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 5

Добрый день, уважаемые радиолюбители! В предыдущей части данной статьи я описывал Вам практическую конструкцию усилителя на лампах 6П44С в классическом включении, а так же сравнивал полученные результаты с конструкциями, описанными в предыдущих частях данной статьи. В этой статье я хотел бы продолжить данные эксперименты и рассказать ещё о нескольких проведённых экспериментах. Ну что, начнём!

Схема электрическая принципиальная усилителя

На схеме выше представлена схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя. Разберёмся кратко как он работает. Итак, сигнал с выхода Вашего аудиоустройства через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R2 поступает на вход первого каскада предварительного усилителя, выполненного на триоде высокой частоты Ла1 [1] по классической схеме с общим катодом и резистивной нагрузкой.

С выхода первого каскада предварительного усиления сигнал через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада предварительного усиления, выполненного на генераторном триоде Ла2 [2]. Нагрузкой данного каскада является фазоинверсный трансформатор Tr1 т.е. каскад выполнен с трансформаторной нагрузкой. Величина приведённого к первичной обмотке сопротивления (величина нагрузки) определяется величиной резисторов R7, R8, шунтирующих вторичные полуобмотки трансформатора и вычисляется аналогично выходному каскаду.

Назначение данного трансформатора – получение двух противофазных сигналов равной амплитуды, аналогично любому фазоинвертору. Применение в качестве фазоинвертора трансформатора даёт возможность независимо выбирать режим предварительного усилителя и выходного каскада по постоянному току, что дает большой простор для творчества и экспериментов, а так же позволяет выбрать наиболее оптимальный режим для каждого каскада в отдельности (о чем я упоминал в предыдущих частях данной статьи).

С выхода фазоинверсного трансформатора сигнал поступает на вход выходного каскада, выполненного на строчных лучевых тетродах Ла3, Ла4 [3, 4] в нестандартном включении. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr2 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой.

Конденсаторы С3, С4 – дополнительный фильтр питания каскадов предварительного усиления.

Конденсаторы С6, С7 – дополнительный фильтр напряжения смещения ламп выходного каскада усилителя.

Резистор R11 – резистор межанодной ООС предварительного усилителя.

Резистор R10 – резистор общей ООС, охватывающей усилитель полностью.

Все использованные детали указаны на схеме.

Настройка данного усилителя не представляет сложности. Перед первым включением балансировочный резистор R9 выставляется в среднее положение после чего напряжение смещения ламп выходного каскада выставляется равным 0 Вольт. Так как лампы выходного каскада в данном включении работают в положительной области напряжений на сетке, то при отсутствии смещения ток анодов ламп будет минимален. После этого можно включить усилитель и дать ему прогреться несколько минут.

После прогрева усилителя резистором R3 необходимо выставить напряжение на аноде лампы Ла1 равное 150 Вольт. Далее резистором R6 выставляется ток анода лампы Ла2 равный 20 мА. На этом настройку предварительного усилителя по постоянному току можно считать законченной. Переходим к настройке выходного каскада.

Для настройки выходного каскада, изменением напряжения смещения на средней точке трансформатора Tr1 и балансировкой токов анодов ламп резистором R9 необходимо выставить ток покоя ламп Ла3, Ла4 равный 30 мА. На этом предварительную настройку выходного каскада по постоянному току можно считать законченной.

Настройка же усилителя по переменному току сводится, по сути, к настройке однотактного предварительного усилителя путём выбора более оптимального режима работы ламп Ла1, Ла2 по постоянному току, а так же ламп выходного каскада для более точного согласования внутреннего сопротивления ламп Ла3, Ла4 с сопротивлением нагрузки. При этом важно контролировать рассеиваемую на анодах ламп мощность, а так же соблюдение баланса токов ламп выходного каскада. Настройка производится по минимуму КНИ на эквиваленте нагрузки любым известным способом. На этом настройку можно считать законченной.

После настройки усилителя и проработки в течении 50-ти часов с целью проконтролировать стабильность параметров были произведены измерения основных параметров усилителя.

На скрине ниже представлена АЧХ данного варианта усилителя.

АЧХ усилителя

По скрину видно, что полоса усилителя по уровню -3 дБ лежит от 50 Гц до 32 кГц. Замерить АЧХ выше не позволяют параметры звуковой карты ПК. Полоса усилителя же снизу, определяется индуктивностью первичной обмотки фазоинверсного трансформатора Tr1. К данному трансформатору мы ещё вернёмся чуть позже.

