Однотактный высококачественный ламповый усилитель мощности.

Эта статья продолжает наш разговор об однотактных усилителях мощности. Как вы видите, схема усилителя почти ничем не отличается от схемы усилителя, опубликованной в моей статье в журнале «Радиолюбитель» №9 за 2003 год.

Автор схемы, А. И. Манаков, построил усилитель на двух пальчиковых лампах 6Н2П и 6П43П. Многие радиолюбители, повторившие этот усилитель, были приятно удивлены его мягким естественным звучанием при относительной простоте схемотехники и невысокой стоимости комплектующих элементов. Однако вопросы, поступающие регулярно после публикации, касаются, в основном, двух вещей: выходной мощности и применяемости ламп с октальным цоколем.

Идя навстречу пожеланиям радиолюбителей, и после консультаций с А. И. Манаковым, предлагаю следующий вариант усилителя.

Схема одного канала усилителя, а также блока питания для обоих каналов, приведена на рисунках 1 и 2.

Рис. 1

Рис. 2

Основных отличий два, это повышенная выходная мощность, около 4 Вт на канал, и кенотронное питание, благотворно влияющее на звучание.

Входной сигнал поступает на сдвоенный переменный резистор, являющийся регулятором громкости. Я применил ALPS, но ввиду его высокой стоимости можно применить любой, желательно проволочный резистор, группы «В» (логарифмическая зависимость). Можно применить два отдельных регулятора громкости, по одному на каждый канал.

В качестве лампы предварительного каскада выбран один из лучших (с моей точки зрения) отечественных малосигнальных триодов – 6Н9С. Обе половинки лампы включены параллельно. Этим достигается уменьшение внутреннего сопротивления лампы, что влечет за собой улучшение нагрузочной способности и соотношения сигнал/шум. Настройка каскада заключается в установке на катоде лампы 6Н9С напряжения в пределах 1,3-1,5 вольта, подбором резистора R3. Резистор R4 выбран по наилучшему качеству звучания. Если вы захотите применить другой триод, например 6Н8С, то сопротивление резистора R4 будет 20-25 ком, и в этом случае опять придется подбирать резистор R3. Лампа 6Н8С звучит более аналитично, у нее меньший коэффициент усиления (21 против 70 для 6Н9С), но может быть такой звук кому – нибудь понравится больше. Выбор за Вами.

Выходной каскад выполнен на лучевом тетроде 6П13С, включенном триодом. Именно триодное включение наиболее оптимально с точки зрения качества звучания. Выходной каскад особенностей не имеет. Единственное, что придется сделать, это подобрать с помощью резистора R8, ток через лампу в пределах 60-65 ma. Этот резистор можно составить из двух, параллельно соединенных резисторов, например по 1 ком 2 вт. Если есть желание, можно применить распространенную лампу 6П3С или 6П7С. Ток покоя выходного каскада в этом случае должен быть в пределах 70-75 ma. Однако хочу заметить, что в этом случае уменьшится мощность до 2х Ватт (при применении 6П3С) и увеличится суммарный коэффициент гармоник усилителя. Я пробовал лампу 6П7С и хочу отметить, что звучит она неплохо. При ее применении резистор в цепи автоматического смещения подбирается в пределах 220-230ом 2вт, а резистор между второй сеткой и анодом в пределах 150-230ом 2вт. Ток покоя в этом случае составит около 70 ma. Выходная мощность усилителя в этом случае будет около 3вт на канал.

Теперь о деталях. От качества разделительного конденсатора С3 зависит звучание усилителя в целом. Я применил Jensen, а из отечественных можно применить К71,

К78, К73, К40У-9, К40У-2, К42У-2 на соответствующее напряжение от 250В.

Конденсаторы постоянной емкости, шунтирующие электролитические, в цепях автоматического смещения ламп - пленочные. Шунтирование электролитов конденсаторами постоянной емкости улучшает звукопередачу в области высоких частот.

Емкость этих конденсаторов может быть на один- два порядка меньше емкости электролитического. Конденсаторы, шунтирующие электролитические в цепях питания, можно применять К73; К77, а сами электролиты в фильтрах блока питания – Teapo, Samsung и т.д. В цепях автоматического смещения ламп, электролитические конденсаторы старайтесь применять наилучшего качества, например Black Gate. При их применении, можно отказаться от шунтирующих емкостей вообще. Выходной трансформатор TW6 SE московской фирмы «Аудиоинструмент». Зайдя на сайт фирмы по адресу www .audioinstr .h 1.ru , вы можете посмотреть и заказать интересующие Вас лампы, трансформаторы, дроссели, ламповые панели и т.д.

Постоянные резисторы Р1-71 с допуском 1-2%. Можно применить ВС, а также и более распространенные типа С2-33Н или МЛТ, соответствующей мощности.

