У світі HI-FI знову увійшов в моду ламповий підсилювач. Друзі вмовили мене сконструювати ламповий підсилювач, оскільки, на їхню думку, мій вік зобов'язує до цього, бо перша третина моєї професійної діяльності припала саме на лампову епоху.

перший ламповий підсилювач я побудував більше 35 років тому. З тих пір якість електронних елементів значно покращився, техніка вимірювань також стала більш досконалою, проте деякі деталі зникли або їх придбання досить ускладнилося. Основна проблема полягає в тому, що з часом зросли вимоги, що пред'являються до технічних параметрів підсилювача.

Подумайте тільки про гармонійних спотвореннях, які вважаються однією з основних характеристик підсилювачів ». На початку 60-х років підсилювачі з спотвореннями близько 1% вважалися HI-FI (стандарт DIN45500). Сучасні напівпровідникові підсилювачі мають менші на два-три порядки спотворення.

При проектуванні насамперед слід вибрати тип вихідного каскаду. Для отримання порівняно дешевої конструкції бажана така схема, яка не пред'являє екстремальних вимог до найдорожчою деталі - вихідного трансформатора.

З цієї точки зору підходять кінцеві каскади з катодних або частково катодних включенням трансформатора. Такі кінцеві каскади характеризуються тим, що опір навантаження частково або повністю включено в катодний ланцюг ламп кінцевого каскаду. Місцева негативний зворотний зв'язок всередині кінцевого каскаду створює мале вихідний опір, що допомагає у вирішенні проблем, створюваних вихідним трансформатором.

Таке підключення вигідно також з точки зору «технічної» безпеки, оскільки при відключенні навантаження не виникає кидка напруги на вихідному трансформаторі, і він не пробивається, як це нерідко відбувається в «традиційних» кінцевих каскадах.

Серед можливих вихідних схем вибір був зроблений на користь так званого підсилювача з подвійним зв'язком, у якого з двох однакових порівняно простих вихідних трансформаторів один включений в анодний, а другий - в катодний ланцюга кінцевих ламп. Іншим вихідним питанням при проектуванні був вибір типу ламп крайового підсилювача, оскільки цим визначалася його вихідна потужність.

Я зупинився на лампах EL84, які при обраному з метою отримання малих спотворень режимі класу А дозволяють отримати вихідну потужність 10 Вт. Це не така вже й велика потужність, але, як показує мій досвід, для озвучування кімнати площею 20 м2 достатньо 3 4 Вт. Саму лампу дістати порівняно легко, в силу низького анодного напруги конденсатори фільтра в підсилювачі також відносно дешеві.

крайовий ламповий підсилювач потужності з подвійним зв'язком. Функціональна схема кінцевого каскаду показана на рис.1. На ній зазначені тільки елементи, важливі з точки зору розуміння принципу роботи. Два вихідних трансформатора абсолютно ідентичні. Їх первинні обмотки «з точки зору» кінцевих ламп з'єднані послідовно, вторічние- паралельно.

Імпеданс первинних обмоток потрібно брати в половину оптимального еквівалентного опору навантаження а вторинних обмоток - вдвічі більшими. Посилення по напрузі ламп кінцевого каскаду дорівнює двом, що є перевагою в порівнянні з пушпульний виходом (РРР - Parallel Push-Pull). Завдяки цьому в нашому випадку потрібно тільки половина керуючої напруги.

При розгляді рис 1 будемо вважати, що напряму намотування двох вихідних трансформаторів збігаються, і вторинні обмотки правильно сфазіровани. В такому випадку катод і допоміжна сітка верхньої лампи з'єднуються з верхніми висновками вихідних трансформаторів, анод ж, в силу звернення (повороту на 180 °) фази, з'єднується з нижнім виводом трансформатора (навхрест).