На скрине далее представлен спектр сигнала на выходе усилителя при максимальной выходной мощности равной 7 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По скрину видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 4.97%, а уровень самой высокой, 2-ой гармоники равен -24.7 дБ.

На скрине далее представлен спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По скрину видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 4.5%, а уровень самой высокой, 2-ой гармоники равен -26.55 дБ.

По скринам можно сделать вывод, что усилитель обладает относительно высоким уровнем искажений, несмотря на более линейное включение ламп выходного каскада. Параметры УНЧ по уровню искажений и полосе частот можно значительно улучшить, если применить в качестве фазоинверсного трансформатора специализированный трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1:1 и индуктивностью обмоток не менее 60-70 Гн. Трансформатор должен быть рассчитан на работу с током подмагничивания около 50-70 мА (т.е. должен быть выполнен с зазором). При этом сопротивление резисторов R7, R8 необходимо увеличить до 20-30 кОм. Кроме того необходимо как можно более точно подобрать в пару лампы выходного каскада усилителя. Подбор необходимо осуществлять в том же включении, в котором лампы будут использоваться в усилителе. Т.е. данному усилителю присущи все сложности настройки и недостатки однотактного усилителя.

Отчасти проблему фазоинверсного трансформатора можно решить применением в качестве предварительного усилителя фазоинвертора с разделённой нагрузкой. При этом в анод и катод повторителя включаются одинаковые обмотки. Так же можно перейти к двухтактной раскачке с использованием фазоинверсного трансформатора, о чем мы поговорим в следующей, заключительной части данной статьи.

Если Вы предпочитаете однотактные усилители, то в качестве линейного и хорошо звучащего усилителя можно использовать однотактный предварительный усилитель. При этом фазоинверсный трансформатор необходимо заменить на выходной. Приведённое сопротивление выходного трансформатора должно лежать в районе 10-15 кОм, а минимальная индуктивность первичной обмотки должна быть не менее 60-70 Гн. Выходная мощность данного варианта усилителя может достигать 1.5-2 Вт.

После испытания варианта усилителя, изображённого на схеме 1 был испытан выходной каскад, описанный в 3-ей части данной статьи – с дополнительными резисторами в цепи первой сетки ламп т.к. данный вариант выходного каскада при проведении испытаний в 3-ей части статьи неплохо себя зарекомендовал.

Для начала в цепь первой сетки ламп выходного каскада был установлен резистор сопротивлением 4.7 кОм. Настройка данного варианта усилителя аналогична настройке исходного усилителя, описанной выше. После установки резистора был произведён обмер основных параметров усилителя.

Так как установка резистора практически не повлияла на форму АЧХ, приводить повторно её не будем.

На скрине далее представлен спектр сигнала при максимальной выходной мощности равной 18 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По скрину видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 3.96%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей равен -24.09 дБ.

На скрине далее представлен спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По скрину видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 3.27%, а уровень самой высокой, 2-ой гармоники равен -28.96 дБ.

На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при четверти выходной мощности.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 1.86%, а уровень самой высокой гармоники 2-ой равен -33.52 дБ.

Если сравнить полученные результаты измерений параметров данного варианта усилителя с результатами исходного усилителя, то можно заметить, что суммарный коэффициент гармоник значительно уменьшился, особенно это заметно по уровню гармоник высших порядков. Это объясняется действием ООС, создаваемой протекающим током сетки по добавочным резисторам.

Кроме того возросла значительно выходная мощность усилителя. Вы можете задать справедливый вопрос: Почему же выходная мощность наоборот не уменьшается, а возрастает, ведь обратная связь отрицательная? Возрастание выходной мощности объясняется тем, что при введении дополнительного резистора в цепь первой сетки значительно уменьшается суммарное токопотребление сеток (график зависимости тока анода и суммарного тока сеток из 3-ей части данной статьи) т.е. улучшается токораспределение в лампе. ( После введения резистора меньшее количество электронов, летящих с разогретого катода к аноду перехватывается густой первой сеткой лампы). Таким образом, во-первых, мы выигрываем значительно в необходимой мощности раскачки, а во-вторых, в максимальном токе анода. Полученный выигрыш значительно больше увеличивает выходную мощность, чем её уменьшает отрицательная обратная связь.

После проведения измерений сопротивление добавочных резисторов в цепи первой сетки ламп выходного каскада было увеличено с 4.7 ком до 10 кОм. Измерения основных параметров усилителя были повторены.

На скрине ниже показан спектр сигнала на выходе усилителя при максимальной выходной мощности равной 14 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По скрину видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 3.58%, а уровень самой высокой 3-ей гармоники равен -24.43 дБ.

