Ламповые усилители, методика подбора выходных трансформаторов

В статье изложен порядок подбора унифицированных трансформаторов для схем двухтактных ламповых усилителей (анонс схем от С.Комарова в журнале Радио, 2005). Рассмотрению подлежит дифференциальное включение выходных трансформаторов. Статья написана преимущественно по проблеме построения выскокачественных двухтактных ламповых усилителей повышенной мощности. Задача повышения мощности высококачественного лампового усилителя может быть решена путём применения специальных выходных каскадов со сдвоенными трансформаторами. Такое включение трансформаторов называют дифференциальным. Выходные трансформаторы при этом должны иметь расщеплённую первичную обмотку.

Особенность дифференциального включения такова, что первичные обмотки двух трансформаторов оказываются включенными последовательно. Вторичные же обмотки двух трансформаторов комбинируют по обстоятельствам, под конкретную схему и совершенно конкретные режимные параметры. От двух трансформаторов можно отобрать удвоенную мощность. Либо можно трактовать эту мысль иначе. Применение двух трансформаторов вместо одного позволяет снизить магнитную индукцию в железе. От двух трансформаторов, включенных в единую упряжку можно получить удвоенное количество крайне полезных дополнительных обмоток. И именно эти обмотки можно использовать для обеспечения секционирования, а также применить комбинированные обратные связи, повышающие линейность звукового тракта. Ну и совсем очевидная мысль. Удвоение количества согласующих трансформаторов приводит к удвоению эквивалентной индуктивности. А это простейший признак резкого снижения нижней границы полосы пропускания усилителя. Вот вам и сюрпризец! Схема включения двухтактного выходного каскада лампового усилителя при этом несколько видоизменяется, становится перекрёстной. Но совершенно явно прослеживается необходимость соблюдения симметрии. Внимательное рассмотрение схемотехники дифференциальных выходных каскадов показало, что довольно просто реализовать ультралинейное включение типовых промышленных трансформаторов, достигнув при этом крайне высоких показателей качества УМЗЧ, при сравнительно небольших затратах. Остаётся только адаптировать под выходные каскады наиболее распространённые типы унифицированных трансформаторов. Решению этой задачи посвящено много исследований и соответственно значительная часть статей на моём сайте. Очень хорошо, если в распоряжении конструктора оказывается много одинаковых унифицированных трансформаторов. Есть возможность выбрать подходящие экземпляры.

Проблема дифференциального включения трансформаторов является частью более общей проблемы – последовательного включения обмоток, принадлежащих разным трансформаторам. Поскольку трансформатор – элемент нелинейный, постольку его ВАХ имеет характерный изогнутый вид, с явно выраженным коленом насыщения. При этом характеристики всех трансформаторов друг от друга отличаются, пусть даже несущественно, но отличаются. ВАХ трансформаторов имеют разную крутизну на всех участках. А поскольку при последовательном включении двух обмоток разных трансформаторов будет один общий ток, постольку напряжения на обмотках будут разными! Иными словами, если в сеть 220В включить две разные обмотки последовательно, то на одном трансформаторе может оказаться 80 вольт, а на второй 140 вольт. Причем для режима ХХ характерна одна рабочая точка. Как только подключают выходные обмотки, рабочая точка меняет свое положение. Если нагрузить только одну выходную обмотку, то несимметрия еще больше увеличится. Если нагрузить две обмотки, то несимметрия может уменьшиться. Последовательное включение выходных обмоток режим схемы существенно не выравнивает. А вот параллельное включение выходных обмоток несколько выравнивает режим по входу, немного придавливая магнитный поток в сердечнике. В любом случае, последовательное включение обмоток двух разных трансформаторов это ЭКСКЛЮЗИВ. Чтобы выровнять первичные напряжения, непременно нужен подбор трансформаторов.