Есть ряд вопросов, касающихся колпачка, надеваемого на анод лампы 6П13С. В радиолюбительской литературе много предложений по этому поводу. Я в своих конструкциях давно и с успехом применяю наконечники свечных проводов от любого легкового автомобиля. За счет конструкции наконечника, контакт получается плотным и надежным, и что немаловажно, можно изменять его внутренний диаметр, так как для разных ламп – он разный. Если наконечник плохо паяется, примените флюс для пайки изделий из стали или цветных металлов.

Блок питания выполнен на кенотроне 5Ц3С (5Ц4С,5 U4 G). Применение кенотронного питания, по сравнению с диодами, делает звучание усилителя более теплым и связным.

Попробуйте, и убедитесь в этом сами. Много статей написано по поводу кенотронного питания, поэтому я не буду вдаваться в подробности. Трансформатор питания имеет четыре вторичных обмотки. Две из них питают накалы ламп первого и второго канала усилителя, одна – питание кенотрона, а анодная, с выводом средней точки, рассчитана на 300 v х 2 при токе 200 ma. В первом приближении, сколько вольт на обмотке трансформатора, столько и на выходе ,после дросселей и конденсаторов питания.

Дроссели можно использовать ДР-2ЛМ, ДР-2,3-0,2 от чЈрно-белых телевизоров, унифицированные Д 21, Д 31, данные тех и других находятся на сайте http ://igdrassil .tk .

Дроссели, используемые мной в данной схеме, тоже от «Аудиоинструмента». Индуктивность их 5Гн, рассчитаны они на ток 300 ma.

Монтаж усилителя выполнен навесным способом, максимально использованы выводы самих деталей и контакты ламповых панелек. Земляная шина выполнена медным одножильным проводом диаметром 0,8 мм и имеет контакт с шасси в одной точке, рядом с входом. Провода, идущие к накальным выводам всех ламп, должны быть перевиты между собой. Это нужно для уменьшения фона переменного тока. Для этой же цели служат и резисторы R9- R12. Также нужно перевить провода, идущие от входного разъема к регулятору громкости. В качестве этих проводов я применяю тоже одножильные, диаметром 0,4-0,7мм, каждый из которых (для защиты от короткого замыкания) изолирован шелковой изоляцией (применяется тонкий шнурок для обуви).

В заключении хочу сказать о том, что данный усилитель не просто схема, а реально изготовленный и прекрасно зарекомендовавший себя аппарат. Я его использую уже около трех месяцев и очень доволен его звучанием. Для тех, кто считает что 4 Вт на канал мало, скажу, что в комнате, площадью 16 квадратных метров при использовании акустики KEF Q1 (чувствительность 91 Дб), усилитель развивает звуковое давление, соизмеримое со звуковым давлением, развиваемым транзисторным усилителем, мощностью 40 вт на канал (это результаты субъективной оценки моих друзей – музыкантов). Но звук другой. Усилитель прекрасно чувствует малейшие нюансы звучания инструментов или голоса и как-бы «дышит» (простите меня, если сравнение не очень корректное). Звук его не утомляет, его хочется слушать и слушать.

В. В. Пузанов, г. Брянск
E-mail:
24.05.2004.

Добавлена статья А. Ломакина, Б. Паршина Коммутационные искажения в усилителях мощности ЗЧ Радио №9 1987г.

Исследования последних лет показали, что на характер звучания транзисторных усилителей мощности 3Ч (УМЗЧ) значительное влияние оказывают так называемые коммутационные искажения (КИ). Возникают они в выходных каскадах на биполярных транзисторах, работающих в режиме АВ с отсечкой тока. В этом режиме транзистор, как известно, переходит из открытого состояния в закрытое, и наоборот. Когда он открыт, на его базе, вследствие инжекции в нее неосновных носителей из эмиттера, накапливается заряд, величина которого определяется ее диффузионной емкостью и зависит от температуры, коллекторного тока и граничной частоты усиления транзистора. Чтобы транзистор закрылся, диффузионная емкость должна разрядиться через подключенные к базе внешние цени, а это возможно только в том случае, если время запирания эмиттерного перехода больше времени разряда. Если же оно его не превышает, то создаются условия для возникновения неуправляемого базового тока и, как следствие этого, появления на выходе каскада импульсов, увеличивающих содержание гармоник высшего порядка в спектре усиливаемого сигнала. В двухтактном каскаде в течение одного периода такие условия создаются дважды. Причем с ростом частоты скважность импульсов уменьшается, а следовательно, вклад, вносимый ими в искажения, увеличивается.

