Предварительные каскады лампового усилителя

Оставлен Evgenij Bortnik Пнд, 03/19/2018 - 23:57
Аватар пользователя Evgenij Bortnik

Каскады предварительного усиления. Типовой источник сигнала раньше развивал выходное напряжение на уровне 50-200 мВ. На это напряжение ориентировали высококачественные усилители. Между входными гнездами и сеткой первой лампы раньше располагали корректирующие цепи, в которых сигнал ослаблялся минимум вдвое (6 дБ) на самом чувствительном входе. В тонкомпенсированном регуляторе громкости минимальное ослабление сигнала составляет еще 6дБ. Регуляторы тембра, обеспечивающие глубину регулирования ±20дБ, обычно ослабляют сигнал еще на 30-40дБ. При наличии во входных цепях катодных повторителей потери сигнала возрастали еще на 3-6дБ. Итак, общее затухание сигнала раньше составляло 45-58дб. Величина напряжения сигнала на сетках ламп оконечного каскада составляет в среднем 10-20 в. Отношение этой величины к входному напряжению сигнала составляет 10/0,05 = 200 (46 дБ). Итак, усиление предварительных каскадов с учетом затухания сигнала и необходимого напряжения на сетках ламп оконечного каскада раньше должно было иметь величину порядка 90-100 дб. Иначе говоря, коэффициент усиления предварительных каскадов должен быть равен примерно 100000. Это довольно значительная для низкочастотного усилителя величина. Если коэффициент усиления по напряжению каждого из усилительных каскадов равен примерно 10, то, очевидно, число каскадов должно быть равно 5. При коэффициенте усиления каждого каскада порядка 100 общее количество каскадов будет равно 3 (с некоторым запасом). Поскольку коэффициент усиления, равный 10 на каждый каскад, обеспечивает практически любой современный низкочастотный ламповый триод, а коэффициент усиления 100 на каскад является предельным даже для хороших НЧ пентодов, то можно утверждать, что для ламповых усилителей число каскадов предварительного усиления должно лежать в пределах от трех до пяти.

Сколько же каскадов делать: 3 или 5? Первым, разумеется, напрашивается ответ "3". Однако не стоит торопиться. Три каскада - это значит минимальный коэффициент усиления каскада равен корню третьей степени из 10000. Заметим, что это не μ лампы, а коэффициент усиления каскада, который редко превышает 50% от μ лампы. Следовательно, триоды отпадают. Значит, будет три каскада на пентодах или, в крайнем случае, два на пентодах и один на триоде. Последняя схема, не имеющая никакого запаса по усилению, не позволяет использовать в схеме отрицательную обратную связь, т.е. практически непригодна для Hi-Fi - усилителей, ибо без отрицательной обратной связи немыслимо снизить коэффициент нелинейных искажений и расширить частотный диапазон до требуемых величин. Три каскада на пентодах могут позволить ввести отрицательную обратную связь, но тогда на пентоде оказывается собран и первый, входной каскад, а в этом случае, как показывает опыт, практически невозможно добиться полного отсутствия микрофонного эффекта и уровня фона ниже - 60 дб. Другая крайность - пять каскадов на триодах - всегда обеспечивает нужный коэффициент усиления даже на самых плохих лампах, однако, применяя лампы со средним коэффициентом усиления порядка 20-50, без труда удается получить требуемый коэффициент усиления с достаточным запасом при четырех триодах (т. е. на двух сдвоенных лампах). Такая схема и является наиболее распространенной. Правда, многие зарубежные фирмы выпускают специально разработанный пентод для входного каскада с малым уровнем собственных шумов и не склонный к микрофонному эффекту (EF-184, EF-804 и др.). Применяя такой пентод и последующие триоды с большим μ (90-120) по типу ЕСС-83, удается получить нужный коэффициент усиления на трех каскадах по системе пентод - триод – триод, но во-первых, такая система требует применения специальных ламп, а во-вторых - очень высокого качества трансформаторной стали, высокочувствительных оконечных ламп и т.д. Поэтому такая схема не подходит.

