Ламповый усилитель. Редкий пример хорошего однотакта

Оставлен Evgenij Bortnik Чт, 03/08/2018 - 21:50
Аватар пользователя Evgenij Bortnik

Вниманию телезрителей предлагаю статью по теме построения однотактного лампового усилителя. Пожалуй, такая статья здесь единственная. По моему глубокому убеждению, однотактные усилители внимания не заслуживают. Т.е. для меня ответ на вопрос, что представляет собой усилитель, существует. Статья Александра Торреса написана очень квалифицировано с пониманием проблематики и технических сторон реализации столь сложного проекта. Автор демонстрирует высокую культуру, лишь слегка обозначая сарказм, в отношении определённой части телезрителей, называемых удифилами. Однако, на мой взгляд, проявление Александром подобной выдержанности и толерантности в отношении явной глупости, избыточно.

Двухкаскадный однотактный на 6СЗЗС без обратных связей. Усилителей на свете много. Какой из них лучше, какой хуже – однозначного ответа нет. Одни предпочитают транзисторные или микросхемные «мощные операционники», другие – только однотактники, третьи падают в обморок, если в усилителе находят хоть один полупроводниковый элемент (даже если это всего-навсего светодиод индикации – и вместо него норовят поставить неоновую лампочку или «зеленый глаз»). Четверых выворачивает наизнанку, если стоят параллельные лампы, транзисторы, конденсаторы или даже резисторы, но при этом выясняется, что они не понимают, чем отличается трансформатор от дросселя (случай реальный). Пятые – пытаются решить все проблемы подбором правильного направления серебряных сетевых проводов и «правильного» припоя. Описываемый усилитель не претендует на звание «супер-пупер» или «всех времен и народов». Я прекрасно отдаю себе отчет, что лампа 6СЗЗС хотя и хорошая, но не самая-самая. Но было интересно сконструировать усилитель, исходя из некоторых концепций. Хотя «лучшая концепция – это отсутствие всякой концепции» (С) перефразированный А.Клячин, тем не менее, были высказаны следующие пожелания:    1.Обойтись без обратных связей, даже местных. 2.Минимум каскадов усиления. 3.Обойтись без электролитических конденсаторов в цепи сигнала (кроме стоящих по питанию – они ведь тоже находятся в сигнальной цепи). Получить достаточно высокую мощность для однотактника (15-18вт), чтобы обеспечить достаточную перегрузочную способность и малый уровень искажений на обычной для комнаты громкости (4-5Вт на акустике, с чувствительностью 88-92дБ). Обойтись минимумом моточных изделий, а те, без которых нельзя – максимально простые.

Мощный стабилизаторный триод 6СЗЗС отличается от большинства других триодов своим огромным током анода. Это обуславливает большую любовь к построению бестрансформаторных усилителей, или OTL, на этой лампе. К сожалению, ни одного нормально звучащего ОТЛ мне пока услышать не посчастливилось, но возможно повезет в будущем. Однако, его недостатком, кроме большой мощности накала, является большая тепловая инерция, температурная нестабильность, особенно при высоком сопротивлении утечки в цепи сетки. Проявляется это в том, что при использовании фиксированного смещения (рисунок внизу слева) вследствие изменения температуры, напряжений и большой тепловой инерции - при максимальном использовании лампы (т.е. близкой к максимальной мощности на аноде – 55-60Вт) нередко наблюдается лавинный саморазогрев лампы. Встречается много утверждений, типа «все это чепуха, я сделал и ничего не случилось». Но, как правило, или при этом использовалась 6СЗЗС с мощностью на аноде 40-45Вт, или это был Лофтин-Уайт (усилитель с непосредственными связями), или же «просто повезло». Есть также индивидуумы, использующие эту лампу с половиной накала и большим «недогрузом». У них тоже она не идет «вразнос», но мне всегда их хотелось спросить – а зачем вам при этом 6СЗЗС? Есть много других ламп.

Справедливости ради замечу, что и мне попадались нормально живущие с фиксированным смещением ламп (особенно 6СЗЗС-В) даже при мощности 70-80Вт на аноде, но немало попадалось и таких, которые «шли вразнос» уже при 50Вт. Есть у меня одна уникальная лампа, которая уходит в лавинный саморазогрев, как только мощность превышает 63-64Вт. Даже с использованием описываемого ниже «автофикса», эта лампа «улетала» в ток величиной 1 ампер, при смещении на сетке минус 100В! Поэтому наиболее часто используют автоматическое смещение (рисунок справа), которое дает прекрасную стабилизацию режима работы лампы. Но, как и в «Золотом правиле механики» - выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии. Вместе со стабилизацией режима, мы получаем резистор в катоде, на котором рассеивается большая мощность (порядка 20Вт) и местную обратную связь, для устранения которой – резистор необходимо шунтировать конденсатором большой емкости. В случае 6СЗЗС, работающей при токе 300мА и смещении 70В, резистор 230Ом рассеивает 21Вт. И ему требуется электролитический конденсатор, импеданс которого не больше 1/10 от сопротивления резистора на нижней рабочей частоте. В данном случае – это не менее чем 330мкФ на 100 вольт, лучше же использовать 1000мкФ на 100В в сочетании с пленочным конденсатором 1-10мкФ.