Забезпечення по можливості великого керуючого напруги кінцевих ламп сприяє схема включення ламп попереднього каскаду, яка виходить за рахунок з'єднання анодних резисторів цих ламп ні з позитивним напругою живлення, а з відповідними «гарячими» кінцями вихідного трансформатора.

Каскади попереднього посилення симетричні. Перед ними знаходиться також симетричний каскад анодно-катодного фазоінвертора (іменований також катодіном). Ланцюг негативного зворотного зв'язку також симетрична і діє з первинних обмоток катодного вихідного трансформатора на катоди ламп попереднього каскаду. З петлі зворотного зв'язку виключається фазоинвертор, оскільки він працює з глибокої місцевої зворотним зв'язком.

Негативний зворотний зв'язок ще більше зменшує вихідний опір кінцевих ламп, яке і так невелика в силу наявності місцевої зворотного зв'язку. Інакше кажучи, харчування вихідних трансформаторів здійснюється від генератора напруги. При цьому нелінійні спотворення в вихідних трансформаторах, що виникають із-за нелінійності кривої намагнічування сердечника (крива «У-Н»), зменшуються до мізерно малої величини.

Зазначений спосіб введення зворотного зв'язку робить благотворний вплив на схему з точки зору високочастотної стабільності підсилювача, оскільки з петлі ООС виключається індуктивність розсіювання вихідного трансформатора, в результаті чого в петлі стає одним полюсом менше. Може здатися недоліком ту обставину, що такий зворотний зв'язок не «виправляє» передачу трансформатором високих частот.

Точніше сказати, цей пристрій не змінює верхню граничну частоту (на малій потужності). Втім, зворотний зв'язок не може також змінити і ширину частотного діапазону. Частотний діапазон за потужністю залежить виключно від вихідного трансформатора, тому потрібно виготовити вихідний трансформатор відповідної якості. Таємничої може здатися роль конденсаторів, підключених між допоміжної сіткою і катодом кінцевих ламп.

У них не було б потреби, якби вихідні трансформатори були ідеальними, ті. в їх обмотках відсутнє активний опір. Оскільки це не так, можемо уявити, що між допоміжними сітками і ідеальним трансформатором є опір, на якому в процесі роботи виникає таке змінна напруга, фаза якого збігається з фазою утворюється на аноді сигналу та обернено фазі сигналу на катоді. Внаслідок цього ККД лампи зменшується і наближається до ККД тріода. Цей небажаний ефект ліквідується завдяки зазначеним конденсаторів.

Вихідний трансформатор - найдорожча складова лампового підсилювача, від якої найбільшою мірою залежить його якість. Навколо вихідних трансформаторів років 30-40 тому, в «героїчну епоху» переважної панування лампових підсилювачів, було багато «темних місць». Для напівпровідникових підсилювачів вихідний трансформатор проблеми не становить, і багато про них забуто.

Внаслідок цього, на мою думку, слід докладніше зупинитися на вихідних трансформаторах. Наведена відноситься, звичайно, не тільки до вихідних трансформаторів даного підсилювача, але справедливо для будь-якого двотактного вихідного трансформатора. Вихідний трансформатор визначає діапазон частот підсилювача. При включеному в петлю негативного зворотного зв'язку вихідному трансформаторі максимальна потужність, створювана кінцевими лампами, не збільшується.

Навпаки, в разі малих вихідних потужностей зворотний зв'язок здатна розширити діапазон частот, адже в кінцевих лампах в цьому випадку є резерв потужності. Тому прийнято вказувати частотний діапазон лампових УМЗЧ при вихідній потужності 1 Вт (зазвичай замовчуючи про це). Частотний діапазон за потужністю означає, що ми задаємо межі частот, в яких підсилювач, поряд з номінальним коефіцієнтом спотворень, передає принаймні половину номінальної вихідної потужності (-3 дБ).

У нашому випадку я нетрадиційно взяв граничний коефіцієнт гармонійних спотворень 0,1%, щоб наблизитися до аналогічних даними напівпровідникових підсилювачів. Чим визначається частотний діапазон вихідного трансформатора? Іншими словами, чим визначається, в якому діапазоні частот вихідний трансформатор забезпечує оптимальне опір навантаження для кінцевої лампи?