Примечание. В 21 веке ситуация существенно изменилась. Физические аналоговые каскады предварительного усиления сейчас никто не городит. Предварительную обработку сигнала доверяют высококачественным ЦАПам. Входной сигнал считают нормой в 1-2 вольта. Поэтому для лампового оконечника достаточно усиления в 20-50 раз. А с такой задачей справляется одна электронная лампа в каскаде предварительного усиления. Это, например, двойной триод, в котором совмещены функции фазоинвертора. Именно поэтому весь мусор от многочисленных последовательных каскадов остался в далёком прошлом.     Евгений Бортник.

Фазоинверторы. Если фазоинвертор собран по схеме, в которой каждое плечо является одновременно и усилителем (например, по схеме рис.1), то коэффициент усиления этого плеча учитывается в общем усилении тракта. Напоминаем, что учитывать нужно усиление только одного плеча, так как второе плечо инвертора является лишь согласователем для второго плеча двухтактного оконечного каскада и не входит в общий усилительный тракт.

Если же фазоинвертор собран по схеме симметричного катодного повторителя (рис.2), то его коэффициент усиления всегда меньше единицы, поэтому такой каскад не только не является усилительным каскадом, но еще требует дополнительного увеличения общего усиления на 4-6 дб.

Методика выбора коэффициента усиления для усилителя на транзисторах совершенно та же. Теперь конкретно о самих схемах каскадов предварительного усиления (КПУ). Это - простейшие резистивные усилители без каких-либо схемных особенностей. Типичным для всех каскадов, как на триодах, так и на пентодах, являются уменьшенные в 2-5 раз по сравнению с оптимальными расчетными величинами анодных (коллекторных) нагрузок для расширения полосы пропускания в сторону более высоких частот, увеличенные до 0,1-0,25 мкф переходные конденсаторы и до 1-1,5 Мом резисторы утечки сетки для снижения спада частотной характеристики на низких частотах, применение отрицательной обратной связи по току во всех каскадах, кроме того, на котором собран блок регулировок частотной характеристики. Что касается самих усилительных элементов, то за последние годы появилось множество различных новых типов ламп и транзисторов с отличными параметрами. Так, величина S у маломощных ламп стала равна 30-50 мА/В против привычных значений 3-10 мА/В, в связи с чем резко возросла чувствительность ламп. Подсчеты показывают, что теоретически все предварительное усиление можно получить даже на двух каскадах с такими лампами. Однако полезно будет предостеречь любителей от поспешности в выборе таких ламп. И дело здесь не в консерватизме, а в том, что увеличение, скажем, крутизны ламп достигается резким уменьшением зазора между управляющей сеткой и катодом, что значительно повышает склонность лампы к появлению термотоков и вытекающих из этого огромных нелинейных искажений. Немаловажны, также большая стоимость и меньшая долговечность таких ламп. Можно утверждать, что такие проверенные многолетней практикой лампы как 6Н1П, 6Н2П, 6НЗП, 6Н23П, 6Н24П, 6Ж1П, 6Ж5П вполне годятся для предварительных каскадов даже самых лучших, самых современных усилителей. Для примера, ниже показаны несколько схем КПУ на лампах в их обычных режимах

На рис.3. показаны каскады предварительного усиления на лампах. а - двухкаскадный усилитель с междукаскадной внутренней обратной связью; б - каскад с линеаризирующей обратной связью в цепи защитной сетки. 

Оконечные и предоконечные каскады – усилители мощности. Формально предоконечные каскады (драйверы, от английского слова drive - возбуждать, задавать, раскачивать) относят к усилителям напряжения, т. е. к предварительным каскадам, однако рассмотрены они в этом, а не в предыдущем параграфе, чтобы подчеркнуть, что по характеру работы и по режимам использования драйверы значительно ближе к оконечным усилителям, т.е. усилителям мощности. Для Hi-Fi усилителей характерна значительная величина выходной мощности порядка 15-50Вт. Это значит, что для возбуждения (раскачки) оконечного каскада без заметных нелинейных искажений уже требуется мощность порядка 1-5Вт, при напряжении до 25-35В, а если учесть требования к уменьшению нелинейных искажений, то становится ясным, что обычные маломощные триоды не могут обеспечить возбуждения мощных оконечных ламп. Поэтому логичным и оправданным становится использование в последнем каскаде усиления напряжения мощных ламп. Возможно, что теоретически более правильно предоконечные каскады во всех случаях делать трансформаторными или дроссельными, чтобы получить наибольшую величину коэффициента использования по анодному напряжению ξ, однако есть несколько соображений, почему этого делать не следует. Трансформаторный каскад всегда вносит заметные частотные искажения, а при мощностях свыше 1-2 вт и ощутимые нелинейные искажения. К тому же трансформаторы относительно дороги, сложны и трудоемки в изготовлении, тяжелы и громоздки, чувствительны к магнитным наводкам и одновременно являются источником наводок звуковой частоты для других цепей усилителя (в первую очередь входных).

