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).

Аудиофильский усилитель на 4П1Л

Добрый день, уважаемые радиолюбители. Как известно усилители выполненные на прямонакальных лампах пользуются особой популярностью среди любителей лампового звука. Решили и мы сконструировать себе такой усилитель для озвучивания небольшой комнаты. И как оказалось не зря… Но об этом чуть позже. Схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя показана на схеме ниже. Данный усилитель является двухкаскадным.

Схема электрическая принципиальная усилителя

Предварительный усилитель фазоинвертор выполнен на маломощных прямонакальных генераторных пентодах Ла1, Ла2 [1] по классической схеме несамобалансирующегося фазоинвертора в пентодном режиме с автоматическим смещением. Разберёмся подробнее как он работает.

Итак, сигнал с выхода Вашего устройства, через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R2 поступает на вход левого плеча фазоинвертора, где он усиливается и инвертируется лампой Ла1. Далее часть сигнала с анода Ла1 через резистор R5, разделительный конденсатор С5, балансировочный резистор R11 и антипаразитный резистор R10 поступает на вход правого плеча фазоинвертора, где он так же усиливается лампой Ла2 и инвертируется. Таким образом на аноде Ла1 мы имеем усиленный и инвертированный сигнал, противофазный входному, а на аноде Ла2 усиленный и дважды инвертированный сигнал, синфазный входному. Автоматическое смещение задаётся резистором R7. Благодаря шунтирующему конденсатору С6 связь по переменному току через резистор R7 отсутствует и каждое плечо предварительного усилителя-фазоинвертора представляет собой, по сути, каскад с общим катодом.

Для уменьшения уровня фона переменного тока, к которому прямонакальные лампы более чувствительны из-за особенностей своей конструкции, резистор автоматического смещения подключается не напрямую к одному из выводов катода (накала), а к виртуальной средней точке, образованной резисторами R8, R9. Такое подключение позволяет значительно ослабить уровень фона переменного тока.

Пентодный режим ламп Ла1, Ла2 задаётся резистором R6 и конденсатором С4. Кроме того, данная цепочка, кроме своего основного назначения, выполняет роль дополнительного фильтра напряжения питания второй сетки ламп предварительного усилителя.

С выхода предварительного усилителя, усиленный сигнал. Через разделительные конденсаторы С9, С10 поступает на вход выходного каскада, выполненного в ультралинейном режиме с фиксированным смещением на прямонакальных генераторных пентодах Ла2, Ла3 [2].

Напряжение смещения на первые сетки ламп выходного каскада подаётся от отдельного стабилизированного источника отрицательной полярности через переменные резисторы R18, R20 и резисторы утечки R15, R19.

Так как катод (накал) ламп выходного каскада имеет отвод от средней точки, было решено заземлить именно его, а так же подключить сюда же виртуальную среднюю точку, образованную резисторами R16, R17 и конденсаторами С11, С12 относительно краёв катода (накала). Подобное включение позволяет выровнять в какой-то мере потенциал вдоль катода (накала), а так же уровнять разность потенциалов половинок катода (накала), которая присутствует всегда, из-за их заводского различия. Так же данная мера позволяет подавить паразитный фон переменного тока ещё больше.

Нагрузкой выходного каскада является трансформатор Tr1 с подключённой ко вторичной обмотке акустической системой сопротивлением 4 Ом.

Резисторы R13, R14 – резисторы ООС.

Резистор R12, конденсаторы С2, С3, С7, С8 – дополнительный фильтр напряжение питания предварительного усилителя.

Так как лампы предварительного усилителя имеют напряжение питания накала (катода) равное 2.2 Вольтам было решено для его установки использовать регулятор напряжения DA1 с возможностью установки выходного напряжения. Регулятор DА1 включён по типовой схеме [3]. Кроме того данный регулятор обладает высокой стильностью выходного напряжения при изменении питающего. По той же причине для питания накалов (катодов) выходного каскада напряжением 4.2 Вольта был использован аналогичный регулятор DA2.

ВНИМАНИЕ: Питание регуляторов напряжения DA1, DA2 следует выполнять от РАЗНЫХ обмоток трансформатора. При этом напряжения должны быть выпрямлены и хорошо сглажены.

Применение постоянного напряжения для питания накалов (катодов) ламп совместно с применением регуляторов напряжения позволило побороть фон переменного тока практически полностью.

Все использованные детали указаны на схеме.

Настройка данного усилителя не представляет особой сложности. Для настройки следует вытащить лампы из ламповых панелек. После этого включить усилитель и подбором резисторов R22, R24 выставить напряжения на выходах регуляторов напряжения равные 2.2 и 4.2 Вольта соответственно, а так же резисторами R18, R20 выставить максимальные отрицательные напряжения смещения. После этого можно выключить усилитель, вставить лампы в ламповые панельки, включить усилитель снова и дать ему прогреться 5-10 минут.

