УНЧ с управлением по второй сетке. Часть 1.



Добрый день, уважаемые читатели. Данную статью я хотел бы посвятить сегодня одному из редко используемых методов управления выходным каскадом усилителя, а именно управлению по второй сетке. Данный способ нашёл широкое распространение в модуляторах передатчиков и так называемых «шарманках», но крайне мало распространён в усилительной технике… Мне не удалось найти в отечественной литературе конструкций с данным видом управления и их описания, поэтому и появилась данная статья. Но обо всё по порядку.

Итак, на схеме ниже представлена схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя. Разберёмся как он устроен. Сигнал с выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С1 и антипаразитный резистор R2 поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора, выполненного на двойном триоде с высоким коэффициентом усиления Ла1 [1].

Принципиальная схема.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

Фазоинвертор выполнен практически по классической схеме, множество раз описанной в различной литературе [например, 2] и подробном пояснении принципа работы не нуждается. Рассмотрим кратко только отличия.

Фазоинвертор данного усилителя представляет из себя, по сути, 2 независимых каскада с общим катодом и отличается от классической схемы только катодными цепями. В классической схеме фазоинвертора катоды соединены вместе, а для задания автоматического смещения служит общий катодный резистор. Для устранения связи по переменному току на всех частотах звукового диапазона данный резистор шунтируется конденсатором относительно большой ёмкости [2].

Благодаря применению отдельного резистора автоматического смещения для каждого плеча удалось добиться следующих улучшений:

  • так как катодные резисторы не зашунтированы конденсаторами, они создают за счёт протекания переменной составляющей тока небольшое напряжение отрицательной обратной связи, что так же линеаризует характеристики каскада и уменьшает вносимые искажения;
  • появляется возможность независимой регулировки плеч фазоинвертора и более точной установки заданного режима каждого плеча в отдельности. Что позволяет настроить (отбалансировать) каскад более точно.

С выхода предварительного усилителя-фазоинвертора усиленный сигнал поступает непосредственно на входы катодных повторителей, выполненных на двойных триодах Ла2, Ла3 [3] по схеме с приёмниками неизменяющегося тока в качестве катодной нагрузки.

Данные катодные повторители выполняют роль усилителей тока, что даёт возможность питать вторые сетки ламп выходного каскада непосредственно с их выхода. Кроме того, несмотря на низкий коэффициент усиления (близкий к единице) катодные повторители обладают хорошей линейностью, низким выходным сопротивлением, а так же являются широкополосными.

Применение же приёмников неизменяющегося тока в качестве катодной нагрузки катодных повторителей ещё больше повышает их линейность, а так же линейность управления выходным каскадом т.к. ток второй сетки ламп выходного каскада зависит от потенциала сетки и анодного потенциала. В общем случае зависимость тока второй сети от потенциалов сетки и анода является нелинейной. Применение катодных повторителей с приёмниками тока в качестве катодной нагрузки позволяет компенсировать данную нелинейность.

С выхода катодных повторителей, усиленный по току сигнал поступает на вход выходного каскада, выполненный на радиолампах Ла5, Ла6 [4]. Данный каскад выполнен по схеме с заземлёнными первыми сетками и фиксированным смещением. Управление осуществляется по 2 сеткам. Рабочий режим по постоянному току (фиксированное смещение) выходного каскада задаётся интегральными стабилизаторами DA1, включёнными по схеме стабилизатора тока.

Так как интегральные стабилизаторы обладают высоким динамическим сопротивлением переменному току, что эквивалентно глубокой ООС со стороны катода, стабилизаторы были зашунтированы конденсаторами С11-С14, которые устраняют действие данной ООС.

Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой на выход акустической системой сопротивлением 4 Ом.

Резистор R16 – резистор общей отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель полностью.

Таким образом, подведя итог, можно заметить, что данный усилитель выполнен полностью с непосредственной связью каскадов, без использования переходных конденсаторов.

Для обеспечения стабильности параметров и рабочих точек усилителя по постоянному току применено питание предварительного усилителя и катодных повторителей стабилизированным напряжением. Если же питать предварительный усилитель-фазоинвертор и катодные повторители нестабилизированным напряжением, то изменение режима предварительного усилителя повлечёт за собой пропорциональное изменение режимов всех последующих каскадов, что недопустимо.

Стабилизатор напряжения выполнен на радиолампе Ла4 [5]. Данный стабилизатор, по сути, представляет собой усиленный параметрический стабилизатор. Источник опорного напряжения выполнен на стабилитронах VD1-VD3.

Рабочий ток стабилизации цепочки стабилитронов VD1-VD3 задаётся источником тока, выполненным на правой (по схеме) половинке лампы Ла4. Левая (по схеме) половинка лампы служит усилителем тока. Задание режима работы цепочки стабилитронов источником тока, а не резистором, как это делается в классических схемах, значительно повышает стабильность опорного напряжения. Даже в такой простейшей схеме стабилизации получаются неплохие результаты.