Существуют различные способы предупреждения КИ, в частности, использование особого режима работы двухтактного оконечного каскада УМЗЧ с постоянным сквозным током. Устоявшегося технического названия для такого режима пока нет. Одни относят его к режиму А, другие -к модификации режима В. Первые при этом исходят из уровня и характера искажений, а вторые же — из энергетических показателей.

Пример схемотехнической реализации усилителя 3Ч, работающего в режиме с постоянным сквозным током показан на рис. 1. Это упрощенный вариант усилителя DA-A30 фирмы Mitsubishi. При положительной полуволне входного сигнала напряжение база — эмиттер транзистора VT8 уменьшается, транзисторы VT6, VT4 открываются и на базу VT8 поступает предотвращающее отсечку эмиттерного тока дополнительное напряжение. При отрицательной полуволне полезного сигнала уменьшается напряжение база—эмиттер транзистора VT7 и через открывающиеся транзисторы VT5, VT3 дополнительное напряжение поступает уже на его базу.

рис. 1

Таким образом, отсечка эмиттерного тока транзисторов выходного каскада исключается, а имеющим место небольшой сквозной ток практически не ухудшает экономичности усилителя. Важно только обеспечить очень высокую степень симметрии переходных характеристик отдельных плеч усилителя, поскольку ее нарушение ведет к нелинейности суммарной сквозной характеристики и росту коэффициента гармоник.

С целью снижения КИ вводят и специальные цепи, обеспечивающие плавную отсечку эмиттерного тока транзисторов выходного каскада Время разряда диффузионной емкости в этом случае увеличивается, и условий для возникновения короткого и значительного по амплитуде импульса не создается. Суммарный уровень гармоник при этом не меняется, однако спектр их смещается в низкочастотную область, где их легко устранить с помощью ООС. Данный режим широко используется в усилителях ЗЧ многих японских фирм. Но он также требует строгой комплементарности плеч усилителя и наличия балансирующих элементов. Примером его схемной реализации может служить усилительное устройство, описанное в [1].

рис. 2

Можно ли снизить КИ более простым путем? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, какие элементы усилителя (рис. 2) влияют на скорость разряда диффузионной емкости и время закрывания транзисторов выходного каскада. Прежде всего это резистор R1 [2]. Напряжение, возникающее на нем при протекании тока I₁, равно: I₁R1= (U_G1+U_G2) - (U_БЭVT1+U_БЭVT2) (где U_БЭ — абсолютное значение напряжения на эмиттерном переходе соответствующего транзистора). Оно является напряжением смешения для транзисторов выходного каскада.

Теперь допустим, что на вход усилителя поступил увеличивающийся сигнал положительной (отрицательной) полярности. Через резисторы R_H и R_Э1 (R_H и R_Э2) потечет возрастающий во времени ток нагрузки I_Н, а напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT4

(VT3) U_БЭVT4=I₁R1 - (U_БЭVT3+I_HR_Э1)

[U_БЭVT3=I₁R1 - (U_БЭVT4+I_НR_Э2) ] начнет падать, и он закроется. Скорость его уменьшения определяется двумя слагаемыми U_БЭVT3 и I_HR_Э1 (_БЭVT4 и I_HR_Э2), имеющими соответственно логарифмическую и линейную зависимость от тока нагрузки. Очевидно, что минимум ее будет наблюдаться при R_Э1= =R_Э2= R_Э=0. Этому случаю соответствует и минимум КИ.

рис. 3

Сказанное иллюстрируется осциллограммами гармонических составляющих полезного выходного сигнала (три первые гармоники для наглядности дополнительно подавлены) при R_Э=0,47 Ом (рис. 3, в) и R_Э=0 (рис. 3, б) в случае подачи на вход усилителя синусоидального входного сигнала частотой 35 кГц (рис. 3, а).

Таким способом спектр КИ предлагаемого вниманию радиолюбителей усилителя удалось ограничить 7, 8 гармониками. Основные технические характеристики его следующие: максимальная выходная мощность на нагрузке 4 Ома — 60 Вт. 8 Ом — 34 Вт; диапазон воспроизводимых частот — 10...20 000 Гц; коэффициент гармоник при уровне выходного сигнала 0,5 (3) дБ от максимального на частоте 1000 Гц — 0,005 (0,004), 20 000 Гц — 0,025 (0,012) %; номинальное входное напряжение — 0,5 В; скорость нарастания выходного напряжения с отключенным конденсатором С2 — 15 В/мкс; отношение сигнал/помеха — 96 дБ; ток покоя при температуре теплоотводов выходных транзисторов 15...90 °С — 150...200 мА.

