Обзор схемотехники ламповых усилителей

Оставлен Evgenij Bortnik Ср, 06/08/2016 - 17:37
Аватар пользователя Evgenij Bortnik

Для повышения выходной мощности усилителей кроме "запараллеливания" ламп еще в 30-е годы применяли двухтактные каскады (push-pull). Для возбуждения двухтактного каскада необходимы два противофазных напряжения, которые проще всего получить при помощи трансформатора. Так до сих пор и поступают в самых бескомпромиссных конструкциях, но степень влияния междулампового трансформатора на качество сигнала едва ли не больше, чем выходного. Поэтому в подавляющем большинстве двухтактных усилителей для получения противофазных напряжений используется специальный фазоинверсный каскад. Ниже перечислены основные типы фазоинверсных каскадов:

1.Отдельный инвертирующий каскад в одном из плеч усилителя,

2.Автобалансный фазоинвертор,

3.Фазоинвертор с катодной связью,

4.Фазоинвертор с разделённой нагрузкой

Каждому из решений свойственны достоинства и недостатки. В пору расцвета высококачественных ламповых усилителей наибольшее распространение получили фазоинверторы с разделенной нагрузкой и катодной связью. Фазоинвертор с катодной связью дает некоторое усиление, но идентичность выходных сигналов зависит от степени связи. Глубокую связь можно получить только при использовании большого сопротивления связи (за это схему назвали long tail - "длиннохвостая") или источников тока в цепи катода (а это тогда вообще не приветствовалось). Кроме того, выходные сопротивления плеч такого фазоинвертора значительно различаются (один триод включен по схеме с общим катодом, второй - с общей сеткой). Фазоинвертор с разделенной нагрузкой позволяет получить идентичные сигналы, но несколько ослабляют их. Поэтому приходится увеличивать усиление до фазоинвертора (что чревато его перегрузкой) или использовать двухтактный предоконечный каскад. Однако именно этот тип фазоинвертора получил наибольшее распространение в промышленных конструкциях, поскольку обеспечивает хорошую повторяемость при серийном производстве.

Вопрос экономии в прежние годы рационального усилителестроения был первоочередным. И радиолюбителей, и конструкторов смущала лишняя лампа в первых каскадах усилителя. Поэтому неудивительно, что в начале 50-х годов на страницах радиотехнических изданий появились схемы двухтактных усилителей, не содержащих отдельного фазоинвертора. Выходной каскад таких усилителей был выполнен по схеме с катодной связью и работал в "чистом" классе А. Предлагались как новые схемы, так и переделка существующих однотактных усилителей в двухтактные. По нашу сторону "железного занавеса" этот тип усилителей не прижился в силу малой экономичности. А за бугром подобные конструкции были в ходу ещё довольно долго.

Предельно простая схема двухтактного лампового усилителя, предназначенная для повторения любителями лампововго звука, приведена ниже. Именно в таком скелете реализована концепция экономии первой лампочки.

Простой двухтактный усилитель Pвых = 6 Вт. Выходной каскад выполнен по схеме с катодной связью. Приведенное сопротивление нагрузки - 8 кОм. Конструктивные данные трансформатора неизвестны. В источнике питания использован двухполупериодный выпрямитель на прямонакальном кенотроне 5Y3GT и LC-фильтр. Исходник можно найти по реквизитам Melvin Leibovitz Hi-Fi Power Amplifier (Electronic World, June 1961). Интересно включение регулятора громкости на входе оконечного каскада и всего один переходной конденсатор. Степень катодной связи невелика, так что характер звучания, скорее всего, будет как у однотактника (с четными гармониками). Общей ООС нет, поскольку запас усиления невелик. Однако введение ООС в пентодный усилитель крайне желательно - без нее выходное сопротивление очень велико. Это хорошо только для полосы СЧ (снижает интермодуляционные искажения в динамике). Однако для всех остальных применений такое решение противопоказано. Глубокую ООС в усилитель можно ввести только при непосредственной связи каскадов.

Двухтактный усилитель класса А. Усилитель выполнен по схеме с непосредственной связью каскадов и охвачен глубокой ООС (~30 дБ). Выходной каскад работает в классе А. Он выполнен по схеме с катодной связью и не требует отдельного фазоинверсного каскада. Сетка VL3  заземлена по переменному току. Часть напряжения с катодов выходных ламп подана на экранирующую сетку VL1, что стабилизирует режим по постоянному току.

Налаживание сводится к подбору резисторов R1...R3 так, чтобы напряжение на управляющих сетках ламп составило величину -12 В относительно их катодов. Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш-22х50. Первичная обмотка содержит 2х1000 витков медного эмалированного провода d=0,18 мм, вторичная - 42 витка провода d=1,25. Обмотки секционированы, вторичная обмотка размещена между слоями первичной. Исходник схемы можно найти по реквизитам Павлов В. Высококачественный усилитель НЧ. Радио, №10/1956, с.44.

Усилители в режимах класса A обеспечивают весьма высокое качество звучания. Однако переход к режиму AB при той же мощности рассеяния на аноде позволяет получить в два-три раза большую выходную мощность. Нередко такое мероприяите оказывается очень соблазнительным. Выходной каскад в режиме AB уже не может работать как схема с катодной связью, поэтому без отдельного фазоинверсного каскада здесь не обойтись.