Далее резистором R7 нужно выставить напряжение на одном из анодов ламп предварительного усилителя равное 140 Вольт. При этом напряжения на анодах предварительного усилителя не должны отличаться более чем на 5-10%. В противном случае следует подобрать лампы Ла1, Ла2 в пары более точно. После настройки предварительного усилителя по постоянному току переходим к настройке выходного каскада. Для его настройки попеременным вращение движков резисторов R18, R20 нужно выставить токи ламп выходного каскада равные 15 мА. На этом настройку по постоянному току можно считать законченной.

Переходим к настройке по переменному току. Для настройки по переменному току, а так же замера параметров усилителя воспользуемся программным комплексом visual analyser на базе ПК [4]. Для этого подключим к выходу эквивалент нагрузки – резистор 4 Ом мощностью не менее 10-15 Вт. После этого на вход усилителя подадим синусоидальный сигнал частотой равной 1 кГц. Увеличивая амплитуду сигнала на выходе добьёмся номинальной выходной мощности на выходе равной 5 Вт. Вращая движок балансировочного резистора R11 нужно добиться минимального уровня 2 гармоники на выходе. На этом настройку по переменному току можно считать законченной.

В подборке фото в конце статьи представлен внешний вид собранного макета усилителя. Если присмотреться внимательнее, то можно заметить, что лампы предварительного усилителя были извлечены из родных экранирующих алюминиевых стаканов. Что бы снять с ламп экраны нужно аккуратно развальцевать бокорезами экран с верхней стороны лампы по кругу. Далее следует вытащить верхнюю алюминиевую шайбу и несколько бумажных уплотнителей. После этого экран надкусывается в торец в 4-5 местах и отгибается наружу. После этого лампа легко вытаскивается из стакана. После извлечения лампы из стакана следует обращаться с ней с особой осторожностью т.к. между ножек лампы находится хрупкая запаянная стеклянная трубка для откачивания воздуха из лампы при производстве. Так же с ламп выходного каскада были сняты алюминиевые юбки, без них (на наш взгляд) выходные лампы смотрятся красивее. В усилителе использованы лампы Ла1, Ла2 – 1959 года выпуска (завод Рефлектор), Ла3, Ла4 – 1978 года выпуска (завод Светлана).

После окончания настройки усилителя было проведено контрольное прослушивание усилителя. В качестве акустики для прослушивания использовалась 8 Омная акустическая система 25АС-109-2. Для получения 4 Ом колонки включаются параллельно и синфазно. При этом важна расстановка колонок относительно друг друга и слушателя. При правильной расстановке должен образовываться равносторонний треугольник между колонками и слушателем, о чём неоднократно упоминалось ранее.

На слух усилитель даёт мягкое звучание, есть небольшой гитарный окрас на верхах, звук чистый и чёткий. Данный усилитель отлично подходит для прослушивания классической и инструментальной музыки, шансона. Для рока на мой взгляд недостаточно напора — кажется, что звук несколько смазывается. Фон переменного тока практически отсутствует. Его слышно только при поднесении уха вплотную к акустической системе.

Выходная мощность усилителя равна 5 Вт. Чувствительность около 1 В действующего значения напряжения на входе.

После прослушивания был проведён обмер параметров усилителя.

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

Спектр сигнала на выходе усилителя

По фото видно, что уровень 3 гармоники составляет -45.5 дБ, а суммарный коэффициент гармоник равен 0.55%.

На фото ниже представлен спектр сигнала на выходе  усилителя при выходной мощности равной 2.5 Вт.

Спектр сигнала на выходе усилителя

Уровень 3 гармоники составляет -37.6 дБ, а суммарный коэффициент гармоник равен 0.77%.

На фото далее представлена реакция усилителя на прямоугольный сигнал частотой 1 кГц при выходной мощности равной 5 Вт.

Реакция усилителя на прямоугольный импульс

По фото видно, что в прямоугольном импульсе отсутствует скос полки импульса, что косвенно свидетельствует о неплохих частотных свойствах усилителя. Кроме того отсутствуют выбросы на фронтах импульса. Это говорит о том, что в усилителе (выходном каскаде) отсутствуют паразитные резонансные явления, устойчивость усилителя достаточна, а локальные подъёмы АЧХ (фото представлено ниже) так же отсутствуют.

АЧХ усилителя

При использовании звуковой карты, установленной в данном ПК нет возможности замерить АЧХ более 20-22 кГц в верхнюю сторону.

В целом данный усилитель обладает неплохими техническими параметрами, прост в сборке и настройке и может быть повторён любым радиолюбителем.

