Ламповый усилитель. Правда подбора ламп (дополнение)

Оставлен Evgenij Bortnik Пт, 02/16/2018 - 10:22

Со времени предыдущей публикации прошло много событий. По ходу жизни удалось отыскать дополнительные сведения по обозначенной теме. В сети обнаружены остатки материалов по сайту радиолюбительского населения республики Коми, что на северах РФ расположена. Вот там и попалась мне заметка по теме подбора электронных ламп, по всей видимости переведенная из какого-то зарубежного первоисточника. К сожалению утеряны численные результаты экспериментов, а изложенны одни слова. С большинством этих слов я согласен, однако, судя по публикации, и буржуям оказались свойственными: применение сермяжного подхода в некоторых вопросах, а также не совсем чёткие формулировки. Кроме того, возникло ощущение недопонимания разницы между понятиями: метод, методика, способ и технология. Каша наблюдается довольно очевидная. 

Воспроизвожу весь текст для телезрителей. Ну конечно же с моими редакторскими правками, хотя и небольшими. Это показалось мне нужным, поскольку в некоторых местах текста от образных выражений глаза режет, примерно как в глухом солдатском туалете на 40 дырок. В тексте есть полезная информация, и можно принять её к сведению. А в конце мне пришлось прибавить примечание на пару абзацев, в котором изложены мои частные, не особенно существенные, но возражения.

Радиотехнический сервер республики Коми. Ю. Погребан, (UA9XEX) 2005 год. В данном материале попробуем ответить на часто возникающие вопросы при конструировании и производстве современных мощных усилителей НЧ диапазона. Многое из изложенного ниже, будет полезно знать при домашнем конструировании ламповых выходных каскадов KB диапазона. Так, что же такое подобранные лампы и когда они необходимы, когда возникает необходимость их подбора и какова технология их отбора?

КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМП. Лампы могут отбираться разными способами. Основные параметры, по которым производится отбор:

1.Ток покоя. Любой ламповый усилитель в режиме А или АВ, имеющий сигнальные, драйверные и выходные лампы, имеет определенные токи покоя, которые определены анодным напряжением, напряжением смещения и характеристиками самих ламп. Позже мы увидим на конкретных примерах возможность идентификации тока покоя, любой пары ламп, находящихся в одинаковых условиях.

2.Крутизна характеристики. Крутизна определена, как s= изменение анодного тока/изменение напряжения сетки в данной рабочей точке и является основным критерием усиления в тетродах и пентодах. Крутизна обычно изменяется при разных анодных токах и анодных напряжениях, поэтому заявленная в паспорте крутизна характеристики верна лишь в том случае, когда приводится рабочая точка для данной крутизны. Крутизна падает при старении лампы. Правильно подобранные лампы будут иметь одинаковую крутизну, но лампы с одним значением крутизны не обязательно окажутся, одинаковы по другим параметрам, так что крутизна сама по себе не является полным показателем хорошего подбора.

3.Усиление. Определяется изменением напряжения на аноде к изменению напряжения сетки в данной рабочей точке и является показателем коэффициента усиления в триодах. Усиление, в основном, не меняется в различных режимах и с возрастом лампы, кроме случая, когда лампа выходит из строя или теряет эмиссию. Усиление также само по себе не является показателем хорошего подбора.

4.Выходная мощность. В усилителях мощности можно обнаружить, что с одних ламп можно выжать большую максимальную мощность, чем с других (подобных). Как правило, это вызвано различными характеристиками, когда рабочая точка отдельной лампы сдвигается в область максимальной мощности. Иногда выходная мощность может быть ограничена недостаточностью эмиссии катода.

5.Разброс от партии к партии при производстве. Даже если две лампы абсолютно подобраны, но при этом они из разных партий или имеют разный ресурс до подбора, они могут со временем "развалится" по характеристикам. Это, особенно, важно для слабосигнального усиления и в усилителях постоянного тока, где критичен дрейф постоянного напряжения. Чем больше различий в параметрах подбираемой пары, тем меньше шансов, что в дальнейшем она этой парой и останется.

КАКОВА НЕОБХОДИМОСТЬ ПОДБОРА ЛАМП? Не все схемы требуют подобранных ламп, но есть такие, которые требуют только конкретно подобранных параметров.

1.ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ЛАМП. Лампы включают параллельно для достижения более высокой выходной мощности или для получения более низкого выходного сопротивления. Передаточная характеристика (зависимость анодного тока от отрицательного смещения на сетке) является суммарной характеристикой каждой лампы. Если подбора по крутизне не было вовсе, то передаточная кривая будет иметь изломы. Тем не менее, при параллельном включении большого количества ламп незначительные несовпадения уравниваются. Одинаковость по анодному току здесь менее критична.