На скрине ниже показан спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности.

Спектр сигнала на выходе усилителя

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник равен 2.77%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей равен -31.9 дБ.

По результатам повторных измерений можно сделать вывод, что выходная мощность усилителя несколько упала из-за более сильного действия ООС, при этом сильного уменьшения суммарного тока сеток не наблюдается, соответственно и роста тока анода так же не наблюдается (график зависимости тока анода и суммарного тока сеток из 3-ей части данной статьи). Если сравнить величину искажений на выходе усилителя, то в последних 2-ух вариантах искажения примерно сопоставимы по величине т.к. основным источником данных искажений, по мнению автора, является нелинейный фазоинверсный трансформатор (и вообще фазоинверсный каскад в целом). Рекомендации к выполнению данного трансформатора приведены чуть выше.

Так же были проведены эксперименты по управлению выходным каскадом усилителя по второй сетке как с дополнительными ультралинейными обмотками так и без. Результаты данных измерений в статье не привожу т.к. объём печатного издания не позволяет описывать всего многообразия интересных полученных практических результатов.

В подборке фото ниже представлен макет предварительного усилителя без фазоинверсного трансформатора во время испытаний, а так же представлено свечение проходной лампы анодного стабилизатора напряжения, использованного для питания данного усилителя.

В подборке видео ниже представлено испытание макета данного усилителя с установленными дополнительными резисторами в цепи первой сетки ламп равными 4.7 кОм.

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, Sobiratel_sxem.

P.S. В следующей, заключительной части данной статьи будет рассказано о двухтактной раскачке ламп выходного каскада, а так же подведены общие итоги о проделанной работе.

Список использованной литературы

1. Параметры 6С2П

2. Электровакуумные приборы, Госэнергоиздат, 1956 год, Бройде А.М.

3. Параметры 6П44С

4. Параметры 6П44СМ

Обновление от 08.08.2020:

Во-первых, коэффициент нелинейных искажений усилителей с подобной топологией можно значительно уменьшить, если в качестве первого каскада усиления использовать каскад с более высоким усилением (таким, что бы его хватило для раскачки выходного каскада с учетом уменьшения усиления введённой ООС), а в качестве фазоинверсного каскада использовать катодный повторитель, нагруженный на фазоинверсный трансформатор. Такой каскад можно выполнить как с гальванической связью с предварительным усилителем так и без таковой (см. подборку фото ниже). Теоретически наибольшая линейность должна обеспечиваться каскадом с приемником неизменяющегося тока и чуть хуже без такового. При выборе ламп для построения такого фазоинвертора необходимо учитывать напряжение, приложенное между анодом и катодом ламп — оно различно в приведённых схемах!

Во-вторых, при применении предложенного фазоинвертора относительно маломощным предварительным усилителем можно раскачивать достаточно мощные лампы выходного каскада в классах усиления А/А2, АВ/АВ2 (с «правыми» и «левыми» характеристиками) т.к. катодный повторитель обладает относительно низким выходным сопротивлением, а постоянная составляющая входного тока ламп выходного каскада не протекает непосредственно через радиолампы фазоинверсного каскада и не создаёт дополнительной нагрузки на них по постоянному току (т.е. при расчете фазоинвертора необходимо учитывать только величину переменной составляющей входного тока выходного каскада и производить расчет его мощности и выходного сопротивления ориентируясь на неё).

В-третьих, для проведения серии экспериментов в компанию «Торел» была заказана намотка подобного фазоинверсного трансформатора. Данный трансформатор имеет 2 идентичные, максимально симметричные первичные обмотки с УЛ отводами от 25% и 50% от начала (а если поменять местами начало и конец, то можно получить отводы от 50% и 75%). Так же в трансформаторе имеется 2 идентичные, максимально симметричные вторичные обмотки без дополнительных отводов. Общий коэффициент трансформации примерно равен 1:1:1:1. Обмотки выполнялись симметрично попарно т.к. на ТОРе достаточно сложно получить 4 идентичные обмотки (секционирование получится достаточно сложным). Кроме того, трансформатор выполнен на разрезном сердечнике с зазором 0.15 мм и способен работать при токе подмагничивании не менее 100 мА. Индуктивность каждой обмотки трансформатора гарантированно выше 100 Гн (фото см. в подборке ниже). Таким образом я планирую вернуться к экспериментам с нестандартным управлением лампами выходного каскада в будущем. Подробно о системе намотки данного трансформатора я расскажу там же.