В то же время в распоряжении радиолюбителей сейчас есть лампы средней мощности, широкополосные и экономичные, позволяющие без труда получить неискаженную мощность порядка 2-4Вт на активном сопротивлении нагрузки. К ним в первую очередь нужно отнести лампы типов 6П15П, 6Э5П, 6Ф3П, 6Ф4П, 6Ф5П, 6Ж5П, 6Ж9П и др. Впрочем, к этому вопросу нужно подходить внимательнее. В ряде случаев по соображениям более простого согласования всё же целесообразно использовать трансформаторную связь. Схемы предоконечных усилителей показаны ниже

На рис.4. показаны предоконечные каскады для возбуждения мощных оконечных ламп (35-100 вт). а - на лампе 6Ж5П (Рвых = 0,7 вт); б - на лампе 6П15П (Рвых = 1,5 вт); в - двухтактный драйвер на лампе 6Н6П с балансировкой по постоянному и переменному току. Оконечные усилители мощности целесообразно разделить на высокочастотные и низкочастотные. Такое разделение имеет смысл потому, что в двухканальных усилителях соотношение мощностей НЧ и ВЧ каналов не должно быть равно единице, а поэтому и схема и конструкция более мощных НЧ каскадов, рассчитанных на номинальную мощность 25-50Вт, будут иными, чем для ВЧ каскадов с выходной мощностью 4-10Вт. И хотя в ряде случаев можно сделать одноканальный широкополосный УНЧ мощностью 10-15Вт с разделением спектра на выходе индуктивно-емкостными фильтрами, более высокие качественные показатели обеспечивает система с разделением каналов на входе и самостоятельными выходами на разные акустические системы. При этом удается устранить так называемые интермодуляционные искажения - искажения, обусловленные паразитной модуляцией высокочастотных составляющих сигнала низкочастотными. [Сомнительные рассуждения, по простой и очевидной причине, - полной нецелесообразности повышения сложности и громоздкости лампового усилителя. Опыт эволюционного развития, за 50 лет показал, что никакого разделения на ВЧ и НЧ не нужно, фазовые искажения от частотных разделителей лезут везде, хоть на входе, хоть на выходе усилителя. Для качественного результата надо построить широкополосный усилитель на мощных, желательно линейных лампах и он слопает любые сигналы. Е.Б.]

Для оконечных НЧ каскадов мощностью до 10-12 Вт радиолюбители в большинстве случаев используют лампы типа 6П14П отчасти потому, что они довольно легко обеспечивают получение указанной мощности. Кроме того, других подходящих для этой цели ламп, к сожалению, нет. Такую устаревшую, хотя и очень неплохую лампу, как 6П3С (6L6) в наше время рекомендовать нельзя, а более мощных специальных ламп для оконечных каскадов УНЧ по типу немецкой EL-34 промышленность не выпускает. [Странное заключение, безо всяких оснований, в 1980-90 гг нельзя рекомендовать применение 6П3С! Чистый волюнтаризм из совдепии. В 21 веке, например, лампы 6П3С могут быть настойчиво рекомендованы для конструирования лампового усилителя. Важно найти экземпляры в хорошей сохранности.   Е.Б.] Нередко люди пытаются путем форсирования режима получить большую мощность от тех же ламп 6П14П, однако такой путь совершенно недопустим из-за резкого ухудшения надежности усилителя и возрастания нелинейных искажений при появлении сеточного термотока.