Какие еще могут быть варианты? Схемы с непосредственной связью и с переходными трансформаторами могут помочь, но они обладают своими недостатками. Достоинствами фиксированного смещения являются, кроме отсутствия резистора и конденсатора в катоде лампы, еще отсутствие потерь (нагрева) этого резистора и легкость регулировки смещения простым маломощным подстроечным резистором. В случае автосмещения – ток покоя лампы можно изменить только изменением величины мощного резистора в катоде выходного каскада.

Много десятилетий назад, была придумана схема последовательного автосмещения. От обычного автосмещения она отличалась тем, что резистор стоял ДО фильтрующего конденсатора блока питания. Поскольку падение напряжения на нем зависит от тока через лампу, то и происходит стабилизация. Нужно только выделить постоянную составляющую, т.к. через резистор идет пульсирующий ток выпрямителя. Олег Чернышев (Ярославль) предложил брать напряжение с резистора через диод, соорудив, таким образом, пиковый детектор, этим удалось уменьшить сопротивление резистора, выделяемую на нем мощность (примерно в 2-3 раза), и уменьшить пульсации напряжения смещения. Я пошел на небольшое увеличение сопротивления резистора и рассеиваемой на нем мощности до 11-12Вт (но все же – оно меньше чем для обычного автосмещения) для увеличения напряжения, снимаемого с резистора, добавив в схему подстроечный резистор. В итоге, получившаяся схема обладает следующими достоинствами: -отсутствие катодного резистора и конденсатора, - легкость установки желаемого тока лампы обычным мелким подстроенным резистором. Стабилизация режима, поскольку это не фиксированное, а автоматическое смещение (Ucm зависит от тока лампы). Есть еще одно достоинство предлагаемой схемы – резистор автофикса стоит между выпрямителем и электролитом, тем самым ограничивая зарядный ток конденсатора, как во время включения (InRush Current), так и во время работы.

Существует другая возможность – использовать трансформатор тока, установленный в цепи переменного тока (во вторичной обмотке анодного трансформатора, перед выпрямителем. Возможна и его установка в первичной обмотке.) Такая схема еще больше снижает потери мощности во вспомогательных цепях, но требует более сильной фильтрации напряжения смещения, что может привести (и в некоторых случаях я это наблюдал) к самовозбуждению схемы на инфранизких частотах.

Следует заметить, что как схема автофикса, так и схема с трансформатором тока, в случае изготовления стереоусилителя, а не моноблоков, – требуют раздельных анодных обмоток и выпрямителей для каждого канала. Перейдем к рассмотрению полной схемы усилителя. Выходной каскад построен по схеме «автофикс» с регулируемым смещением. Режим работы каскада – 210В на аноде при 0,28А. При желании, можно его изменить подстроенным резистором в обе стороны (зависит от конкретной лампы). При изменении смещения меняется как ток, так и анодное напряжение (из-за изменения падения напряжения на резисторе автофикса). Резистор 1Ом в цепи катода 6СЗЗС служит для измерения тока, после настойки его можно закоротить (хотя он никому не мешает). Выходные трансформаторы секционированные – 4 секции первичной обмотки (790 витков, в сумме, провод 0,85мм), между которым 3 секции вторичной обмотки (по 36 витков в каждой), которая намотана плоским литцендратом большого (2кв.мм) сечения – это позволило обойтись без запаралеленных секций и уйти от уравнительных токов. Во вторичной обмотке сделан отвод от одной секции, это позволяет включать трансформатор тремя различным способами, получая с нагрузкой 8Ом величину Ra – 0,43kОм; 0,96kОм и 3,8кОм. Последнее значение вряд ли имеет практический смысл (хотя целиком вписывается в «концепцию» Юрия Макарова – Ra/Ri=20-30), но может быть интересно в качестве эксперимента, а также при работе с 4-х омной акустикой. Сопротивление 430Ом на первый взгляд мало, но с другой стороны – «соотношение Ra/Ri не следует делать более 4-5, поскольку ухудшается динамика каскада, а нелинейные искажения, при уходе выше этого соотношения уменьшаются незначительно (с) Анатолий Манаков». В реальности – все зависит от акустических систем (АС), как и многие SE без обратной связи, данный усилитель критичен к характеристике импеданса АС.