Практическим подтверждением непростой ситуации с последовательным включением трансформаторов является отсутствие в литературе описания подобной задачи. Нету такой темы в учебниках вообще! Нету такой темы в умах здравых людей. Рассмотрение такой темы может возникнуть именно в примере дифференциального включения выходных трансформаторов лампового УМЗЧ.

Начинающим конструкторам ламповых усилителей нужно понимать, что от привлекательной таблицы выходных параметров лампового усилителя, с мощностями 50, 100 и 200 Вт, до его реализации в железе дистанция довольно большого размера. Ламповые усилители с дифференциальным включением выходных трансформаторов (С.Комаров, журналы Радио 2005-2006) обладают среди прочих бесспорным приоритетом. Это очевидный факт, поскольку они действительно отвечают высоким требованиям к аппаратуре Hi-End класса и обеспечивают не только колоссальные мощности. У них широкий частотный диапазон, вследствие значительной индуктивности по выходу, обусловленный фактическим применением сдвоенных трансформаторов в одном канале. Следует помнить, что в дифференциальных схемах применимы броневые трансформаторы, рассчитанные на напряжение 127/220 вольт, либо стержневые трансформаторы на 220 и 127/220 вольт, как показано на рисунке ниже. Нужно выполнение принципиального условия, обеспечить наличие расщеплённой первичной обмотки.

Ограничивающим фактором широкого распространения дифференциальных схем ЛУМЗЧ является требование тщательного подбора выходных трансформаторов. Это требование существует, и его выполнение обязательно. В противном случае по переменному току схема может оказаться кривобокой. Коэффициент использования лампочек может оказаться на уровне 20%, что сводит достоинства дифференциальной схемы к мизеру. Это требование С.Комарову известно, но говорить об этом избегают. Следует помнить, что выполнение этого требования имеет принципиальное значение для конструирования серьёзного лампового усилителя с высоким коэффициентом использования мощности. Для построения маломощных "пукалок" знать тему не обязательно. Можно и дальше заниматься детскими играми с электронными лампами, даже не понимая, что использовать трансформаторы в габарите 0,25кВА для построения 8-ми ваттного усилителя, например на лампочках 6с33с или EL34 просто смехотворно. Общая схема подключения дифференциальной пары трансформаторов в ламповый усилитель показана ниже. Это два разных по эфективности вариантов а включения трансформаторов ТПП. Причем нужно помнить, что для стержневых и броневых трансформаторов разметка выводов разная.

Очень удобно, когда количество симметричных обмоток достаточно велико. Это позволяет не только гибко варьировать сопротивление нагрузки, но ещё перемежать анодные обмотки, улучшая магнитную связь, а также использовать часть обмоток для катодных и сеточных обратных связей. Пример трансформатора построенного на основе известного трансляционного усилителя Респром показан на рисунке ниже. Этот трансформатор без перемотки годится для токовых лампочек типа 6П44С.

Пример схемы для трансформаторов типа ТН показан на рисунке ниже. При всей кажущейся на первый взгляд сложности схем, на самом деле они очень простые и даже тривиальные. По крайней мере грамотная распайка непременно ставит всё на свои места. А любители моточных процедур, не только молоденькие, но даже престарелые любители, презрительно называющие унифицированные трансформаторы «зелёнкой», нервно покуривают и отдыхают в сторонке. Как ни печально, но это факт. Унифицированные трансформаторы действительно непригодны для классического включения в двухтактные схемы. И эта граница останавливает людей с ограниченным кругозором. Но дифференциальная схемотехника запросто отодвигает эту границу. Просто нужно осваивать новое знание, как бы трудно при этом не было.

Подбор выходных трансформаторов выполняют в определенной последовательности. Следует сразу оговориться, что никакие манипуляции с намоткой выходных трансформаторов вручную здесь непригодны, самоделкины могут расслабиться. Как покажет текст методики подбора, представленный ниже, умельцам следует забыть или выбросить приобретённые моточные навыки на помойку. Ибо невозможно вручную обеспечить высокую повторяемость моточных узлов. Готовые трансформаторы это совсем не плохо, а очень даже удобно.