Учитывая сказанное, можно рекомендовать радиолюбителям применять лампы 6П14П в любых двухтактных схемах только при мощностях, не превосходящих 10 вт. [Поразительно бессмысленная рекомендация в стиле, «раз ничего хорошего нету, ну и делайте, то, что делаете». Автор вроде крутой авторитет, а пишет ахинею. Е.Б.] При большей выходной мощности надо переходить на такие явно не "низкочастотные" лампы, как 6П31С, 6П36С, 6П20С, ГУ-50, 6Н13С (6Н5С) как в классических двухтактных и ультралинейных схемах, так и в менее знакомых радиолюбителям мостовых схемах, называемых также двухтактно-параллельными. Первые три из указанных ламп предназначены для использования в оконечных каскадах строчной развертки телевизоров и позволяют снимать с двух ламп мощность до 25Вт, генераторная лампа ГУ-50 при анодном напряжении 500-750 в (а она по паспорту имеет Uа.раб = 1000 в) легко отдает в двухтактной схеме мощность 40-60Вт; двойной триод 6Н13С, сконструированный специально как управляющая лампа в схемах электронных стабилизаторов напряжения, имеет очень низкое внутреннее сопротивление и при сравнительно небольшом анодном напряжении позволяет получить в обычной двухтактной схеме мощность не менее 15Вт (на один баллон), а при включении в каждом плече по два триода параллельно (два баллона) в обычной двухтактной и в мостовой схемах обеспечивает выходную мощность до 25вт. Используя перечисленные лампы, радиолюбитель получает большой выбор для творческой деятельности.

[Очередная рекомендация в смутном состоянии сознания. Интересно, почему для творческой деятельности не подходят сдвоенные или строенные лампы? Может автор просто не знает правила параллельного соединения радиоэлементов? А именно параллельное соединение, при качественном подборе экземпляров, даёт массу промежуточных вариантов очень мощных усилителей с достойными характеристиками. Странно читать рекомендацию лампы 6П31С, которая ничуть не мощнее, чем 6П14П, зато значительно кривее по характеристикам. А ещё с разочарованием приходится наблюдать резвые рекомендации в применении ламп 6Н13С (запараллеленных кстати). Удивительная демонстрация легкомыслия, поскольку автор совершенно не ориентируется в практике, ведь лампы 6Н13С редкостное гуано. Разброс характеристик половинок имеет диапазон 100% и более. Их практически невозможно точно подобрать для параллельного включения, поэтому усилитель не может выдать значительную мощность в нагрузку без перегрева одной из половинок, и коэффициент использования вряд ли превысит 40-50%. И простые схемы параллельного включения для 6Н13С, без выравнивающих обвесов, непригодны. А рассуждения про лампы умиляют, ведь есть большое количество других превосходных ламп, в отличие от рекомендованных, например 6П13С, 6П44С, 6П45С, Г807, в крайнем случае годятся лампы 6Р3С.  Е.Б.]

Рис.5. Мощные оконечные каскады низкочастотного тракта УНЧ. а - на лампах 6П36С в ультралинейном включении; б - на лампах ГУ-50 в двухтактно-параллельной схеме; в - на лампах 6Н13С с балансировкой фиксированного смещения

Поскольку все схемы были рассмотрены как низкочастотные, т.е. рассчитанные на ограниченную полосу пропускания (не свыше 5-8 кГц), ничего не говорилось о выходных трансформаторах, дросселях, и автотрансформаторах. Все они - самые обычные, собранные на Ш-образных или ленточных сердечниках из простой трансформаторной стали толщиной 0,35мм. К конструкции каркаса и обмоткам не предъявляется повышенных требований, за исключением высокой степени симметрии отдельных половин первичной обмотки. Это требование особенно существенно для ультралинейных схем включения оконечных ламп. Величины индуктивности рассеяния и емкости первичной обмотки не существенны. Вторичные обмотки при мощностях свыше 10Вт надо наматывать возможно более толстым проводом для уменьшения активных потерь. Желательно сделать несколько отводов, чтобы подобрать наилучший режим работы оконечного каскада. Подробнее этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе. Высокочастотные оконечные каскады двухканальных Hi-Fi усилителей существенно отличаются от низкочастотных, поэтому и рекомендации относительно них будут другими. Прежде всего, это относится к типам ламп. [Поразительные рассуждения. Автор изобрёл собственную классификацию НЧ и ВЧ. Даже махровому дилетанту, причитавшему раздел про вакуумные лампы, прежде всего, очевидно то, что придуманное частотное разделение никакого отношения к вакуумным лампам не имеет вообще, их диапазон уходит в сотни мегагерц. Лампе 6П14П фиолетово, сигналы какой частоты усиливать, будь то 0,1кГц, 1кГц, 5кГц, 8 кГц, 16 кГц или 32кГц. А вот в отношении согласующего трансформатора этот вопрос уже актуален. Но и здесь беспокойств не нужно, т.к. до 18-20кГц годятся обычные трансформаторы, ничего наматывать вовсе не надо. А для частот выше 20кГц следует переходить на ферриты. Такое ощущение, что автор ничего не слышал про секционирование обмоток для улучшения АЧХ, и рекомендует толстый провод вторичной обмотки. А понятие АКТИВНЫЕ ПОТЕРИ - абсолютный собачий бред, поскольку пассивных потерь не бывает и реактивных потерь тоже нетю. Е.Б.]

