотки (IV) 85-100 вольт, током не менее 50 мА.

В качестве конденсаторов С6, С7 использованы конденсаторы epcos серии B41858 [5].

Кроме того, если у Вас имеется обмотка трансформатора напряжением 240-300 Вольт, током не менее 30-50 мА, то из схемы удвоитель напряжения VD3, VD4, C18, C19 можно исключить, заменив его на мостовой выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром.

Настройка схемы очень проста. При отсоединённом усилителе резистором R22 нужно выставить ток через газовый стабилитрон равный 15 мА. Затем подключить усилитель к источнику питания, предварительно выставив резисторами R20, R21 максимальное отрицательное смещение.

Далее резистором R3 нужно выставить необходимые напряжения в контрольных точках А и В. Это делается следующим образом:

— резистором R3 выставляется половина напряжения питания в одном из плеч ФИ. После этого вычисляется разность напряжений между точками А и В…

— далее резистором R3 выставляется напряжение в точках А и В так, что бы в одном плече была половина напряжения питания плюс половина разности напряжений между точками А и В, а в другом, соответственно будет половина напряжения питания минус половина разности напряжений между точками А и В. На этом настройку ФИ можно считать законченной.

Если разница напряжений между точками А и В не превышает 5% от половины напряжения питания, то настройку ФИ можно упростить, для этого нужно лишь выставить половину напряжения питания в точке А или В ФИ.

После настройки ФИ переходим к настройке выходного каскада. Для этого попеременной подстройкой резисторами R18, R19 нужно выставить токи анодов выходных ламп Ла3, Ла4 равными 20 мА.

На этом настройку усилителя можно считать законченной.

Применение в усилителе проходных триодов с низким внутренним сопротивлением облегчает изготовление выходного трансформатора т.к. требуется значительно более низкое значение оптимального приведённого сопротивления нагрузки, а следовательно и минимальной индуктивности первичной обмотки. Таким образом значительно возрастает шанс подобрать в качестве выходного трансформатора какой-либо из серийно выпускаемых (ранее выпущенных) промышленностью трансформаторов. В качестве экспериментального трансформатора был выбран трансформатор ТАН-13-127/220-50.

АЧХ первого варианта усилителя представлено на фото ниже.

АЧХ усилителя

Как видно из фото, полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ составляет от 17.3 Герц до 15.24 кГц, что вполне приемлемо для начинающих конструкторов ламповых УНЧ, начинающих радиолюбителей, и большинства рядовых слушателей.

На фото далее представлен спектр выходного сигнала усилителя при выходной мощности усилителя равной 3 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

Спектр является классическим. Хочется заметить, что на фото маркером уровня неверно определено значение первой гармоники выходного сигнала, реальный её уровень находится около -0.2…-0.35 дБ.

Чувствительность усилителя равна 0.7 В действующего значения напряжения на входе.

Субъективно усилитель дает на выходе чёткий, не размазанный бас (немного приглушённый), ровную середину, верха немного приглушены так же, но чистые.

Выходную мощность данного усилителя можно увеличить. Для этого нужно запитать выходной каскад напряжением 150-200 вольт, а питание ФИ оставить тем же (или использовать удвоенное напряжение питания выходного каскада, что на практике реализуется очень просто).

При этом нужно пересчитать оптимальное значение приведённого сопротивления и, соответственно, коэффициента трансформации выходного трансформатора Tr1. При этом полоса пропускания усилителя расширится, что положительно отразится на качестве воспроизведения. Так же нужно более точно настроить ФИ, подобрать лампы ФИ и выходного каскада. При этом общий коэффициент гармоник упадёт.

Второй вариант усилителя отличается от первого применением в нём не самобалансирующегося фазоинвертора без обратной связи. Его схема электрическая принципиальная приведена на схеме ниже.

Схема электрическая принципиальная усилителя на трансформаторах ТАН

Из-за присутствия в катоде ФИ шунтирующего конденсатора С3 ООС через общий катодный резистор R3 отсутствует. Следовательно данный ФИ представляет из себя по сути 2 независимых каскада ОК, нагруженных на катодный повторитель (SRPP). Общее усиление ФИ, из-за отсутствия общей ООС так же выше.