Вначале для трансформаторов всей кучи измеряют ток холостого хода при неизменном сетевом напряжении 220 вольт. Зафиксированное значение тока подписывают прямо на трансформаторе. Трансформаторы расставляют в ряд по мере возрастания тока, а для дальнейших сравнительных измерений берут рядом расположенные трансформаторы. Желательно, чтобы расхождение по токам не превышало несколько миллиампер. Это первый этап подбора трансформаторов.

На следующем этапе первичные обмотки трансформаторов распаивают по схеме дифференциального включения (всего три провода). Находят общую точку при перекрёстном соединении отводов 127 вольт. На крайние выводы аккуратно подают регулируемое напряжение от латра. Если распайка ошибочная, то ток при регулировании от латра будет резко увеличиваться. При правильной фазировке, ток последовательно включенных в сеть 220 вольт четырёх полуообмоток, окажется очень маленьким. Именно при такой распайке выполняют дальнейшие измерения.

На третьем этапе подбора, для достигнутого дифференциального включения пары трансформаторов, при помощи обыкновенного тестера измеряют ЭДС одноименных обмоток каждого из трансформаторов. Даже при одинаковом первоначальном токе холостого хода, ЭДС трансформаторов могут отличаться на 20-50%. Если расхождение велико, то трансформатор с меньшим холостым ходом заменяют на другой, ближний по току и повторяют измерение. Если подбор не получается, то варьируют трансформаторы с ближайшим большим значением тока ХХ. Выравнивание ЭДС до 5% можно считать подходящим. Ставить при подборе в пару трансформаторы с расхождением токов холостого хода на 10 и более мА бессмысленно, симметрии достигнуть не удастся.

Четвертым этапом проверки служит сравнение напряжений на самих половинках первичных обмоток трансформаторов, включенных последовательно. Эти напряжения должны быть также одинаковыми с достаточно высокой точностью. Опыт показывает, что из кучки в 50 мощных серийных трансформаторов ТН или ТПП можно найти 5-6 пар симметричных трансформаторов с точностью вплоть до 1%. Однако подбор по параметрам холостого хода недостаточен. Оказалось, что важное значение для снижения уровня искажений нагруженного усилителя имеет подбор под нагрузкой. Дело в том, что в точке холостого хода параметры могут совпасть. А вследствие разного качества стали и собенно качества подгонки сердечников по зазору вебер-амперная характеристика может оказаться разной крутизны. Вот и нужно более тщательно проверить симметрию, проверить под нагрузкой.

На последнем этапе подбора выполняют сравнение напряжений одноименных обмоток пары трансформаторов под нагрузкой. Для этого вторичные обмотки дифференциальной пары соединяют последовательно и нагружают резистивным током до 50% номинального. Причем нагружают трансформаторы не менее чем на 30% эквивалентной мощности. Желательно последовательно включать обмотки с одинаковым номинальным током. В указанном режиме допустимым можно считать расхождение напряжений одноименных обмоток не более 5%. Достигнутая степень симметрии позволяет считать пару трансформаторов пригодной для лампового УМЗЧ объективно высокого качества, очень высокого и довольно большой мощности. Пример идеально подобранных пар показан ниже. Исходный ток холостого хода каждого трансформатора 10мА. Точность подбора реально высока и расхождение не превышает 1-2%. Уважаемые телезрители, повторю существенное соображение. При проведении измерений нужно контролировать уровень сетевого напряжения. Щас зима и оно может плавать, даже в течение минуты. Люди и автоматика спорадически подключают мощные нагреватели, а сети в квартирах слабые. Поэтому я использую ЛАТР, периодически поглядываю на вольтметр и регулирую бегунок ЛАТРА при провалах и бросках напряжения.

