Внимание! В середине-конце октября 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 управлением по второй сетке. Часть 3

Добрый день уважаемые читатели. В предыдущих статьях «УНЧ с управлением по 2 сетке. Часть 1» и «УНЧ с управлением по 2 сетке. Часть 2» я рассказывал Вам о нестандартном методе управления лампами выходного каскада, а именно управлении по второй сетке, его основных преимуществах и недостатках, а так же высказывал свои соображения по поводу правильного выбора рабочей точки каскада и режима его работы. Сегодня я хотел бы продолжить начатую тематику и представить дальнейшее усовершенствование данной методики.

Итак, схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя показана на схеме ниже. Как и предыдущие варианты усилителя данный усилитель является 3-ёх каскадным. Первый каскад – это предварительный усилитель-фазоинвертор, выполненный на двойном триоде с высоким коэффициентом усиления Ла1 [1]. Второй каскад – промежуточный. Он представляет из себя усилители тока, а именно катодные повторители с приёмниками стабильного тока, выполненные на двойных триодах Ла2, Ла3 [2]. Он служит для линеаризации управления выходным каскадом.

Схема электрическая принципиальная усилителя

Питание предварительного усилителя и промежуточного каскада осуществляется от модернизированного стабилизатора напряжения, выполненного на радиолампах Ла4-Ла7 [3, 4, 5]. Не будем подробно рассматривать принцип работы, устройство и методику настройки данных каскадов т.к. это всё подробно описано в предыдущих статьях. Рассмотрим подробнее выходной каскад.

Итак, усиленный по току и напряжению сигнал, с выхода промежуточного каскада поступает на вход выходного каскада, выполненного на лучевых тетродах Ла8, Ла9 [6, 7] в нестандартном включении.

Основа данного принципа включения была заимствована из схем включения мощных выходных ступеней ламповых передатчиков. В данных ступенях все сетки радиоламп соединяются вместе и заземляются, а раскачка осуществляется со стороны катода т.е. каскад обычно строится с общей сеткой. Данное включение ламп называется супертриодным. Считается, что данное включение значительно повышает линейность выходного каскада.

Для проверки данного предположения были сняты изначально анодные характеристики радиолампы 6П44С в режиме с соединёнными сетками без сеточного резистора. Данные анодные характеристики показаны на фото ниже.

Анодная характеристика 6П44С в супертриоде

По приведённым характеристикам можно сделать вывод, что они значительно линейнее характеристик, приводимых в справочной литературе для классического включения 6П44С.

Как Вы уже заметили, данные анодные характеристики сняты для области положительных смещений на соединённых сетках (область отрицательных смещений не представляет интереса) т.е. в так называемом правом режиме, соответственно, недостатком данного включения является ток управляющей сетки (роль которой в данном случае выполняют соединённые вместе сетки 6П44С). В данном варианте он может достигать трети анодного тока. Такие высокие значения сеточных токов потребуют проектирования специального промежуточного каскада, что не является тривиальной задачей, а рассеиваемая им мощность в несколько раз перекроет выходную мощность усилителя в целом, что ставит под сомнение целесообразность данного управления, несмотря на явную линейность характеристик.

После многочисленных экспериментов был найден выход из данной ситуации – в первую сетку радиолампы 6П44С был установлен ограничивающий резистор.

За счёт протекания сеточного тока через сеточный резистор на данном резисторе падает напряжение смещения. В итоге получается, что напряжение смещения на второй сетке больше напряжения смещения на первой сетке на величину падения на сеточном резисторе. Таким образом, снижается суммарный сеточный ток (за счёт уменьшения напряжения на первой сетке относительно катода и, соответственно, уменьшения тока первой сетки), но вместе с ним уменьшается и анодный ток (за счёт подзапирания лампы этим же смещением), что приводит к необходимости повышать напряжение возбуждения выходного каскада.

Линеаризация же анодных характеристик происходит так же за счёт данного резистора т.к. при увеличении напряжения на сетках происходит увеличение тока первой сетки, что увеличивает падение напряжения на сеточном резисторе. В свою очередь увеличивающееся падение напряжения уменьшает анодный ток т.е. мы получаем глубокую ООС по току.

По мере увеличения данного резистора анодные характеристики, представленные на фото выше вырождаются в характеристики, показанные на фото далее. Анодные характеристики, показанные на фото сняты для величины сеточного сопротивления равного 12 кОм. По данным характеристикам можно сделать вывод, что они обладают высокой линейностью, но выходной каскад при таком построении требует большого напряжения возбуждения, что не является проблемой, в отличие от проектирования каскада с высоким током управления и хорошей линейностью.