З еквівалентної схеми вихідного трансформатора можна встановити, що нижню межу частот визначає індуктивність первинної обмотки вихідного трансформатора, а верхню межу - індуктивність розсіювання (нехтуючи власною ємністю обмоток).

індуктивність розсіювання

де Кр - коефіцієнт розсіювання; Ц - індуктивність первинної обмотки. Кр є число, менше 1, його часто множать на 100 і виражають у відсотках. Це «розсіювання» вихідного трансформатора. Індуктивність розсіювання трансформатора можна визначити, якщо при закороченому вторинної обмотці виміряти індуктивність первинної обмотки.

Легко підтверджується, що ставлення нижньої і верхньої граничних частот вихідного трансформатора в першому наближенні збігається з коефіцієнтом розсіювання. Розсіювання «традиційного» щільно намотанного трансформатора невеликих розмірів становить близько 2-3%, якщо вторинна обмотка знаходиться зверху. Трохи краще йдуть справи в разі, якщо вторинна обмотка розташовується знизу.

Це означає, що відношення нижньої і верхньої граничних частот (взявши розсіювання 2,5%) становить приблизно 1:40. Наприклад, при нижній частоті 100 Гц верхня гранична частота становить 4000 Гц. Становище не дуже втішне, чи не так? Отже, розсіювання потрібно зменшити. Від чого залежить коефіцієнт розсіювання вихідного трансформатора? Від геометрії котушок, тобто від форми котушок і від способу намотування.

Це означає, що сердечник впливає на ширину частотного діапазону лише в залежності від того, яку котушку можна на нього надіти, за умови однакових геометричних розмірів. При цьому тип сердечника практично не має значення.

При більш детальному розгляді питання виявляється, що коефіцієнт розсіювання обернено пропорційний коефіцієнту, який залежить від секціонування котушки, традиційного для намотування вихідних трансформаторів, і прямо пропорційний «коефіцієнту стрункості», тобто чим довше і чим нижче котушка трансформатора.

Тому не прийнято заповнювати обмоткою вікно вихідного трансформатора до відмови. Тоді більш «струнка» котушка створює менше розсіювання. Моєю метою було проектування простого у виготовленні вихідного трансформатора, тому я задався питанням: чи існує такий тип трансформатора, котушка якого максимально «струнка»?

Так, існує, це тороїдальний трансформатор, у якого довга, низька, і отже, «струнка» котушка. Дослідивши мережевий тороидальний трансформатор заводського виготовлення на 230/12 В, я визначив Кр = 0,1%, що в 25 разів краще, ніж при традиційній конструкції цього трансформатора. Якщо врахувати ще й ту обставину, що при вибраній схемі індуктивності розсіювання двох трансформаторів з'єднуються паралельно, тобто створюється такий ефект, як ніби у вихідного трансформатора виходить половина загальної індуктивності розсіювання, то становище дуже обнадіює.

Повноти заради слід зазначити, що картина все-таки не зовсім безхмарне. Незалежно від того, зменшуємо ми розсіювання за допомогою секціонування котушки або її «стрункості», при цьому зростає власна ємність вихідного трансформатора. При зменшенні розсіювання зазначеними способами власна ємність може зрости настільки, що верхню межу частот буде визначати вже не індуктивність розсіювання, а власна ємність первинної обмотки.

Слід ще зазначити, що низькочастотна межа по потужності для вихідного трансформатора визначається не індуктивністю первинної обмотки, а насиченням осердя. Це в повній мірі узгоджується з моїми вимірами. З іншого боку, нижня гранична частота при малій потужності визначається індуктивністю первинної обмотки, тому на практиці вона завжди нижче (іноді набагато), ніж нижня частота при великої потужності.