Конденсаторы С7, С8 – дополнительный фильтр опорного напряжения стабилизатора. Кроме того данный фильтр блокирует собственный шум стабилитронов, не пропуская его в последующие каскады.

Конденсаторы С5, С6 – дополнительный ёмкостной фильтр питания предварительного усилителя и катодных повторителей.

Конденсаторы С2, С3, резистор R9 – дополнительный развязывающий фильтр питания предварительного усилителя.

Настройка данного усилителя не представляет сложности. После включения усилителя и его прогрева в течение 5-10 минут нужно резистором R13 выставить ток через цепочку стабилитронов VD1-VD3 равный 8-10 мА. После этого нужно проконтролировать напряжение на катоде левого (по схеме) триода радиолампы Ла3 (вывод 3). Оно должно находиться в пределах 400-420 Вольт. Если напряжение отличается более чем на 10 вольт в большую или меньшую сторону, то следует подобрать напряжение стабилизации цепочки стабилитронов VD1-VD3.

После настройки стабилизатора напряжения переходим к настройке предварительного усилителя. Для его настройки, резисторами R3, R7 следует выставить на анодах лампы Ла1 напряжение равное 200 Вольт. На этом настройку по постоянному току предварительного усилителя можно считать законченной. Переходим к настройке катодных повторителей.

Для настройки катодных повторителей резисторами R10, R11 нужно выставить ток анодов ламп Ла2, Ла3 равный 15 мА. При этом вторые сетки выходного каскада должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ! На этом настройку катодных повторителей можно считать законченной.

После настройки катодных повторителей подключаем вторые сетки выходного каскада и переходим к его настройке. Для его настройки нужно подстройкой резисторов R14, R15 выставить ток ламп выходного каскада Ла5, Ла6 равный 25 мА. На этом настройку усилителя по постоянному току можно считать законченной.

Кроме того следует проверить правильность фазировки обмоток трансформатора. При правильной фазировке, через резистор R16 с выхода на вход должна образовываться ООС, и при подключении её мощность на выходе должна незначительно уменьшаться. В противном же случае, при увеличении выходной мощности или появлении генерации при подключении резистора R16 следует изменить полярность вторичной или первичный обмоток трансформатора. Увеличение мощности или генерация свидетельствует о том, что связь положительная, и фазировка нарушена.

Переходим к настройке по переменному току. Для настройки по переменному току на выход подключается эквивалент нагрузки – резистор сопротивлением 4 Ом мощностью не менее 10 Вт. Далее на вход подаётся синусоидальный сигнал частотой 1 кГц. Постепенно увеличивая уровень сигнала на выходе добиваемся на эквиваленте нагрузки мощности равной 5 Вт. При этом движок резистора R6 должен находиться в среднем положении. После этого, вращением движка резистора R6 добиваемся минимума 2 гармоники на выходе (эквиваленте нагрузки) по спектроанализатору или равенства полуволн синусоиды на осциллографе, что практически эквивалентно. В качестве спектроанализатора и осциллографа можно воспользоваться виртуальным комплексом на базе ПК visual analyser [6].

На этом настройку усилителя можно считать законченной.

Все использованные детали указаны на схеме. Номинальная мощность всех используемых в усилителе резисторов равна 2 Вт. Кроме того, стабилитроны VD1-VD3 следует установить на радиаторы площадью не менее 15-20 квадратных сантиметров каждый, толщиной 1-2 мм.

В качестве конденсаторов С11, С13 рекомендуется применить конденсаторы nichicon серии ES [8]. При их отсутствии можно применить любые подходящие конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС, ESR), способные работать в импульсных режимах.

Выходная мощность усилителя равна 5 Вт.

После проведения настройки усилителя и проработки в течении 50-ти часов для контроля стабильности параметров был произведён замер основных параметров усилителя.

На фото ниже представлена АЧХ данного усилителя при выходной мощности равной 5 Вт.

АЧХ.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ равна 40 Гц-20 кГц. В большую сторону замерить АЧХ не позволяют ограничения звуковой карты, установленной в ПК. Подробное описание параметров звуковой карты и методики их измерения приведены в статье«УНЧ с прямонакальным выходом» [7].

На фото далее приведён спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 5 Вт.

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно. Что уровень самой высокой гармоники 2-ой равен -49.9 дБ, а суммарный коэффициент гармоник равен 0.36%.

На фото ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при половинной выходной мощности.

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что уровень самой высокой гармоники 3-ей приближённо равен -47 дБ, а суммарный коэффициент гармоник равен 0.3%.

На фото ниже представлена реакция усилителя на прямоугольный импульс на входе.

Реакция на прямоугольный импульс.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По фото видно, что данный усилитель не имеет выброса на заднем фронте прямоугольного импульса. Если же при проверке будут наблюдаться выбросы, то следует подключить параллельно первичной обмотке трансформатора конденсатор ёмкостью от 100 пФ до 4700 пФ (подбирается экспериментально по отсутствию выброса) или корректирующую последовательную RC-цепочку. В этом случае сопротивление резистора обычно лежит в пределах 1-10 кОм, а ёмкость остаётся в выше описанных пределах. Параметры цепочки так же подбираются экспериментально.