Матёрые радиолюбители, думаю сразу поймут, смысл излагаемого материала. А вот наглецы и малограмотные "старички" могут рассердиться на такую болтовню. На что я могу ответить простыми фактами. Для меня ярким подтверждением стали сообщения одного иногороднего радиолюбителя. Судя по всему, очень немолодого уже радиолюбителя, прошедшего школу транзисторной электроники, а также промышленные проекты. Так вот смысл этого сообщения в следующем. Человек попытался по моей методике подобрать пару трансформаторов из своих запасов. И он был шокирован результатом. Оказалось, что из 10 трансформаторов одинакового типа ему не удалось найти симметричную пару для схемы Комарова! Вот вам и реальность. Попробуйте вытереть влагу под носом и самостоятельно подобрать себе трансформаторы, замахнитесь на любую схему от Комарова. Вот тогда и появится повод перечитать мои сообщения на сайте. Можно привести ещё более весомое сравнение. Подбор трансформаторов дифференциальной схемы грубее применения симметричных транзисторов во входном дифференциальном каскаде, но не менее важен. Для ровных входных дифкаскадов применяют специальные микросборки с заведомо симметричным транзисторами на общем кристалле. Это норма, и другое не приходит никому в голову, поскольку всё остальное приводит к кривому результату.

Иногда в руки попадают уникальные трансформаторы. Вот, например английские тороидальные трансформаторы в габарите 0,2кВА. Для дифференциальной выходной схемы пары маловато, зато под классический двукхтакт на триодах 6С33С они подходят изумительно при приведенном сопротивлении около 1,5-2 кОм.

На показанных буржуйских трансформаторах можно построить замечательные низковольтные дифференциальные каскады. Первоначально их было достаточно большое количество и куплены они практически по цене металлолома. Однако значительная часть этого железа уже продана, как говорится на корню. Люди постепенно понимают смысл, излагаемого в моих статьях материала. Можно заметить, что в жизни человеков есть и другие, вполне очевидные вещи, которые людям давно пора понять (например, Новая хронология А.Фоменко). Однако степень загруженности мозгов мусором велика. Объективно велика засранность мозгов и это печально.

Достижимыми мощностями для ламповых УМЗЧ при построении высокосимметричных двухтактных дифференциальных схем можно считать значения в 80-100 Вт. Анодные напряжения дифференциальных схем (ТН, ТС, ТП, ТПП) лучше ограничивать на уровне 400-500 вольт. Повышение анодного напряжения вплоть до 800-1000 вольт можно пробовать только при переходе к симметричным дифференциальным схемам, на трансформаторах ТАН, подобранных таким же образом. Дополнительно стоит упомянуть про рассуждения форумчан, нередко встречаемые в тырнете. Например, про якобы несоответствие параметров, Комаровских схем, заявленным в статьях ТТХ. Смею заверить читателя, что в собранном из исправных деталей усилителе по дифференциальной схеме, если выходные трансформаторы подобраны по условию симметрии и соответствуют правильной распайке выводов, тактико-технические характеристики звукового тракта вполне соответствуют заявленным. А прежде чем рассуждать про недостатки схем Комарова нужно просто обыкновенно вымыть руки, себе любимому. Небрежности и наплевательство совков в сборке схем присутствуют всюду и почти всегда. Поэтому прежде чем хрюкать, вначале нужно преодолеть совковый менталитет и просто попытаться создать что-нибудь своё, авторское. Сергей Комаров просто молодчина. Он сделал важное дело. Он соорудил для толпящихся корыто и насыпал туда корма. А что будет дальше - зависит только от совка. Или кормиться из этого корыта или гадить в него, решайте самостоятельно. Главный критерий создания усилителя по схемам с дифференциальным включением трансформаторов это тщательность. Подбор дифференциальной пары выходных трансформаторов обязателен. Вначале полностью собирают и правильно распаивают блок выходных трансформаторов. Затем его тестируют под напряжением, проверяя правильность фазировки всех обмоток и фиксируя цветовое обозначение всех проводов по витым парам, ведь их довольно много. Только после этого блок выходных трансформаров экспортируют в конструкцию смонтированного усилителя. Тоже самое настоятельно рекомендую делать при конструировании блока питания. Вначале собирают монолитную конструкцию блока питания, со всеми трансформаторами, конденсаторам, дросселями и прочей требухой. Затем блок питания настраивают и испытывают под нагрузкой. Только после этого готовый модуль БП экспортируют в корпус усилителя. Помните, что в реальности конструкция большого лампового усилителя довольно сложна. А интернет-фотографии, с сопливым беспорядочным или с геометрически правильным монтажом от Гуру для трёх конденсаторов, внутри пустого корпуса усилителя - это детские игрушки. В действительности места внутри корпуса всегда не хватает, его всегда в обрез! Поэтому конструкцию приходится тщательно-претщательно проектировать заранее.