 Сердечник выходного трансформатора – «двойной С-Core» из железа М5, сечение центрального керна 18кв.см., прокладка – 0,3мм. Трансформатор имеет индуктивность 4.5Гн, сопротивление первичной обмотки по постоянному току – 5.5Ом. Линейный участок намагничивания трансформатора простирается вплоть до тока 0,62А. С полным включением вторичной обмотки полоса частот трансформатора 9Гц-75кГц, а всего усилителя – 11Гц-53кГц (по уровню -3dB при напряжении 10В на нагрузке 8Ом), выходное сопротивление – около 2 Ом, искажение синусоиды (по осциллографу) на выходе начинается при мощности на нагрузке 15-18Вт. Коэффициент усиления – 13.

Поскольку целью являлось построение 2-х каскадного усилителя, то первый каскад (драйвер) должен обладать достаточным коэффициентом усиления, и большим запасом по размаху выходного сигнала. Используемая лампа 6Э5П, которую "открыл" для аудиоприменения Анатолий Манаков, при питании 350-400 В позволяет получить, в отсутствие выходного каскада, размах выходного сигнала +120В peak-to-peak.

Это примерно вдвое превышает максимально возможный сигнал +60-70 В р-р, который зависит от напряжения смещения выходного каскада. Эта лампа может быть включена как тетрод или как триод. В первом случае усиление даже избыточно (100-130), во втором – наоборот, недостаточно (30-40). В связи с этим, использована т.н. <ультралинейная> схема включения тетрода, в которой вторая сетка подключена к части анодной нагрузки. При указанных на схеме номиналах, эта схема имеет коэффициент усиления 60-70, что наиболее подходит для данного случая. В оригинальной схеме А.Манакова в аноде стоят одинаковые резисторы, и коэффициент усиления 45-50. Смещение драйвера может быть сделано несколькими способами – традиционное автоматическое смещение (резистор около 100 Ом, зашунтированный конденсатором 2000 мкФ в катоде, сеточный резистор при этом сидит на земле), фиксированное смещение батарейкой в цепи сетки и собственно фиксированное смещение. Последнее и было выбрано, поскольку нужно обойтись без конденсаторов в катодах всех ламп. Откуда брать напряжение (отрицательный источник) для фиксированного напряжения, не имеет большого значения. А поскольку такового не имелось – был и в драйвере использован «автофикс». Здесь его стабилизирующие свойства автоматического смещения не так важны, поэтому смещение выбрано общим для двух каналов. Аналогично питанию выходного каскада, в питании драйвера резистор автофикса также способствует уменьшению пиков зарядного тока электролитов блока питания.

Анодный блок питания входного каскада имеет 3-х ступенчатый фильтр, образованный сначала резистором автофикса и первым электролитическим конденсатором, затем последовательным резистором и вторым конденсатором, и в заключение – «электронным дросселем» на мосфете и большим, установленным параллельно выходному каскаду электролитическим конденсатором, зашунтированным пленочным. В выпрямителе используются быстрые диоды и противопомеховые фильтры (common mode, на схеме не показаны), предотвращающие попадание «мусора» из сети. Аналогичный «электронный дроссель» применен и в анодном питании драйвера. Накалы всех ламп питаются переменным током, для уменьшения фона – все накалы смещены на несколько десятков вольт вверх. Светодиод в цепи делителя смещения накалов использован для индикации. При таком построении блока питания, уровень фона на выходе составляет около 3мВ, что на АС с чувствительностью 90дБ, практически не слышно, даже если «вставить ухо в колонку». Эксперимента ради, я пробовал не меняя ничего в блоке питания, закорачивать электронные дроссели выходных каскадов. При этом в АС появлялся небольшой фон, неслышимый уже с полуметра, но я все же рекомендую не отказываться от них. При повторении усилителя, следует учесть, что некоторые элементы не только лампы, также рассеивают определенное количество тепла – это резисторы автофикса и резисторы в анодной цепи драйвера. Их следует выбирать соответствующей мощности. Мосфеты электронных дросселей греются слабо, радиаторы им не нужны. Более чем достаточно привинтить мосфеты к металлическому шасси, а вот резисторам автофикса может понадобиться и радиатор. Панельки под 6СЗЗС лучше всего керамические, помните – они сильно нагреваются. Звучание усилителя получилось достаточно интересным, чувствуется большой запас мощности. Очень чистые и прозрачные ВЧ, прекрасно передающиеся СЧ и мягкие, ненавязчивые НЧ, но конечно – для передачи «взрывов» в кино этот усилитель годится меньше мощного транзисторного двухтактника. Благодарю Анатолия Манакова, Марка Фельдшера и других за помощь и консультации.

P.S. Уже после выхода статьи, была сделана вторая версия усилителя. Ее основные отличия: Увеличена емкость конденсатора С5 до 2000мкФ. Число витков первичной обмотки выходного трансформатора увеличено до 1200. Использованы раздельные трансформаторы анодного питания (Т2) для двух каналов. Остальные отличия не принципиальны, и связаны с другой механической конструкцией усилителя.      Александр Торрес, Гонгконг.    Замечательная статья. Понятная цель, разумные средства. Публикацию подготовил, и немного отредактировал

            Евгений Бортник, Красноярск, Россия, 2016