2.ДВУХТАКТНЫЕ ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ. Существуют две причины необходимости подбора ламп в выходных каскадах: для уменьшения несбалансированного постоянного тока через выходной трансформатор и для компенсации четных гармоник. Разбаланс токов по плечам может вызвать насыщение сердечника, что в результате приведет к снижению индуктивности и росту искажений. Насыщения желательно избегать.

На примере НЧ-технологии (прим. RW3AY). Для преодоления проблемы насыщения сердечника, делают воздушный зазор в сердечнике, например в SE-выходных трансформаторах. Естественно за счет снижения индуктивности. В свою очередь снижение индуктивности должно быть скомпенсировано увеличением количества витков, что усугубляет высокочастотные проблемы. Вот, поэтому большинство производителей НЧ трансформаторов предпочитают доводить воздушный зазор до минимума, для того, чтобы схема работала с минимальным разбалансом по постоянному току. Что касается тороидальных трансформаторов, так они вообще не имеют воздушного зазора. Как же быть? Кроме этого, точная балансировка пушпульной схемы позволяет исключить четные (2, 4, 6 и т.д.) гармоники, в ее усилительных элементах. Но это не касается подавления четных гармоник, присутствующих во входном сигнале. Отсутствие разбаланса по плечам особенно важно для усилителей в режиме АВ и В, где лампы выключаются на часть периода. В тщательно сбалансированной схеме можно хорошо уменьшить суммарные искажения, особенно, на малых уровнях сигнала. Подбор на больших уровнях сигнала также необходим для предотвращения эффекта "выпрямления", когда лампы несбалансированны. Такой эффект создается из-за сквозного тока, пропорционального уровню сигнала. Степень требуемого подбора выходных ламп зависит от цепей смещения и схемы драйвера. Если применяется нерегулируемое фиксированное смещение (как в большинстве дешевых усилителей), или единая регулировка смещения на оба плеча одного канала в более серьезных "машинах", то необходим точный отбор ламп по анодному току. Любой разбаланс по плечам ведет к потерям в выходном трансформаторе. Если же имеется регулировка смещения отдельно для каждой лампы или регулировка баланса смещения (иногда, называемая DC-коромысло), то одинаковость самих ламп по анодным токам менее важна и достаточно лишь сходства характеристик. Когда обеспечен баланс по переменному току, то требование абсолютной одинаковости выходных ламп на предельных токах еще менее критично. К сожалению, процедура балансировки по переменному току без соответствующих приборов затруднительна.

КАКОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОДБОРА? При исследованиях использовалось большое количество ламп EL34 и 6BQ5 и при поиске лучшего способа подбора в пары, были разработаны технологии подбора, описанные ниже.

1.ПРОГРЕВ С ОТБОРОМ ТОКА. Собственные параметры многих ламп изменяются после первых часов работы. В далёком прошлом лампы для чувствительных усилителей постоянного тока перед установкой выставляли на прогрев в 48 часов. Обнаружилось, что в мощных лампах (китайских EL34 и югославских 6BQ5) значение анодного тока в основном стабилизируется за несколько часов прогрева при нормальном отборе тока.—хороший компромисс между стабильностью и достоверностью данных в тестовых экспериментах это 12 часов тренировки. Хотя дрейф характерен не для всех лампам. Из-за высоких требований к идентичности, для ламп, подобранных сходу, без длительного прогрева, пришлось повторить работу заново после недолгого использования.

2.Применение ИЗМЕРИТЕЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМП. Измеритель ламповых характеристик считают основным прибором, который дает полное представление о параметрах лампы. Но так ли это? Когда появляется опыт применения "лампомера", становится очевидным недостаток. Например, два разных триода с одинаковой крутизной s, нередко обладают разными анодными токами. Поскольку большинство "лампомеров" измеряют крутизну без контроля анодного тока, можно считать, что такие приборы для подбора ламп не совсем пригодны, так как требуется дополнительный контроль токов.

3.ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ. Неплохой способ подбирать в пару лампы по анодному току, прямо в изделии. Но для этого надо иметь изделие или тестовый прибор, который задает условия, идентичные рабочему усилителю, выставить смещение для требуемого тока и отметить его. Одинаковость на максимальных режимах проверяется на повышенных напряжениях и токах для уверенности, что подобранные лампы имеют одинаковые характеристики в разных рабочих точках. Следует соблюдать осторожность, чтобы не превысить мощность рассеяния анодом или экранной сеткой при продолжительном испытании.

