Добрый день уважаемые читатели. В предыдущей статье «УНЧ с управлением по 2 сетке. Часть 1» я рассказывал Вам о том, как строил свой первый усилитель с управлением по 2 сетке и основной трудности, стоящей на пути получения хорошего качества воспроизведения. Сегодня я хотел бы продолжить рассказ о данном методе управления выходным каскадом. Перед тем как начать рассказ о втором варианте сконструированного усилителя сделаем небольшое отступление. Отступление будет касаться линейности лампового каскада, при осуществлении управления по 2 сетке и методике его проектирования.

Так как мной использовалась характеристика лампы, снятая для расчётного режима и построенная качественно и очень приближённо для пояснения принципов расчёта каскада и его параметров воспользуемся справочными параметрами для другой радиолампы, например 6П3С [1].

Первый вопрос касается непосредственно линейности самого каскада при различном управлении. Итак, рассмотрим семейство усреднённых характеристик тока анода от напряжения на аноде при разных напряжениях на 2 сетке

и семейство характеристик зависимости тока анода от напряжения на аноде при заданных фиксированных значениях смещения на 1 сетке.

Проведём вертикальный нагрузочные прямые (они соответствуют отсутствию нагрузки в аноде лампы) на характеристиках, соответствующих одинаковым напряжениям анода (прямые 1, 2, 3) для произвольных значений напряжений. По характеристикам наглядно видно, что приращение анодного тока, при изменении напряжения на 2 сетке значительно линейнее, чем при классическом управлении по 1 сетке, особенно в области больших токов.

Расчёт нагрузочной прямой данного каскада производится классическим графическим методом, но на семействе характеристик управления по 2 сетке. Но тут следует учесть, что характеристики управления по 2 сетке приведены для напряжения на первой сетке равного 0 Вольт и подходят далеко не для всех случаев.

Проектируя подобный каскад нужно решить несколько задач, в той или иной степени противоречащих друг другу:

1. Напряжение питания второй сетки нужно выбирать как можно ниже, что бы при меньшем напряжении на аноде драйвера получить наибольший (хотя бы минимально необходимый) размах напряжения управления и, как следствие номинальную выходную мощность – это с одной стороны.
   
2. С другой стороны, напряжение питания второй сетки не должно быть ниже, чем минимальная необходимая амплитуда возбуждения + остаточное напряжение ламп драйвера + запас 20% для обеспечения нормальной работы каскада. Это требование больше актуально для класса усиления А/А2 и схемотехнике с непосредственной связью каскадов (при трансформаторной связи необходимые параметры можно получить и при других напряжениях на второй сетке т.к. режим по постоянному току драйвера и выходного каскада задаётся независимо). В классе АВ/АВ2 напряжение на второй сетке чаще всего можно выбирать несколько ниже, настолько ниже, пока не начнётся лавинный рост искажений каскада из-за роста сеточного тока (в любом случае в классе АВ/АВ2 каждая лампа усиливает только одну полуволну сигнала). Кроме того, для класса АВ/АВ2 точно так же справедливо замечание относительно трансформаторной связи каскадов.
   
3. Третье НО, это максимальное напряжение на 2 сетке в динамическом режиме. Оно не должно слишком близко приближаться к анодному напряжению, и НИКОГДА не должно его превышать т.к. в этом случае вторая сетка начинает выполнять роль анода и принимать на себя ток и о линейности каскада можно не вести речи.
4. И последнее… Так как напряжение второй сетки, при отсутствии отрицательного смещения на первой сетке для превышения максимальной рассеиваемой анодом мощности требуется небольшое, но чаще всего недостаточное для осуществления эффективного управления относительно него, то требуется задание отрицательного смещения на первой сетке (любым известным способом), что повлечёт переход к новому семейству характеристик управления по 2 сетке для каждого фиксированного значения напряжения на первой сетке т.к. поле первой сетки будет тормозящим для электронов и будет уменьшать анодный ток в то время как поле второй сетки будет ускоряющим и, соответственно, будет увеличивать ток.

Рассмотрение этих 4-ех факторов в совокупности, неотделимо друг от друга позволяет оптимизировать и выбрать параметры такого каскада наиболее правильно. На этом закончим краткое отступление об управлении каскадом по 2 сетке и перейдём непосредственно ко 2 варианту спроектированного усилителя.

На схеме ниже приведена схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя. Разберёмся кратко как он работает.

С выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R2 сигнал поступает на вход предварительного усилителя, выполненного на радиолампе Ла1 [2] по классической схеме с резистивной нагрузкой.

С выхода предварительного усилителя, через разделительный конденсатор С4 и антипаразитный резистор R7 усиленный сигнал поступает на вход второго каскада усиления – фазоинвертор (ФИ). Данный фазоинвертор выполнен так же по классической схеме неавтобалансного фазоинвертора, но с применением SRPP-каскадов в каждом плече ФИ, выполненных на двойных триодах Ла2, Ла3 [3]. Не будем рассматривать подробно принцип работы данного фазоинвертора и причины установки отдельных катодных резисторов т.к. это всё многократно рассматривалось в различной литературе и мной в том числе.