В подборке фото ниже представлен макет усилителя при проведении испытаний.

P.S. В качестве общей рекомендации для построения усилителя с предварительным усилителем на 2П29Л хотелось бы посоветовать использовать в выходном каскаде лампы с тональным балансом (который определяется формой ВАХ, а соответственно и распределением гармоник на выходе), сдвинутым в область высоких частот (например 6П3С, 6П6С, 6П3С-Е, 6П36С, 6П21С в тетродном включении). Аналогично следует поступить при построении усилителя с выходным каскадом на 4П1Л (можно воспользоваться радиолампами 6Н9С, 6С2С, 6С1П-6С4П). В этом случае получим более правильный тональный баланс в конечной конструкции. Данная рекомендация относится к усилителям без глубоких ООС.

На этом на сегодня всё. С уважением, Андрей Савченко, Кривовозов Александр. До новых встреч.

Список использованной литературы

1. Параметры 2П29Л

2. Параметры 4П1Л

3. Параметры LM317T

4. Visual analyser, официальный сайт

Обновление от 25.07.2020:

Во-первых, параметры данного усилителя можно улучшить, если общее питание усилителя повысить до 350 Вольт. При этом необходимо пропорционально увеличить сопротивление резисторов R3, R4, R6. Ток покоя ламп выходного каскада необходимо выставить равным 20 мА. Для подключения же акустической системы необходимо соединить 13-й и 23-й, а так же 14-й и 22-й концы трансформатора вместо указанных на схеме. Режим работы ламп выходного каскада с ультралинейного целесообразнее изменить на пентодный. При этом вторые сетки ламп выходного каскада необходимо запитать от выпрямленного и хорошо сглаженного (а лучше стабилизированного) источника питания напряжением 250-270 Вольт (при этом питание на сетку каждой лампы от общего источника подается через дополнительные развязывающие RC-цепочки. Сопротивление резистора цепочек следует выбрать в районе 100-220 Ом, конденсатор в районе 47 мкФ).

Во-вторых, в некоторой мере можно уменьшить уровень нелинейных искажений, если с выхода усилителя завести на вход отрицательную обратную связь небольшой глубины — около 4-6 дБ.

Для этого предварительный усилитель можно переделать так, как описано в статье Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 1 т.е. в этом случае необходимо исключить из схемы резисторы R5, R10, R11, конденсаторы С5, С6 (а резистор R7 в идеале заменить на источник тока с «подземным» питанием). После этого с первой сетки радиолампы Ла2 необходимо установить резистор утечки равный 100-220 Ом, а с выходной обмотки трансформатора завести на сетку резистор ООС. При этом величина сопротивления резистора ООС будет лежать в районе 2-10 кОм. Более точно величину сопротивления резистора можно определить при настройке усилителя. При этом балансировку усилителя (схемотехнически) необходимо выполнить так, как это описано в предложенной статье. Суммарное сопротивление в анодах ламп, при среднем положении движка резистора балансировки должно соответствовать указанному на исходной схеме (либо пропорционально увеличенному при увеличении напряжения питания).

Можно поступить и иначе. Можно катоды (накалы) радиоламп предварительного усилителя разделить между собой и установить для каждой радиолампы свой катодный резистор с сопротивлением примерно в 2 раза выше (т.е. у каждой лампы будет свой катодный резистор, подключенный на искусственную среднюю точку катода/накала). При этом конденсатор С6 из схемы необходимо исключить. Таким образом, фактически, мы получим 2 отдельных каскада с общим катодом и автоматическим смещением в драйвере. После этого остается только классически со вторичной обмотки выходного трансформатора в катод радиолампы Ла1 завести резистор ООС. При этом сопротивление резистора ООС будет лежать в районе 10-47 кОм. Более точно сопротивление резистора ООС определяется при настройке усилителя. Резистор ООС подключается к искусственной средней точке катода (накала).  Кроме того, при такой модернизации катоды (накалы) ламп предварительного усилителя необходимо так же питать ОТ ОТДЕЛЬНЫХ обмоток с ОТДЕЛЬНЫМИ стабилизаторами напряжения (итого, уже необходимо 3 отдельных обмотки минимум, а для внесения всех изменений — 4).

Введение дополнительной ООС с выхода усилителя позволит уменьшить суммарный коэффициент нелинейных искажений усилителя, расширить полосу пропускания усилителя, уменьшить выходное сопротивление усилителя, а так же сделать его более равномерным во всей полосе пропускания усилителя. Хочу оговориться, что предложенные модернизации мной экспериментально не проверялись, но их проверка запланирована в будущем (в общем-то, предложенные модернизации ничему не принципиально не противоречат, а работа прямонакальных ламп с автоматическим смещением была проверена в исходной конструкции).