рис. 4

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 4. Предварительное усиление обеспечивает ОУ DA1, далее следует каскад на транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме ОЭ—ОБ, имеющий высокий коэффициент использования напряжения питания и обладающий малым уровнем коэффициента гармоник. Его нагрузкой служит источник тока на транзисторе VT5. Напряжение смещения транзисторов выходного каскада создается каскадом на транзисторах VT3, VT4, описанным в [3], управляемым разностью потенциалов между базами VT8, VT9. Такое техническое решение позволило сделать его независимым от режима работы транзисторов VT6. VT7 предоконечного каскада, что повысило термостабильность усилителя и дополнительно снизило амплитуду импульсов КИ более чем в 1,5 раза. Поскольку напряжение между базами транзисторов VT3, VT4 меньше, чем между базами кремниевых транзисторов VT8, VT9, для поддержания активного режима работы последних, один из транзисторов каскада, обеспечивающего смещение, должен быть германиевым. Температурная стабильность тока покоя выходного каскада достигается размещением транзистора VT3 на теплоотводе одного из его транзисторов. Резистор R23 выполняет функции цепи разряда диффузионной емкости. Устройство защиты собрано на диодах VD7. VD8 и транзисторах VT2, VT5. Порог его срабатывания (6,7...7 А) определяется номиналами резисторов R24, R25. Конденсаторы С5, С8 повышают устойчивость усилителя, а С6 обеспечивает апериодический характер затухания переходного процесса, возникающего в усилителе при воздействии импульсного сигнала.

рис. 5

Усилитель смонтирован на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 3 мм (рис. 5).

рис. 6

При монтаже могут быть использованы постоянные резисторы МЛТ, С5-16. построечные — СП5-3. конденсаторы оксидные — К50-6, остальные — КД и КМ. Транзисторы VT6, VT7 снабжены пластинчатыми теплоотводами из меди толщиной 0,5 мм (рис. 6). Их выводы впаивают в соответствующие точки печатной платы. Диаметр отверстия в теплоотводе, на котором установлен, транзистор КТ626В (VT7), равен 2, а КТ904Б (VT6) — 4 мм. Площадь охлаждающей поверхности теплоотводов транзисторов выходного каскада — 400 см². На одном из них с помощью скобы закреплен транзистор КТ503Б (VT3). На месте транзистора VT1 могут работать КТ3102 с индексами А и Е, VT2 — КТ933 с такими же индексами и КТ3108А, VT3 — любой маломощный кремниевый транзистор в пластмассовом корпусе с коэффициентом h_21Э=40...100, VT4 — любой маломощный высокочастотный германиевый с таким же h_21Э; VT5 — КТ601А, КТ608А, КТ630 с индексами А, Б и В, VT6 — КТ907 с индексами А и Б, КТ940 с индексами А, Б, В, КТ961А, VT7 — КТ626Б, КТ933 с индексами А и Б, VT8 — КТ819, VT9 — КТ818 с индексами В и Г. Замена ОУ К140УД11 другим не рекомендуется.

Для питания усилителя нужен нестабилизированный источник напряжением ±22...±30 В с конденсаторами фильтра емкостью не менее 10 000 мкФ. Мощность трансформатора питания для стереофонического варианта УМЗЧ не менее 120... 180 Вт (в зависимости от напряжения питания). С усилителем его следует соединять проводами сечением не менее 1 мм² и длиной не более 30 см.

Налаживают усилитель при отключенной нагрузке. Движок подстроечного резистора R21 перемещают в нижнее (по схеме) положение и, включив питание, устанавливают им ток покоя транзисторов выходного каскада в пределах 150...170 мА, после чего резистором R7 добиваются нулевого потенциала на выходе усилителя. Затем подключают нагрузку и проверяют параметры усилителя на соответствие указанным в начале статьи. Они получены при разбросе коэффициентов h_21Э транзисторов VT8, VT9 40 %. Экспериментально испытывался образец, в котором использовались транзисторы с разбросом h_21Э 350 %. Оценка качества его звучания не показала сколь — либо заметного ухудшения в передаче верхних частот и спектральной локализации звучания музыкальных инструментов, хотя измеренный коэффициент гармоник увеличился в 2,5 раза (в основном за счет повышения уровня второй гармоники). Этот опыт еще раз подтверждает тот факт, что гармонические составляющие более низкого порядка меньше влияют на верность звуковоспроизведения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Митрофанов Ю. Экономичный режим А в усилителе мощности.— Радио, 1986. № 5, с. 40—43.
2. Дмитриев Н., Феофилактов Н. Схемотехника усилителей мощности 34.— Радио, 1985, № 5, с. 35—38.
3. Акулиничев И. Качество звучания при малых уровнях громкости.— Радио, 1979. № 4, с. 26, 27.

Радио №9 1987г.

Выложена схема усилителя на LM3886(3876) в инвертирующем включение с кратким описанием.