Остановимся только на небольшом нюансе, связанным с работой SRPP-каскада. Так как верхний триод каскада, по сути, является источником неизменяющегося тока, то изменяя катодный резистор верхнего триода мы задаем жёстко ток покоя каскада. Изменяя данный резистор, без изменения катодного резистора нижнего триода напряжение питания будет перераспределяться между верхним и нижним триодами схемы за счёт изменения протекающего тока.

Нижний же триод каскада, по сути, является каскадом с общим катодом (ОК), нагруженным на источник неизменяющегося тока. Изменяя катодный резистор нижнего триода, без изменения резистора верхнего триода напряжение так же будет перераспределяться между триодами, но ток покоя каскада при этом будет практически постоянным. Эти 2 момента важно помнить при проектировании и применении SRPP-каскадов.

С выхода фазоинвертора усиленный сигнал, через ультралинейные обмотки трансформатора Tr1 поступает на вход выходного каскада, выполненного на радиолампах Ла8, Ла9 [4]. Выходной каскад выполнен по дифференциальной ультралинейной схеме. Ток покоя выходного каскада задаётся источником тока, выполненным на интегральном стабилизаторе DA1. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой.

В данном варианте усилителя, для питания каскадов предварительного усилителя применён усовершенствованный стабилизатор напряжения, выполненный на радиолампах Ла4-Ла7 [4, 5, 6].

Усовершенствование схемы заключается в том, что для задания тока цепочки газоразрядных стабилитронов Ла6, Ла7 используется источник неизменяющегося тока, выполненный на одном триоде радиолампы Ла4.

Кроме того, вторая сетка радиолампы Ла5 запитана стабилизированным напряжением т.к. ток через резистор R19 постоянен и задан источником тока, а следовательно, постоянно и падение напряжения на нём, в отличие от большинства схем встречающихся в литературе, где вторая сетка запитана со входа стабилизатора, что может негативно сказаться на стабильности выходного напряжения. Применение данных мер позволяет значительно улучшить стабильность выходного напряжения без применения дополнительных мер и увеличения коэффициента усиления петли ООС.

Резистор R5, конденсаторы С2, С3, С6, С7 – дополнительный развязывающий фильтр анодного питания каскадов предварительного усиления.

Конденсаторы С10, С11 – дополнительный фильтр напряжения питания выходного каскада усилителя.

Резистор R24 – резистор отрицательной обратной связи.

Настройка данного усилителя не представляет сложности. Перед первым включением необходимо выставить движки резисторов R11, R23 в среднее положение и отсоединить 2-ые сетки выходного каскада от ФИ. После этого можно включить усилитель и дать ему прогреться.

После прогрева усилителя, подбором резистора R15 нужно установить напряжение на выходе стабилизатора равное 400 Вольт, при этом резистором R19 выставляется ток через цепочку стабилитронов Ла6, Ла7 равный 15 мА. Процедуру подстройки нужно произвести несколько раз. Далее, резистором R3 нужно выставить напряжение на аноде радиолампы Ла1 равное 175 Вольт. На этом настройку предварительного усилителя можно считать законченной. Переходим к настройке фазоинвертора.

Для настройки фазоинвертора нужно резисторами R8, R12 выставить напряжение на катодах верхних (по схеме) триодов равное 200 Вольт. После чего нужно обесточить усилитель и подключить вторые сетки выходного каскада, после чего вновь включить усилитель.

Для настройки выходного каскада следует резистором R22 выставить суммарный ток выходного каскада равный 50 мА. После этого, резистором R23 следует уровнять токи ламп выходного каскада (по 25 мА на лампу). На этом настройку по постоянному току можно считать законченной. Переходим к настройке по переменному току.

Для настройки по переменному току нужно вращением движка резистора R11 добиться на выходе минимума 2-ой гармоники любым известным способом. На этом настройку по переменному току можно считать законченной.

Кроме того следует проверить правильность фазировки обмоток трансформатора. При правильной фазировке, через резистор R24 с выхода на вход должна образовываться ООС, и при подключении её мощность на выходе должна незначительно уменьшаться. В противном же случае, при увеличении выходной мощности или появлении генерации при подключении резистора R24 следует изменить полярность вторичной обмотки трансформатора. Увеличение мощности или генерация свидетельствует о том, что связь положительная, и фазировка нарушена.

После проведения настройки усилителя и его проработки в течении 50-ти часов для контроля стабильности параметров был произведён обмер параметров.

На фото ниже представлена АЧХ данного варианта усилителя.

По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ составляет: 30 Гц – 18 кГц, что является неплохим результатом.

На фото далее представлен спектр искажений усилителя при максимальной выходной мощности равной 3 Вт.

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 1.24%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей равен -38.9 дБ.

На фото далее представлена реакция усилителя на прямоугольный импульс.

По фото видно, что задний фронт сигнала не имеет выбросов большой величины и чередования затухающих импульсов, что свидетельствует о хорошей устойчивости усилителя, а так же отсутствию резонансных явлений в усилителе.