Поскольку мощность высокочастотных каналов даже в усилителях экстра-класса лежит в пределах 10-12 вт, наиболее подходящими будут лампы 6П14П и 6Н13С. Наилучшие схемы включения - двухтактная ультралинейная, мостовая на 6П14П в триодном включении и "двухэтажная" на 6Н13С. Относительно последней схемы, наиболее часто встречающийся вариант которой, приведен на рис.6, можно сказать, что хотя она и не нова в теоретическом смысле, однако массовое распространение в радиовещательной аппаратуре получила только в 60-х годах прошлого века. Как это нередко бывает, схема стала очень распространенной, причем, говоря о достоинствах схемы, обычно умалчивали о ее недостатках. Попробуем объективно оценить и те и другие.

[Прежде всего, предлагаю здраво оценить самое важное последствие создания бестрансформаторных схем. Прошедшие 50 лет показали, что никакого распространения такие схемы не получили, да и не могли получить. С повышением уровня жизни ценность здоровья возрастает. Поэтому главный и непреодолимый недостаток бестрансформаторный схем – отсутствие гальванический развязки с источником высокого напряжения, никогда не позволит таким схемам достичь хоть какого-то распространения среди человеческого населения. А фантазёры пусть изучают и анализируют режимы такой схемотехники хоть до посинения.]

Рис.6. Одна из наиболее распространенных схем оконечного каскада с последовательным включением ламп по постоянному току

Последовательное включение двух ламп по постоянному току равносильно тому, что по переменному току обе они относительно нагрузки включены параллельно, в силу чего их общее внутреннее сопротивление фактически вчетверо меньше, чем у обычного двухтактного каскада. Если для такой схемы взять лампы, внутреннее сопротивление которых ниже обычного, а в качестве нагрузки использовать сравнительно высокоомные громкоговорители, то оказывается, что выходной трансформатор по расчету имел бы в этом случае коэффициент трансформации, близкий к единице или, во всяком случае, измеряемый единицами. Тогда оказывается возможным подключить нагрузку к лампам непосредственно, без выходного трансформатора. Это, разумеется, является безусловным достоинством схемы. Однако за это достоинство приходится дорого расплачиваться. Прежде всего, непосредственное включение нагрузки все-таки оказывается невозможным из-за наличия в точках ее включения, половины напряжения источника питания (120-150В). Поэтому громкоговорители приходится включать через разделительный конденсатор, емкость которого прямо связана с активным сопротивлением нагрузки и нижней границей полосы пропускания. Действительно, если допустимая потеря напряжения полезного сигнала на разделительном конденсаторе составляет 10% от величины самого сигнала, то при Rн=20Ом и fниж=40Гц реактивное сопротивление конденсатора не должно превышать 2 Ом, откуда его емкость равна