По приведённым скринам замеров можно сделать вывод, что данный усилитель обладает сравнительно неплохими характеристиками.

Достоинством данного усилителя является более высокая детальность звучания (особенно в верхней части звукового диапазона), более линейное управление выходным каскадом, по сравнению с классическим управлением по 1 сетке. Кроме того, заземление 1 сетки устраняет влияние проходной ёмкости лампы на завал верхней части звукового диапазона, что так же расширяет полосу пропускания усилителя, увеличивает детальность звучания и уменьшает размазанность.

Недостатком является сложность реализации мощного линейного усилителя тока т.к. токопоребление второй сетки нелинейно.

В качестве улучшения данной схемы можно предложить усовершенствование стабилизатора питания предварительного усилителя и катодных повторителей. В качестве данного стабилизатора лучше применить стабилизатор компенсационного типа, при этом ток стабилитронов желательно задать так же источником тока.

Радиолюбители, желающие уменьшить количество применяемых конденсаторов в цепи прохождения сигнала могут построить выходной каскад по дифференциальной схеме, что исключит конденсаторы С11-С14 из схемы. Но при этом следует подобрать лампы Ла5, Ла6 более тщательно в пару по наименьшему разбросу параметров.

В подборке фото и видео ниже представлена работа макета данного усилителя во время испытаний.

В качестве дополнения, любители ламповой техники могут собрать полностью ламповый индикатор уровня, представленный на схеме далее. Разберёмся подробнее как он работает.

Схема.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

Рассмотрим работу только одного канала индикатора. Работа второго канала аналогична. Сигнал, с выхода источника сигнала, через разделительный конденсатор С1, токоограничивающий резистор R1 и резистор уровня R2 поступает на вход развязывающего усилителя, выполненного на радиолампе Ла1 [9]. Основное назначение его входных цепей и непосредственно самого усилителя – это исключение влияния индикатора на источник сигнала. Его нелинейность не должна создавать дополнительных искажений в тракте воспроизведения. Данный усилитель представляет собой, по сути, пару резистивных усилителей с общим катодом. Данное включение является классическим, поэтому рассматривать подробно его не будем.

С выхода развязывающего усилителя усиленный сигнал поступает на вход пик-детектора с удвоением, выполненного на конденсаторах С4, С5 и двойном диоде Ла3 [10]. Нагрузкой данного детектора служит резистор R8 с подключённым входом электронно-светового индикатора Ла5 [11]. Схема включения индикатора типовая.

Питать данный индикатор можно непосредственно с источника питания усилителя напряжением 500 Вольт либо с выхода стабилизатора предварительного усилителя и катодных повторителей.

Настройка данного индикатора очень проста. Для настройки нужно лишь выставить резистором R3 половину напряжения питания на одном из анодов лампы Ла1. При этом разность напряжений анодов не должна превышать 10%. В противном случае следует выбрать другую лампу Ла1.

После этого остаётся лишь при заданной громкости воспроизведения регуляторами уровня R2, R7 выставить необходимый входной уровень сигнала. На этом настройку можно считать законченной.

В качестве источника сигнала индикаторов можно использовать непосредственно выход катодных повторителей либо взять сигнал непосредственно с анодов ламп выходного каскада. Кроме того данный индикатор уровня можно использовать для стерео усилителей, подключив один канал к одному усилителю, а второй к другому.

В подборке фото и видео видео ниже наглядно представлена его работа. По фото и видео видно, что начальный раскрыв электронно-световых индикаторов, а так же их чувствительность различны. Это связано с тем, что у данных индикаторов в разной мере выработан ресурс. При замене индикаторов рекомендуется устанавливать их парой в одно время, аналогично двойным диодам Ла2, Ла3 пик-детектора.

Чувствительность индикатора к изменению входного уровня (время усреднения) зависит от ёмкости конденсаторов удвоителя пик-детектора. Данные конденсаторы подбираются экспериментально.


Несколько фотографий с испытаний усилителя


Фото 1. Фото 2. Фото 3. Фото 4.
Фото 5. Фото 6. Фото 7. Фото 8.
Фото 9. Фото 10. Фото 11. Фото 12.

Несколько видео с испытаний усилителя и индикатора уровня



Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.

На этом на сегодня всё, спасибо что дочитали статью до конца. С уважением, Sobiratel_sxem. До новых встреч.


Список использованной литературы


1. Параметры 6Н2П-ЕВ
2. Н. Трошкин. Фазоинверторы, журнал Class A, Апрель 1997 г, стр. 16-21.
3. Параметры 6Н6П
4. Параметры 6П44С
5. Параметры 6Н13С
6. Официальный сайт Visual analyser
7. УНЧ с прямонакальным выходом
8. Параметры конденсаторов nichicon
9. Параметры 6Н23П
10. Параметры 6Х2П
11. Параметры 6Е3П



Поиск по сайту