4.ИЗМЕРЕНИЯ В ДИНАМИКЕ. В НЧ усилителях балансировка по постоянному току может быть проведена на частоте насыщения сердечника. Это делают после предварительной настройки, путем подачи на вход синусоидального сигнала, дающего полную мощность на эквивалент нагрузки. При понижении частоты сигнала оценивают режим потребления. Эксперимент ведут до тех пор, пока сигнал не станет отчетливо искажаться на экране осциллографа. Для хороших трансформаторов это частота от 40 Гц и ниже. Критерием подбора ламп в здесь считают минимальное значение второй гармоники. Подобный подход дает приемлемые результаты в том случае, если лампы отбирают в пару на усилителе, где они будут использованы в дальнейшем. Из-за возможной несимметрии схемы и трансформатора в тестовом усилителе дополнительная проверка по постоянному току все равно нужна. Это целесообразно, поскольку выбранные лампы могут не подойти для использования в другом усилителе. Таким способом сравнительно сложно подобрать более чем одну пару ламп.

5.ПРИМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИОГРАФА. Самым быстрым способом подбора ламп в пару по рабочим характеристикам во всем диапазоне, является использование лампового характериографа, наподобие Tektronix 570. Кривые характеристик двух ламп могут быть ясно сравнимы на экране электроннолучевой трубки. Если кривые совпадают, то лампы можно считать парными. Численные значения токов и напряжений с экрана получить несколько сложнее, поэтому хорошим способом подбора является использование характериографа с предварительным измерением по постоянному току в статическом режиме, методом, описанным выше. Затем пары с одинаковым значением смещения могут быть измерены на характериографе. Как правило, они будут совпадать в этой точке. Если нет, то берите другую пару с похожей величиной смещения. Таким способом можно сделать подбор если не всех, то большинства ламп.

Характериограф показывает характеристики двух разных по устройству ламп КТ66 с одинаковым током в определенной рабочей точке (смотреть нужно по центру экрана), но с разными характеристиками на крайних точках. Например, характеристики старейшей КТ66, сделанной в Англии (с, серым графитовым покрытием внутренней стороны баллона), и характеристики 7581/КТ66 General Electric более позднего производства (примерно середины 70-х). На обоих экранах шаг развертки по сеточному напряжению 5 вольт. По абсциссе - 50 вольт на клетку. По оси ординат 20 мА на клетку. Хотя в центральной части экрана лампы выглядят очень похожими, при крайних значениях токов они заметно разнятся друг от друга.

Желательно показать некоторые тонкости в работе с характериографом. При подборе пар либо одновременно включайте накалы обеих ламп, либо дайте лампам прогреться несколько минут, чтобы температура катодов стабилизировалась. В том случае, когда лампы будут использоваться только в триодном включении (для тетродов и пентодов), будет разумно проверить их именно в триодном включении. Если в пентодном или ультралинейном - установите напряжение питания для второй сетки несколько ниже предельного анодного. Если кривые имеют неприлично изломанный вид или изображение на экране слегка размыто, возможно, лампа влезла в паразитную генерацию. Попытайтесь подвигать соединительные провода относительно друг друга и убедитесь, чтобы антипаразитные резисторы в сетках (управляющей и экранной) были припаяны непосредственно к лепесткам панелек с минимальной длиной выводов. Если эти манипуляции не дадут нужного результата, попробуйте подключить конденсатор малой емкости (0,001 мкФ) с анода и/ или второй сетки на катод, естественно, непосредственно на выводах панельки.

ЧТО ТАКОЕ "ПОДОБРАННЫЕ ПАРЫ" В ПРОДАЖЕ. Эта заметка не вызвана желанием дать оценку лампам, продаваемым как подобранные пары, но призвана заострить внимание на тех моментах, которые необходимо знать при их покупке. Опыт приобретения парных ламп у продавцов ранее уже обсуждался на встречах "огнепоклонников" в Сан-Франциско. Обычно на вопрос о применяемых технологиях подбора продавцы либо не знали, как это делалось, либо мололи чепуху, говоря, что это их частные (секретные) методики. Некоторые покупатели отмечали, что купленные ими лампы оказались абсолютной парой, другие наоборот, что характеристики заметно разошлись при проверке ламп на характериографе.

Вот несколько вопросов, которые уместно задать продавцу при покупке парных ламп. Подвергались ли лампы термотренировке? Как продолжительно? Происходило ли это с токоотбором? Дело в том, что прогрев накалов, без токоотбора, ничего не даст для стабилизации режима. При каких анодных и сеточных напряжениях проводился токоотбор? В идеальном случае они должны быть близки условиям работы в готовом усилителе. Проведен ли подбор по одном режимному параметру? Либо в нескольких точках? Компьютеризованные тестеры или аналоговые характериографы обычно проводят измерения в широком диапазоне характеристик. Насколько точен подбор? (5% или точнее) По каким параметрам велся отбор? Нормированное смещение на сетке для получения анодного тока - наиболее приемлемый ответ. Не решайтесь на покупку, если отбор велся только по крутизне. Часто методики подбора пар держат в секрете под видом ноу-хау, однако нет нужды скрывать их и покупатель, отдавая деньги, должен знать, за что он их отдает.