Если присмотреться ещё внимательнее, то можно заметить интересную деталь, а именно, по форме данные характеристики представляют собой классические характеристики правых триодов с низкой крутизной при положительных напряжениях смещения. Отсюда можно сделать вывод, что, по сути, применив описанное включение тетрода (пентода) мы получили в итоге классический правый триод со всей спецификой его применения.

В качестве эксперимента так же сетки ламп были соединены вместе, а токоограничивающий резистор был установлен общий для обоих сеток. Результаты такого включения показали, что линейность лампы возрастает незначительно, но при этом мы проигрываем в необходимой амплитуде возбуждения однозначно т.к. падает коэффициент усиления ещё сильнее из-за действия ООС уже по двум сеткам одновременно. По причине нецелесообразности данного включения его не привожу в данной статье.

Анодная характеристика 6П44С в супертриоде

На фото ниже показана зависимость анодного тока и суммарного тока сеток от величины резистора первой сетки.

Характеристики представленные да данном фото сняты для напряжения анод-катод равного 200 Вольт и напряжения смещения на сетках равного +7 Вольт. По данным характеристикам удобно определять оптимальную величину сеточного резистора, если их снять для максимального напряжения смещения, либо построить семейство характеристик для различных напряжений смещения при фиксированном напряжении анод-катод.

Зависимость тока анода и сеток от величины резистора сетки

Оптимальное сопротивление резистора первой сетки находится в нижней части изгиба характеристики, при переходе суммарного тока сеток в «прямую» т.к. ещё сохраняется высокая крутизна характеристики лампы, ток сеток относительно мал, напряжение раскачки относительно невелико.

На практике рекомендуется выбирать величину данного резистора правее данного изгиба, увеличивая при этом величину ООС по току, тем самым увеличивая линейность анодных характеристик и снижая искажения каскада. Кроме того, подобный выбор позволит отказаться от промежуточного каскада при достаточной мощности предварительного усилителя-фазоинвертора.

После рассмотрения принципиально нового способа управления лампами выходного каскада вернёмся к схемотехнике спроектированного усилителя.

Выходной каскад данного усилителя выполнен в режиме с автоматическим смещением. Автоматическое смещение задаётся катодными резисторами R22, R23. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой. Следует так же отметить, что первичные обмотки трансформатора соединены накрест, что уменьшает межслойную паразитную ёмкость трансформатора, расширяя при этом полосу пропускания усилителя.

Все использованные детали указаны на схеме, а их назначение подробно описано в предыдущих частях данной статьи.

Настройка каскадов данного усилителя, так же подробно описана в первых 2-ух частях данной статьи. Настройка выходного каскада заключается в установке токов анодов ламп выходного каскада Ла8, Ла 9 резисторами R22, R23 равных 50 мА.

Выходная мощность усилителя равна 6 Вт.

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

На скрине далее показана АЧХ данного усилителя при максимальной выходной мощности.

АЧХ усилителя

По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню – 3 дБ составляет от 15-20 Гц до 32 кГц, что является отличным результатом. В большую сторону замерить АЧХ не позволяют параметры применяемой звуковой карты.

На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 6 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.056%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей примерно равен -64.8 дБ.

На скрине ниже представлен спектр сигнала при половинной выходной мощности равной 3 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 0.042%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей равен -66.5 дБ.

После превышения выходной мощности равной 6 Вт начинается медленный рост искажений и гармоник высших порядков из-за плавного входа усилителя в ограничение сигнала (клиппинг).

На скрине далее представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 12 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

При этом суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.11%, а уровень самой высокой гармоники 6-ой примерно равен -45 дБ. Данный уровень нелинейных искажений довольно низок и позволяет эксплуатировать усилитель вплоть до заявленной мощности, но возможно появление гитарного окраса.

После превышения выходной мощности 12 Вт начинается сильное ограничение сигнала (клиппинг). На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 15 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 1.26%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей равен -33.9 дБ. Более высокую выходную мощность в данном усилителе получить не удалось.

На скрине ниже представлена реакция усилителя на прямоугольный импульс.