З верхньої граничної частотою положення складніше. Індуктивність Lp однаковим чином обмежує кордон частот як при низькій, так і при високій потужності, в той час як власна ємність визначає в першу чергу високочастотну кордон при великої потужності. Дані про гармонійних спотвореннях містяться в таблиці.

На додаток до технічних даних зроблю наступне зауваження. У ламповому підсилювачі прийнято ставити НЕ вихідний опір підсилювача, а коефіцієнт демпфірування (damping factor). Під коефіцієнтом демпфірування розуміється виражене в децибелах відношення номінального опору навантаження до вихідного опору підсилювача (виміряного на даній частоті).

В даному випадку це означає, що вихідний опір нашого підсилювача складає 0,6 Ом, що є хорошим значенням в «ламповому масштабі», але значно більше вихідного опору напівпровідникових підсилювачів.
Вихідний опір є важливою характеристикою, значно впливає на передачу звукових частот біля резонансної частоти гучномовців.

З цього випливає, що дані про опір, виміряний на традиційно вказуються 1000 Гц, нічого не дають, а істотним є значення поблизу резонансної частоти гучномовця. Принципова схема підсилювача представлена ​​на рис.2. Вхідний сигнал надходить на фазоінвертор V1 (EF86). Цей фазоинвертор має гарну симетрією, стійкий до коливань напруги живлення і старіння ламп. Для повної симетрії потрібно, щоб робочі опору анодної і катодної ланцюгів лампи були однаковими.

Цим пояснюється наявність резистора R2 в анодному ланцюзі, оскільки в катодного ланцюга для установки робочої точки лампи необхідний резистор R4, що задає напруга зсуву. Бажають точніше налаштувати підсилювач можуть замінити R2 підстроєні резистором (тримерами) опором 2,2 кОм, і з його допомогою встановити мінімум спотворень в середині частотного діапазону, скажімо, на частоті 1 кГц. Цим можна компенсувати асиметрію не тільки фазоинвертора але і наступних за ним каскадів підсилювача

Для симетрії фазоінвертора на високих частотах велике знамення мають реактивні опору навантажень. У ємнісні складові навантажень входять розподілені ємності монтажу, але домінуючими є вхідні ємності двох половин лампи V2, а також велика ємність Міллера. У разі лампи ЕСС83 з великою асиметрією спостерігається зростання спотворень на частотах 10-20 кГц.

Шляхом підключення триммерного конденсатора ємністю 20 30 пФ до відповідної сітці лампи можна компенсувати асиметрію і на високих частотах. Симетрію V2 можна проконтролювати виміром катодного напруги обох половин лампи. Відхилення напруги понад 0.1В-0,2В свідчить про асиметрію V2.

Поспішу помітити, що для моїх підсилювачів я не використовував ніякого налаштування, не застосовував компенсацію, вони повністю відповідають наведеній схемі. Найважливіше завдання наступного блоку - створення великого керуючого напруги для ламп крайового підсилювача. Для цієї мети класичним варіантом є використання лампи ЕСС82.

Загальний катодний резистор R17 для двох половин лампи покращує симетрію каскаду. При підключенні анодних резисторів (R19 і R22) до «гарячих кінців первинної обмотки трансформатора ТГ2, фаза сигналу в яких та ж, що і на анодах V3, виникає додаткове« підтягування »напруги (вольтодобавки). Резистори R20 і R21 в сіткових ланцюгах ламп кінцевого каскаду V4 і V5 перешкоджають виникненню надлишкового електричного струму, їх приєднують безпосередньо до панелькам ламп по можливості більш короткими проводами.

Ці струми можуть з'явитися, якщо конденсатори, шунтуючі допоміжні сітки кінцевих ламп, підключаються до лампових панелькам довгими проводами. За рахунок індуктивності проводів, підключених до допоміжних і керуючим сіток, в силу «хрестоподібного» з'єднання анодів може виникнути протівотактний осцилятор, і каскад почне самозбуджуватися.