ПОДВЕДЕМ ИТОГ. Подбор ламп по парам не является магией, но так ли уж нужны пары в любом случае? И если придерживаться следующих советов, вы наверняка добьетесь лучших результатов за те деньги, которые потратили. Лампы для усиления слабых сигналов редко требуют подбора, исключением являются усилители постоянного тока (что в настоящее время мало актуально) и полностью балансные схемы. Строго подобранные пары нужны только в усилителях, где отсутствует балансировка плеч по анодному току (как ни смешно, это касается как раз дешевых усилителей). Убедитесь, что подбор ламп производился после тренировки, а критерием их подобия является равенство анодных токов при едином напряжении смещения на управляющей сетке. Важен и внешний вид. Хотя, этот момент более психологический, нежели практический, покупатель, найдя внешние различия при взгляде на пару подобранных ламп, может решить, что это вовсе не пара и качество работы из-за этого может пострадать.

А ЧТО СКАЗАТЬ ПРО СЛАБОСИГНАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА? Подобранные лампы или одинаковые половинки ламп (в двойных триодах) обычно используются в усилителях постоянного тока с тем, чтобы свести до минимума разность параметров, связанных со старением и непостоянством тока накала. В звуковых и измерительных схемах для компенсации помех входных сигналов используются дифференциальные усилители. В этих схемах помехоустойчивость максимально зависит от подбора. Элементы управления балансом по постоянному току помогают минимизировать разброс ламп не только в момент включения подобранной пары, но и при старении ламп. Для дифференциальных усилителей типовой подбор ламп необходим почти по всем параметрам: - анодному току, - крутизне, - партии производства. Дифференциальные усилители также используются как фазоинверторы, но здесь всегда имеется присущий данному типу схемы некоторый разбаланс, который делает тщательный подбор менее необходимым, чём в полностью балансном дифференциальном усилителе. В звуковых усилителях балансные схемы, требующие подбора ламп, как правило, не используются. Однако исключением являются полностью балансные схемы, которые применяются в современных усилителях с балансным входом.

Примечание редактора (Ю.Погребана). Внимательный читатель понимает, что большинство приведенных примеров и экспериментальных данных приводится при подборе ламп для высококачественных низкочастотных усилителей мощности. Но, на мой взгляд, большую часть сказанного можно использовать и при предварительном отборе ламп для ВЧ усилителей мощности, там, где предстоит устанавливать две и более ламп.

Примечание Евгения Бортника. Сказанное выше имеет право на существование. Однако пункт 2 считаю пустым или малоосновательным. Именно «лампомер» исторически был заточен на измерение параметров. А по соотношению результата к количеству денег и убитого времени это самый выгодный вариант. Это объективный вариант работы с реальными цифрами. Крутые железки это неплохо, но дороговато. Второе соображение про выбор из одной партии. Это конечно же верно, но это отдельная, почти самодостаточная тема и не надо валить её в кучу с физическим экспериментом. Параметры ламп естественно плывут в ходе прогрева с токоотбором. На затем встают. И это есть точка измерения. А тратить сутки на подбор пары ламп это безумие. Никто и никогда не даст достойных денег в компенсацию убитого человеком времени из своей собственной жизни. Погрешности по токам и крутизне в 10-15% вполне достаточно. В любой ламповой схеме, - достаточно. А если есть подстройка и балансировка, то вовсе можно обойтись чистыми добротными экземплярами из одной партии.

Не могу согласиться с легкомыслием в отношении важности подбора мелких ламп. Именно в предварительном каскаде формируются основные искажения. Именно там нужно очень и очень аккуратно подобрать с повышенной точностью симметричные половинки для схем с точной балансировкой. Если половинки выполняют одинаковую работу, то они должны быть одинаковыми!!! Это даёт уверенность в одинаковых для половинок, генерирующих искажения причинах. А для схем, где мелкие половинки несут разные функции, подбор в симметрию не нужен совсем. Наоборот, слабая половинка может быть вначале, в слаботочном режиме, а помощнее – следом, уже на раскачке. Это же элементарно.

   По материалам сети, публикацию с минимальной редакторской правкой, подготовил

                  Евгений Бортник, Красноярск, Россия, февраль 2018