Сигнал с выхода Вашего аудиоустройства через конденсатор С1 и антипаразитный резистор R1 поступает на вход первого каскада ОК. С его выхода снимается первый усиленный и инвертированный выходной сигнал, противофазный входному. Далее часть напряжения через конденсатор С22, резисторы R8, R11 поступает на вход второго каскада ОК, где так же усиливается и инвертируется. Таким образом на выходе 2 мы получаем усиленный и дважды инвертированный сигнал, синфазный входному [2].

Цепочка R9, C21 служит для выравнивания выходного импеданса плеч ФИ, но может сужать полосу. Данную цепочку можно безболезненно исключить из схемы.

В статье Н.Трошкина [2] отмечается, что данный ФИ обладает плохой симметрией выходного сигнала на высоких частотах, но данный недостаток частично компенсируется при применении SRPP варианта данного ФИ, что мной и было сделано.

Настройка данного ФИ так же проста. Для настройки по постоянному току можно поступить аналогично предыдущему варианту фазоинвертора, а можно в каждый катод триодов Ла1.1, Ла2.1 поставить свой резистор и зашунтировать его конденсатором. После этого в отдельности для точек А и В выставить половину напряжения питания данными резисторами. В данном случае не критично каким из методов будет настроен данный ФИ.

После настройки по постоянному току переходим к настройке по переменному току. Для этого вращением резистора R11 добиваемся минимальных искажений сигнала на выходе. В идеале настройку нужно производить по спектроанализатору по минимальному уровню 2 гармоники. На этом настройку можно считать законченной.

Все использованные детали указаны на схеме. В качестве конденсатора С3 использован конденсатор epcos серии B41858 [5].

АЧХ второго варианта усилителя представлено на фото ниже.

АЧХ усилителя

Как видно из фото, полоса пропускания данного усилителя по уровню -3 дБ составляет от 15 герц до 13.46 кГц.

На фото далее представлен спектр выходного сигнала усилителя при выходной мощности 3 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

Спектр является классическим, аналогично первому варианту усилителя. Следует отметить, что коэффициент гармоник данного усилителя значительно ниже предыдущего варианта, а спад уровней высших гармоник намного больше.

Чувствительность усилителя так же равна 0.7 В действующего значения напряжения на входе.

Субъективно усилитель дает на выходе чёткий, не размазанный бас (немного приглушённый), ровную середину, верха приглушены сильнее, чем в предыдущем усилителе, сказывается более узкая полоса пропускания… Вообще после идеальной балансировки по анализатору спектра звук стал слишком «правильным», больше похожим на транзисторный усилитель. В результате чего мной плечи ФИ были разбалансированы немного на слух, для внесения в звук, как говорят ламповики «ламповости» (лично мне так больше нравится звучание усилителя).

Выходную мощность данного усилителя можно повысить аналогично предыдущему варианту усилителя.

Для замера параметров усилителя в качестве эквивалента нагрузки использовался проволочный резистор сопротивлением 4 Ома.

В качестве акустической системы для прослушивания была использована акустика ВЕГА 25АС-109-2. Колонки подключаются синфазно и параллельно, т.е. суммарное сопротивление акустики равно 4 Омам. При прослушивании следует учитывать, что данная акустика является псевдо стерео системой и для неё критична расстановка каналов относительно друг друга и слушателя. При неправильной расстановке получить адекватные результаты практически невозможно.

Второй акустической системой для прослушивания усилителя стала акустическая система S-30 (4 Омная). Каналы данной акустической системы соединяются так же параллельно и синфазно + последовательно добавляется резистор 2 Ома. Для получения суммарного сопротивления равного 4 Омам.

Ниже представлено несколько фотографий с испытаний усилителя.

В подборке видео ниже показана работа усилителя при проведении испытаний.

На видео наглядно показано свечение ламп 6С19П в такт с музыкой. Свечение в реальности намного чётче и сильнее т.к. фотоаппарат обладает низкой чувствительностью и не фиксирует его в полной мере. Со звуком ситуация аналогичная т.к. микрофон не особо качественный, поэтому не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям.