Для усунення самозбудження керамічними конденсаторами ємністю 1 ... 5 пФ з'єднуємо допоміжні сітки ламп з їх катодами (прямо на панельках ламп). У моїх підсилювачах потреба в цих конденсаторах виникла, але при іншому виготовленні вони, можливо, не знадобляться, тому я не вказав ці конденсатори на схемі. Установку кінцевих ламп в режим класу А забезпечують катодні резистори R23 і R24.

Відхилення виміряних на цих резисторах напруг менше 0,3 В свідчить про задовільну симетрії робочих точок ламп кінцевого каскаду (емісія ламп відрізняється незначно). З метою поліпшення симетрії рекомендується підібрати кінцеві лампи. Анодна напруга підсилювача забезпечує традиційний нестабілізований блок живлення. Як випрямляча я використовував випрямляч Гретца (мостовий) на напівпровідникових діодах.

Недолік цього рішення полягає в тому, що після включення живлення анодна напруга на лампах з'являється значно раніше, ніж вони нагріваються. Це означає підвищене навантаження катодів при нагріванні. Для вирішення цієї проблеми я встановив окремий вимикач К2, коммутирующий анодна напруга.

Це дає ще одну перевагу - під час налагодження легко «звільнити» підсилювач від високої напруги без припинення напруження, щоб після включення знову не очікується нагріву ламп. Стан роботи підсилювача можна відображати світлодіодами (на схемі вони не показані).

Фільтрацію анодного напруги забезпечує многозвенная RC-ланцюжок. При номінальному мережевій напрузі анодна напруга ламп кінцевого каскаду становить 250 В з коливаннями в межах 1 ... 2 В. Коливання напруги напруження - в межах 1 ... 2 В. Потрібно стежити за напругою, що падає в проводах. У невдалому випадку (малий перетин і велика довжина) це падіння напруги може бути значним.

Конструкція. Спочатку кілька слів про механічне виконання шасі. Через брак пристосування для згинання я використовував в якості шасі алюмінієву пластину завтовшки 1,5 мм. Її креслення показаний на рис.3. Корпус підсилювача виготовлений з полірованої деревно-стружкової плити чорного кольору товщиною 19 мм. Дві торцеві сторони виконані так, щоб були вище ламп.

При цьому захист ламп гарантована навіть у випадку, якщо перевернути підсилювач, щоб дістатися до нижньої частини шасі. Розміри двох торцевих пластин - 170 × 135 мм, а двох бічних пластин - 310 × 50 мм. По внутрішній стороні корпусу з усіх боків проходить паз шириною 2,5 мм, в нього входять краю шасі. Паз знаходиться на висоті 43 мм від низу корпусу.

Паз я вирізав настільної дисковою пилкою, її полотно випив досить широкий фальц. Для приєднання торцевих пластин до бічних використовувалися меблеві болти діаметром 5 мм з внутрішнім отвором для ключа. Для з'єднання досить одного болта на сторону, оскільки входить в паз кромка шасі захищає її від повертання.

Два каналу підсилювача я виготовив традиційним навісним монтажем без використання друкованих плат. Конструкція підсилювача не дуже критична до розташування елементів, але кінцеві лампи, щоб виключити їх перегрів від взаємного випромінювання, не повинні розташовуватися ближче ніж за 100 мм один від одного (в закритому корпусі).

В підсилювачі використані 1% -резістори потужністю 0,6 Вт, за винятком R25 - 2 Вт. Розділові конденсатори - поліпропіленові або поліестерні, з робочою напругою 400 В. Електролітичні конденсатори в катодних ланцюгах мають допустиме напруження 16 В. решта - 350 В. Звертаю увагу на те, що зазначені допустимі напруги достатні і в тому випадку, коли анодна напруга з'являється відразу ( до нагрівання ламп).