Ясно, что такую емкость может иметь только электролитический конденсатор, но при этом нужно помнить, что его рабочее напряжение должно быть по крайней мере не ниже полного напряжения источника питания, т.е. 300-350В. И тогда оказывается, что стоимость такого конденсатора ничуть не ниже стоимости выходного трансформатора, тем более, что трансформатор в отличие от конденсатора радиолюбитель в случае необходимости всегда может изготовить сам. Конечно, можно изготовить громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки не 20, а 200 Ом, что позволит при тех же условиях уменьшить емкость разделительного конденсатора до 200мкФ, однако в этом случае резко возрастает стоимость громкоговорителя. Впрочем, это не единственный недостаток данной схемы. Второй состоит в том, что при последовательном включении ламп по постоянному току к каждой из них оказывается приложена только половина напряжения анодного источника, поэтому схема может хорошо работать только на специальных лампах, номинальное анодное напряжение которых не превышает 100-150В. Однако большинство ламп подобного типа имеют незначительную максимальную отдаваемую мощность, редко превышающую единицы ватт. Кроме того, исследования показали, что при использовании пентодов эта схема принципиально несколько асимметрична, что делает ее мало пригодной для оконечных НЧ каскадов Hi-Fi усилителей. В высокочастотных каскадах первый недостаток сразу же отпадает, поскольку при выбранных в предыдущем расчете величинах и нижней границе ВЧ канала fниж=2кГц величина емкости разделительного конденсатора 

причем в этом случае десятипроцентная потеря сигнала будет иметь место только в самой худшей, практически нерабочей части полосы пропускания, а на fверх=20кГц потери сигнала составят всего лишь 1%. Кроме того, требуемая выходная мощность для оконечного ВЧ каскада значительно меньше, чем для НЧ каскада, что позволяет использовать в этой схеме двойной триод 6Н13С, имеющий низкое внутреннее сопротивление и хорошо работающий при низких анодных напряжениях. Практическая схема такого каскада приведена на рис.7.

Рис.7. Практическая схема 'двухэтажного' оконечного каскада на двойном триоде 6Н13С (6Н5С)

Если мощность ВЧ канала не превышает 2-3Вт, можно собрать оконечный каскад по схеме рис.8 на лампах типов 6Ф3П или 6Ф5П. Выходной трансформатор для этой схемы собирают на ленточном сердечнике при толщине ленты не более 0,2мм либо на Ш-образном пермаллое. Для того, чтобы ультралинейная схема дала ощутимый результат и нелинейные искажения действительно были порядка 0,2-0,5%, точку отвода первичной обмотки нужно в каждом случае подбирать опытным путем непосредственно по результатам измерений к.н.и. в процессе налаживания усилителя. Для этого при намотке трансформатора у каждой половины первичной обмотки нужно предусмотреть по 4-6 отводов.

Рис.8. Двухтактный высокочастотный оконечный каскад на лампах 6Ф3П или 6Ф5П (Рвых=2,5Вт)

Для транзисторных усилителей "двухэтажная" схема, напротив, оказывается предпочтительнее всех остальных. Это объясняется низкими величинами внутреннего сопротивления мощных транзисторов и коллекторного напряжения (по сравнению с лампами). Поэтому обеспечивается отличное согласование каскада с нагрузкой даже при использовании обычных низкоомных громкоговорителей, например, типа 4ГД-35. Кроме того, разделительный конденсатор оказывается небольших размеров даже при емкости 2000-5000мкФ, поскольку его рабочее напряжение не превышает 20-30В. Такие схемы широко распространены и радиолюбителям хорошо известны.

В качестве некоторого обобщающего заключения могу привести несколько соображений, которые в 21 веке будут наверняка восприняты как рациональные. Первое соображение – правильность обсуждения автором только двухтактных усилителей, поскольку однотактные схемы предназначены для начинающих. Второе – основательность подхода к систематизации схемотехники каскадов тоже заслуживает уважения. Третье – бесспорная квалификация автора в некоторых случаях граничит с поразительными предрассудками, а промахи в размышлизмах видимо есть следствие высокой теоретической подготовки и недостаточной практической опытности автора. Четвертое – прошедшие десятилетия существенно изменили расклад, как в основных понятиях, так и в схемотехнике, особенно в отношении выходных каскадов высокоэффективных усилителей. Да и церемонности чрезмерной сейчас уже нет. Многое стало проще и понятнее. Некоторые понты умерли не показав жизнестойкости. Но зато им на смену появилить новые понты, вроде бескислородной меди. Очень важным представляется необходимость осознания того факта, что изменение технологического уклада общества не должно изменять принципиальные жизненные ценности, например славянской цивилизации. По материалам из книги Гендина, скачанным в сети публикацию подготовил

             Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018