Реакция усилителя на прямоугольный импульс

По фото видно, что в прямоугольном импульсе отсутствует скос полки импульса, что косвенно свидетельствует о неплохих частотных свойствах усилителя и отсутствию резкого завала за полосой пропускания. Кроме того отсутствуют выбросы на фронтах импульса. Это говорит о том, что в усилителе (выходном каскаде) отсутствуют паразитные резонансные явления за пределами полосы пропускания усилителя, а так же локальные подъёмы АЧХ (фото представлено выше) так же отсутствуют.

По приведённым выше спектрам и АЧХ можно сделать вывод, что применение данного метода управления в выходном каскаде усилителя целесообразно и полностью оправдано. Кроме того, приведённые в самом начале рассуждения полностью подтверждаются снятыми практическими характеристиками.

После замера основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание. В качестве акустической системы была использована акустика ВЕГА 25АС-109-2. Каналы данной акустики были соединены синфазно и параллельно для получения сопротивления равного 4 Ом.

Усилитель даёт на выходе чистый чёткий звук, гитарный оттенок отсутствует. Кроме того усилитель обладает высокой детальностью звучания, особенно в верхней части звукового диапазона (тарелки, щётки и подобные инструменты прослушиваются достаточно детально).

В видео в подборке ниже показана работа макета варианта усилителя, описанного в данной статье.

Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям 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. С уважением, Андрей Савченко.

Список использованной литературы

1. Параметры 6Н2П

2. Параметры 6Н6П

3. Параметры 6Н13С

4. Параметры 6Ж9П

5. Параметры СГ201С

6. Параметры 6П44С

7. Параметры 6П44СМ

Обновление от 05.08.2020:

Во-первых, одним из вариантов дальнейшего развития нестандартного управления лампами выходного каскада можно считать вариант, описанный в статье: Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 1. В таком включении вторая сетка соединяется с драйвером непосредственно, а первая сетка через разделительный конденсатор. Данное включение позволяет избавиться от катодных резисторов автоматического смещения большой мощности. Кроме того, подобное включение позволяет увеличить напряжение, приложенное к промежутку анод-катод выходных ламп и, соответственно, при том же напряжении источника питания получить более высокую выходную мощность. Недостатком схемы является более высокий (по сравнению с описанным в данной статье вариантом усилителя) уровень искажений. Увеличение уровня искажений связано с отсутствием ООС в цепи первой сетки за счет протекающего тока т.к. она (сетка) работает в штатном режиме.

Во-вторых, как известно, при использовании автоматического смещения и непосредственной связи первой сетки с предыдущим каскадом (т.е. при построении усилителя с гальванической связью каскадов) величина падения напряжения на катодном резисторе равна напряжению, поданному на сетку плюс/минус необходимое напряжение смещения («плюс» или «минус» зависит от того, необходимо задать положительное или отрицательное смещение на сетке).

Таким образом, для уменьшения падения напряжения на катодном резисторе необходимо уменьшить величину постоянного напряжения на первой сетке лампы. Это можно сделать, например, если цепь первой сетки соединить с предыдущим каскадом не напрямую, а через цепь сдвига уровня (как это делается достаточно часто в транзисторной технике и некоторых ламповых осциллографах).

Если судить по приведенным анодным характеристикам в нестандартном включении с резистором в цепи первой сетки равном 12 кОм, то видно, что для раскачки ламп в таком включении необходимо напряжение возбуждения около 30-50 Вольт действующего значения напряжения (40-70 вольт амплитуды).  Учитывая этот факт, думаю даже при применении класса «А»  в выходном каскаде можно смело потенциал первой сетки с 200 Вольт уменьшить в 2 раза. В качестве цепи сдвига уровня можно применить стабилитрон с напряжением стабилизации 80-120 Вольт и максимально-допустимым током не менее 10-15 мА. При этом стабилитрон необходимо зашунтировать конденсатором достаточной ёмкости, а резистором между стабилитроном и общим проводом обеспечить минимальный ток стабилизации в режиме покоя.

Тут следует заметить, что вследствие уменьшения потенциала первой сетки уменьшится и ток в цепи первой сетки. В связи с этим, для обеспечения той же глубины отрицательной обратной связи необходимо увеличить величину сеточных резисторов. Насколько сильно придётся увеличить сопротивление резисторов (и насколько сильно вместе с тем поменяется форма анодных характеристик) сказать не могу — необходимо провести дополнительные эксперименты. 

Предложенная идея мне кажется интересной и скорее всего в будущем я ещё вернусь к экспериментам, посвященным нестандартному управлению лампами в выходном каскаде (материала уже накопилось, как минимум, ещё на одну часть статьи).