Крайне важно сделать ещё одно замечание, которое позволит телезрителям адекватнее представлять реальные мощности ламповых усилителей и отличать действительное положение вещей от вымысла. Бредятина с китайскими ваттами начинается исключительно вследствие маркетинговых ходов. Это замануха для дураков. В ламповой технике также следует помнить простые правила. Например, полезная мощность усилителя не может быть больше активной мощности, рассеиваемой на аноде лампы. Так, если усилитель собран на двух лампах 6П14П, то его мощность не может быть более 14 ватт. Это как автомашина Запорожец. Ну не может она развивать мощность и скорость как Бугатти. НЕ МОЖЕТ! Именно поэтому достижение колоссальных ламповых мощностей 100 в более Вт предполагает параллельное включение подобранных выходных тетродов или пентодов. Следует помнить, что Сергей Комаров это правило знает. И когда он пишет статьи про ламповый усилитель с парой выходных трансформаторов ТН61 (по 200Вт), то знает, что мощность такого усилителя не может достигнуть 400 Вт, т.е. удвоенной мощности трансформаторов 200Вт, если трансформаторы эти питаются всего от пары ламп EL34. 400 Вт в данном случае - это мощность железа. Мощность же в акустике не может взяться из ниоткуда. Очевидно, что для повышения тяги транспортного средства нужно увеличивать мощность моторов, их количество или габарит. Вместо 6П3С можно поставить ГМ70. Или же применить параллельное включение тщательно подобранных ламп 6П3С по 3-4 штуки в плече. Поэтому за таблицами с дикими мощностями трансформаторов двухтактных ламповых усилителей у Комарова спрятана параллельная работа лампочек, показанных в статье. Либо нужно переходить на более крупные лампочки.

При практическом построении обычного лампового УМЗЧ следует избегать выходных триодов. Это понты и гемморой по сравнению с выходными тетродами и пентодами. В усилителе высокого класса и большой мощности предпочтительно ультралинейное, супер-пентодное или супер-триодное включение выходных ламп. Для сдвоенных, строенных или счетверенных мощных выходных пентодов нельзя тупо складывать мощности параллельных ламп. Всегда присутствует эффект ослабления эквивалентной мощности. Ведь ВАХ кривые, режимы не 100% согласованы, фазовые несовпадения огромны. Это китайцы для своих усилителей применяют дурные цифры мощностей. Дикие мощности в надписях получают очень просто. Берут например режим КЗ для источника питания, при котором он потребляет из сети 3 ампера, тогда мощность устройства легко подсчитать по формуле 220х3=660 ватт! Вот так и получается усилитель мощностью 660 ватт. Это одна из маркетинговых штучек для малоразборчивых покупателей.

Взрослые дяди, прекращайте верить в сказки, оставьте это удовольствие детям.

                  Евгений Бортник, Россия, Красноярск, январь 2016 года