После проведения замеров было произведено контрольное прослушивание усилителя. Усилитель даёт на выходе чистый звук с хорошей детальностью звучания, но приглушённый, как в описанном ранее усилителе на 6С19П в статье «Усилитель на ТАНах. Часть 2».

Звучание данного усилителя мне не понравилось именно из-за подобного эффекта + низкой выходной мощности. Поэтому выходной каскад был заменён на каскад, описанный в первой части данной статьи, но с включением ультралинейных обмоток в цепь второй сетки. Настройка данного выходного каскада описана в 1 части данной статьи. После настройки был произведен обмер параметров второго варианта усилителя.

На фото далее приведена АЧХ второго варианта усилителя при номинальной выходной мощности равной 5 Вт.

По АЧХ видно, что полоса усилителя по уровню -3 дБ составляет от 20 Гц до 19 кГц. Кроме того, по АЧХ видно, что уменьшился общий завал в области ВЧ-части звукового диапазона.

На фото ниже приведён сравнительный спектр сигнала на выходе, при одинаковом с предыдущим вариантом (с дифференциальным выходным каскадом) уровнем нелинейных искажений.

Выходная мощность данного варианта составляет при этом 7 Вт (что больше более чем в 2 раза), суммарный коэффициент гармоник равен 1.29%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей, равен -38.8 дБ.

На фото ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности равной 5 Вт.

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.52%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей равен -49.1 дБ.

На фото далее представлен спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности, равной 2.5 Вт.

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.3%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей равен -51.6 дБ.

Если сравнить последние 2 спектра со спектрами, приведёнными в 1 части данной статьи, то можно заметить увеличение суммарного уровня гармоник и уменьшение уровня гармоник высших порядков. Более лучшее подавление гармоник высших порядков связано с введением ультралинейных обмоток в цепь второй сетки ламп выходного каскада. Увеличение суммарного коэффициента гармоник, по моему мнению, связано менее линейным предварительным усилителем и более высоким его выходным сопротивлением, вследствие чего линейность управления несколько хуже.

На фото ниже представлена реакция на прямоугольный импульс второго варианта усилителя при номинальной выходной мощности равной 5 Вт.

По фото видно, что по сравнению с первым вариантом усилителя незначительно увеличилась высота выбросов, что не критично для данного усилителя и не требует применения корректирующих цепочек.

После проведения замеров было произведено контрольное прослушивание усилителя. По сравнению с первым вариантом усилителя в данном варианте отсутствует эффект приглушения звука. Звук в целом воспринимается более естественно и позитивно.

Следует так же отметить, что после превышения номинальной мощности 5 Вт усилитель начинает плавно входить в ограничение и способен развивать на выходе мощность до 18 Вт. При этом коэффициент гармоник будет около 7-8%.

Подводя итог можно дать небольшой совет по повторению усилителя с управлением по 2 сетке. Из испытанных каскадов, для получения максимальной детальности, минимальных искажений и хорошего звучания я рекомендую скомбинировать их следующим образом: предварительный усилитель взять из 1 части данной статьи (6Н2П+2х6Н6П). Рекомендую раскачивать именно с каскада на катодном повторителе с приёмником неизменяющегося тока т.к. он обладает низким выходным сопротивлением и хорошей нагрузочной способностью, что позволяет более линейно управлять выходным каскадом), стабилизатор взять из данной части статьи (выделен штриховой линией на схеме электрической принципиальной), выходной каскад взять из 1 части статьи, но включить дополнительные ультралинейные обмотки. При этом резистор ООС увеличить до 20-22 килоом. Данная комбинация поможет получить от усилителя оптимальные параметры.

Так же можно поэкспериментировать с напряжением питания 2-ой сетки, для достижения максимальной выходной мощности при минимальных искажений, не забывая о 4 принципах, сформулированных в начале данной статьи.

Настройка всех каскадов описана в первой и данной частях статьи. Все использованные детали указаны на схемах.

В подборке видео ниже представлена работа макета данного варианта усилителя при проведении испытаний.

Не стоит судить о качестве воспроизведения по данной видеозаписи т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.

На этом на сегодня всё. Спасибо что дочитали данную статью до конца. По всем вопросам пишите мне на майл: Sobiratel_sxem@mail.ru. С уважением, Андрей Савченко.

Список использованной литературы

1. Параметры 6П3С

2. Параметры 6С2П

3. Параметры 6Н6П

4. Параметры 6П44С

5. Параметры 6Н13С

6. Параметры 6Ж9П

7. Параметры СГ201С

Обновление от 01.08.2020:

Во-первых, для данной части статьи справедливы все замечания по построению выходного каскада, высказанные в конце первой части данной статьи.

Во-вторых, принцип управления, описанный в данной статье является запатентованным (несмотря на то, что действие патента досрочно прекращено). Номер патента RU 2647647 C2. Ознакомиться содержанием патента можно в открытом реестре патентов ФИПС или, например, базе патентов Google. Титульный лист патента размещён в подборке фото на странице «О сайте». Предыстория получения данного патента намного интереснее самого патента — как-нибудь напишу об этом на досуге.