P.S. Таким образом, я считаю, что в двухтактных конструкциях применение трансформаторов ТАН и им подобных вполне допустимо (особенно если нет возможности намотать качественный выходной трансформатор, а так же для начинающих радиолюбителей). Кроме того в выходном каскаде можно применить так называемый дифференциальный выходной трансформатор, описанный подробно Сергеем Комаровым (Например, журнал «Радио» № 4 за 2006 г) во многих источниках [6]. Это так же улучшит характеристики данных усилителей.

На этом на сегодня всё, до новых встреч. С уважением, Андрей Савченко, Ермолин Ринат.

Список использованной литературы

1) Параметры 6Ф12П

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

3) А. Фрунджян. Акробатика ламповых каскадов. – Class A, 1997, №2, стр. 20-23.

4) Параметры 6С19П

5) Параметры конденсаторов epcos серии B41858

6) Дифференциальный выходной трансформатор

Обновление от 19.07.2020:

Во-первых, в некоторых случаях при работе стабилизатора отрицательного напряжения смещения могут возникать незатухающие колебания на его выходе (стабилизатор превращается в релаксационный генератор). Это связано с достаточно большой ёмкостью на выходе параметрического стабилизатора. Для повышения стабильности работы (и предупреждения подобного развития событий) необходимо уменьшить ёмкость конденсатора С20 до 0.1-0.47 мкФ. Основная фильтрация напряжения питания в таком случае будет осуществляться конденсаторами удвоителя С18, С19 (либо конденсаторами после мостового выпрямителя, если будет использоваться он вместо удвоителя). Конденсатор С20, фактически, необходим только для уменьшения уровня шумов, создаваемых самим газоразрядным стабилитроном.

Во-вторых, для более качественного подавления синфазной составляющей фазоинвертором на основе дифференциального усилителя резистор R3 (в первой схеме) лучше заменить на источник тока с высоким внутренним сопротивлением. При этом, в качестве источника отрицательного напряжения для питания источника тока («подземного» питания) можно воспользоваться стабилизатором отрицательного напряжения смещения т.к. потребление тока фазоинвертором незначительно. При этом настройка фазоинвертора будет осуществляться установкой необходимого тока так, что бы выполнялись описанные в статье условия по соответствию напряжений в контрольных точках.

В-третьих, параметры усилителя можно несколько улучшить если с выхода усилителя в фазоинвертор завести ООС небольшой глубины, примерно 4-6 дБ. Представленная конструкция фазоинвертора не позволяет этого сделать, поэтому его необходимо модернизировать так, как показано на схеме в статье «Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 1» т.е. необходимо удалить из схемы резисторы R8, R9, R10, конденсатор С3. Резистор R11 необходимо уменьшить до 100-220 Ом. При этом сопротивление резистора ООС, подключаемого к выходной обмотке трансформатора будет ориентировочно в районе 2-10 кОм. Более точное значение сопротивления определяется при настройке усилителя. Второй конец выходной обмотки трансформатора при этом соединяется с общим проводом. К сожалению, применить балансировку усилителя, описанную в приведённой выше статье не получится т.к. в качестве нагрузки используются пентодные части радиолампы, включённые в качестве динамической нагрузки, имеющей различное сопротивление для постоянного и переменного тока.

В-четвёртых, параметры усилителя, представленного на второй схеме можно так же улучшить. Для этого необходимо общий катодный резистор R3 разделить на 2 отдельных резистора, сопротивлением, примерно в 2 раза выше (т.е. для каждой катодной цепи будет использоваться свой резистор. Катоды при этом вместе не соединяются). Конденсатор С3 из схемы исключается. Напряжение в контрольных точках плеч при этом выставляется катодными резисторами раздельно. Далее с выхода усилителя в катод левого (по схеме) плеча фазоинвертора заводится неглубокая ООС, равная 4-6 дБ. При этом сопротивление резистора ООС будет ориентировочно равно 2-10 кОм. При этом второй конец вторичной обмотки трансформатора соединяется с общим проводом. Вся остальная настройка производится так, как описано в основной статье.