Желание сократить если не число ламп, то хотя бы число баллонов, привело к появлению схемы усилителя на двух триод-пентодах. Низкочастотные триод-пентоды были в свое время специально разработаны для однотактных усилителей приемников и телевизоров (триодная часть использовалась в драйвере, пентодная - в выходном каскаде). Однако в двухтактном применении они тоже не подкачали. У публикуемой ниже схемы было немало воплощений. Ультралинейный вариант, на комбинрованных лампах был, например, в самом первом издании книги Гендина "Высококачественные любительские УНЧ" (1968 г.).

Пример схемы пропущен.

Двухтактный усилитель на триод-пентодах. Pвых = 10 Вт. Фазоинвертор по схеме с разделенной нагрузкой, связь с первым каскадом непосредственная. Выходной каскад пентодный с фиксированным смещением. Известны также варианты этой схемы с ультралинейным включением выходных ламп, с комбинированным и автоматическим смещением. Конструктивные данные трансформатора неизвестны. Цепь R3C2 обеспечивает устойчивость усилителя с замкнутой петлей ООС. Кстати, об ультралинейном включении выходных пентодов. В двухтактном варианте у них появляется еще один плюс - дополнительная компенсация гармоник, возникающих в выходном каскаде. Поэтому подавляющее большинство любительских конструкций выполнены именно по ультралинейному варианту. В промышленных конструкциях отечественного изготовления ультралинейные усилители опять-таки не прижились из-за сложности выходного трансформатора. Для получения высоких характеристик необходима полная симметричность конструкции, секционирование обмоток, сложная коммутация. При использовании трансформаторов массового изготовления выигрыш от применения ультралинейной схемы незаметен.

Скелет следующей схемы стал классикой и послужил основой для бесчисленного множества конструкций с разными вариациями. 

Ультралинейный усилитель Pвых = 12 Вт, Кг< 0,5% Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш 19х30 мм. Первичная обмотка содержит 2х(860+1140) витков проводом d=1,3 мм. Схема практически не нуждается в налаживании, что снискало ей популярность в промышленных и любительских конструкциях. Фазоинвертор выполнен по схеме с разделенной нагрузкой. Исходник схемы лекго найти по реквизитам. Лабутин В. Ультралинейный усилитель, Радио, №11/1958, с.42-44.

Несмотря на высокие характеристики и обычные пентодные, и ультралинейные усилители редко использовались без общей ООС. Применение ООС снижает выходное сопротивление усилителя и улучшает условия работы низкочастотных головок. Но для снижения выходного сопротивления усилителя можно использовать не только отрицательную, но и положительную ОС. В схеме следующего усилителя использована комбинированная обратная связь. 

Ультралинейный усилитель. Основная особенность усилителя - комбинация ООС по напряжению и ПОС по току, улучшающая согласование усилителя с динамической головкой в области основного механического резонанса  Сигнал ПОС снимается с датчика тока (R19), включенного в "земляной" вывод выходного трансформатора. Глубина обеих обратных связей регулируется синхронно, что исключает самовозбуждение усилителя. Первый каскад-усилитель напряжения. Фазоинвертор выполнен по схеме с катодной связью. Выходной каскад выполнен по типовой ультралинейной схеме и дополнен регулятором балансировки RP1  На втором триоде VL1 выполнен микрофонный усилитель Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш25х40 Первичная обмотка содержит 2х(1100+400) витков провода d=0 18мм, вторичная - 82 витка провода d=0,86мм (60м). Исходник схемы можно обнаружить по реквизитам Иванов В. Усилитель НЧ, Радио №11/1959 с.47-49.

Триодный выходной каскад обладает низкими искажениями и малым выходным сопротивлением даже без общей ООС. Характеристики каскада слабо зависят от приведенного сопротивления нагрузки. Это позволяет снизить индуктивность выходного трансформатора. Далее приведены два варианта схемы усилителя с выходным каскадом на двойном триоде.

Триодный усилитель Рвых=2,5Вт (+250В) Рвых=3,5Вт (+300В) Кг=3% (без ООС). Первый каскад-усилитель напряжения на пентоде (Kv=280 - 350). Использован фазоинвертор с разделённой нагрузкой. Выходной каскад построен с фиксированным смещением. Для снижения фона на обмотку накала подан потенциал +40В. Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш12 (окно 12х30мм), толщина набора 20мм. Первичная обмотка 2x2300 витков провода d=0,12мм, вторичная - 74 витка d=0,74мм. Силовой трансформатор выполнен на сердечнике Ш16 (окно 16х40мм), толщина набора 32мм. Сетевая обмотка содержит 2080 витков провода d=0,23мм, анодная - 2040 витков провода d=0,16мм, накальная - 68 витков провода d=0,84мм, обмотка смещения - 97 витков провода d=0,12мм.

Вторая схема триодного двухтактного окнкчного усилителя показан ниже. Исходник статьи можно отыскать по реквизитм. Зельдин Е. Триодный усилитель класса В. Радио № 4/1967, с.25-26. Параметры изделия весьма скромные Рвых = 2,5 Вт, Кг =0,7...1% 

При выборе триодной схемы телезрителям нужно отчётливо понимать, что даже в двухтактном усилителе придётся довольствоваться маленькой выходной мощностью. В выходном каскаде применено комбинированное смещение (использована накальная обмотка). Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш12 (окно 12х26мм), толщина набора 18мм. Первичная обмотка содержит 2x1800 витков провода d=0,1Змм, вторичная - 95 витков провода d=0,59мм (13 Ом).         Автор подборки А.Шихатов.  По материалам и сети статью подготовил

         Евгений Бортник, Красноярск, Россия, июнь 2016