Вихідні трансформатори (тороіди - їх виготовила фірма URBAN Elektronik) розташовані на загальній вертикальної осі, один - над шасі, а інший - під, біля кінцевих ламп. При складанні підсилювача копіткою справою є правильне підключення вихідних трансформаторів. Для цього потрібно ідентифікувати висновки обмоток.

Спочатку частини (половини) первинної обмотки з'єднуються послідовно, на вторинну обмотку подається змінна напруга близько 6 В (50 Гц), і за допомогою вольтметра контролюється загальну напругу на первинній обмотці. Половини потрібно з'єднати так, щоб вийшло подвійну напругу.

Обережно! На первинних обмотках виникає небезпечне для життя напруга!

Ця операція проробляється на обох трансформаторах. Досить імовірно, що висновки двох виготовлених в один час трансформаторів розташовані однаково, але контроль не завадить. На другому етапі потрібно сфазіровать обмотки двох трансформаторів. Конкретний напрям обмоток несуттєво, важливо лише, щоб обидва трансформатора були включені синфазно. Висновки вторинних обмоток постачаємо мітками і при монтажі включаємо відповідним чином (паралельно, щоб мітки збігалися).

На вторинні обмотки обох трансформаторів подаємо змінну напругу 6 В. Висновки первинних обмоток з'єднуємо послідовно і вимірюємо напруга між двома що залишилися вільними висновками. Якщо трансформатори включені в фазі, то це напруга менше 10 В, якщо немає, то - подвоєне (щодо напруги на одній первинній обмотці).

Тоді для досягнення правильної фази потрібно поміняти місцями висновки первинної обмотки одного з трансформаторів. Після фазировки помічаємо висновки первинної обмотки, з'єднані в процесі вимірювання, і вважаємо ці висновки нижніми висновками на схемі по рис 2.

За допомогою осцилографа контролюємо фазу вхідного і вихідного сигналу на працюючому підсилювачі (на висновках вторинних обмоток) Перемикаючи (при необхідності) ці висновки, встановлюємо однакову фазу вхідної та вихідної напруги. Тепер підсилювач - неинвертирующий.

Для полегшення налагодження можу вказати постійні напруги в основних ланцюгах. На катоді V1 - 38 В, на аноді - 152 В, на катоді V2 - 1,2 В, на аноді - 165 В, на катоді V3 - 8 В, на аноді - 171 В. На катодному резисторі V4 (V5) - 7.2 В, між анодом і катодом - 250 В. на першому фільтруючому конденсаторі С12 - близько 274 В, на другому - 263 В, на третьому - 225 В, на четвертому - 190 В. Зазначені значення виміряні при номінальному мережевій напрузі.

Оцінка. Як стверджувалося вище, описана конструкція була створена з метою порівняння Мене цікавило, наскільки конкурентоспроможний добре зроблений ламповий підсилювач в порівнянні з хорошим напівпровідниковим. Я використовував підсилювачі в системі з окремим НЧ-каналом subwoofer для живлення двох сателітів, що передають діапазон понад 100 Гц. Для порівняння я взяв добре зарекомендував себе крайовий підсилювач на комплементарних польових транзисторах.

В силу різної чутливості кінцевих підсилювачів двох видів потрібно було відповідно змінювати чутливість НЧ-каналу. Під час порівняння нічого іншого в системі я не міняв, попередній підсилювач був транзисторним. Підсумки цих експериментів можна підвести так ламповий підсилювач звучить нітрохи не гірше напівпровідникового.

З CD-диска (хорошої якості) з ним виходить більш прозора, чиста звукова картина, ніж у напівпровідникового усілітеля.С іншого боку, при ненастроенном CD-плеєрі (Philips bit-stream) лампове перевага пропадає. У будь-якому випадку видається, що, всупереч більш значного коефіцієнту гармонік, цей підсилювач конкурентоспроможний по відношенню до транзисторного. Поставити це в заслугу лампового підсилювача або вважати недоліком транзисторного - надається вирішувати вам, дорогий читачу.