В мире HI-FI вновь вошел в моду ламповый усилитель. Друзья уговорили меня сконструировать ламповый усилитель, поскольку, по их мнению, мой возраст обязывает к этому, ибо первая треть моей профессиональной деятельности пришлась именно на ламповую эпоху.

Ламповый усилитель на 10 Вт

Первый ламповый усилитель я построил более 35 лет назад. С тех пор качество электронных элементов значительно улучшилось, техника измерений также стала более совершенной, однако некоторые детали исчезли или их приобретение весьма усложнилось. Основная проблема состоит в том, что со временем возросли требования, предъявляемые к техническим параметрам усилителя.

Подумайте только о гармонических искажениях, которые считаются одной из основных характеристик усилителей». В начале 60-х годов усилители с искажениями порядка 1% считались HI-FI (стандарт DIN45500). Современные полупроводниковые усилители имеют меньшие на два-три порядка искажения.

При проектировании первым делом следовало выбрать тип выходного каскада. Для получения сравнительно дешевой конструкции желательна такая схема, которая не предъявляет экстремальных требований к самой дорогостоящей детали — выходному трансформатору.

[info] Для хорошего освещения рабочего места при пайке усилителя используются трековые светильники в Москве купить Вы можете по очень низким ценам. [/info]

С этой точки зрения подходят оконечные каскады с катодным или частично катодным включением трансформатора. Такие оконечные каскады характеризуются тем, что сопротивление нагрузки частично или полностью включено в катодную цепь ламп оконечного каскада. Местная отрицательная обратная связь внутри оконечного каскада создает малое выходное сопротивление, что помогает в разрешении проблем, создаваемых выходным трансформатором.

Такое подключение выгодно также с точки зрения “технической” безопасности, поскольку при отключении нагрузки не возникает броска напряжения на выходном трансформаторе, и он не пробивается, как это нередко происходит в “традиционных” оконечных каскадах.

Среди возможных выходных схем выбор был сделан в пользу так называемого усилителя с двойной связью, у которого из двух одинаковых сравнительно простых выходных трансформаторов один включен в анодную, а второй — в катодную цепи оконечных ламп. Другим исходным вопросом при проектировании был выбор типа ламп оконечного усилителя, поскольку этим определялась его выходная мощность.

Я остановился на лампах EL84, которые при выбранном с целью получения малых искажений режиме класса А позволяют получить выходную мощность 10 Вт. Это не такая уж большая мощность, но, как показывает мой опыт, для озвучивания комнаты площадью 20 м2 достаточно 3 4 Вт. Саму лампу достать сравнительно легко, в силу низкого анодного напряжения конденсаторы фильтра в усилителе также относительно дешевы.

Оконечный ламповый усилитель мощности с двойной связью. Функциональная схема оконечного каскада показана на рис.1. На ней указаны только элементы, важные с точки зрения понимания принципа работы. Два выходных трансформатора абсолютно идентичны. Их первичные обмотки “с точки зрения” оконечных ламп соединены последовательно, вторичные— параллельно.

Импедансы первичных обмоток нужно брать в половину оптимального эквивалентного сопротивления нагрузки а вторичных обмоток — вдвое большими. Усиление по напряжению ламп оконечного каскада равно двум, что является преимуществом по сравнению с пушпульным выходом (РРР — Parallel Push-Pull). Благодаря этому в нашем случае требуется только половина управляющего напряжения.

При рассмотрении рис 1 будем считать, что направления намотки двух выходных трансформаторов совпадают, и вторичные обмотки правильно сфазированы. В таком случае катод и вспомогательная сетка верхней лампы соединяются с верхними выводами выходных трансформаторов, анод же, в силу обращения (поворота на 180°) фазы, соединяется с нижним выводом трансформатора (накрест).

Обеспечению по возможности большого управляющего напряжения оконечных ламп способствует схема включения ламп предварительного каскада, которая получается за счет соединения анодных резисторов этих ламп не с положительным напряжением питания, а с соответствующими “горячими” концами выходного трансформатора.

Каскады предварительного усиления симметричны. Перед ними находится также симметричный каскад анодно-катодного фазоинвертора (именуемый также катодином). Цепь отрицательной обратной связи также симметрична и действует с первичных обмоток катодного выходного трансформатора на катоды ламп предварительного каскада. Из петли обратной связи исключается фазоинвертор, поскольку он работает с глубокой местной обратной связью.

Отрицательная обратная связь еще больше уменьшает выходное сопротивление оконечных ламп, которое и так небольшое в силу наличия местной обратной связи. Иначе говоря, питание выходных трансформаторов осуществляется от генератора напряжения. При этом нелинейные искажения в выходных трансформаторах, возникающие из-за нелинейности кривой намагничивания сердечника (кривая “В-Н”), уменьшаются до ничтожно малой величины.

Указанный способ введения обратной связи оказывает благотворное влияние на схему с точки зрения высокочастотной стабильности усилителя, поскольку из петли ООС исключается индуктивность рассеяния выходного трансформатора, в результате чего в петле становится одним полюсом меньше. Может показаться недостатком то обстоятельство, что такая обратная связь не “исправляет” передачу трансформатором высоких частот.

Точнее сказать, это устройство не изменяет верхнюю граничную частоту (на малой мощности). Впрочем, обратная связь не может также изменить и ширину частотного диапазона. Частотный диапазон по мощности зависит исключительно от выходного трансформатора, поэтому нужно изготовить выходной трансформатор соответствующего качества. Таинственной может показаться роль конденсаторов, подключенных между вспомогательной сеткой и катодом оконечных ламп.

В них не было бы надобности, если бы выходные трансформаторы были идеальными, те. в их обмотках отсутствовало активное сопротивление. Поскольку это не так, можем представить, что между вспомогательными сетками и идеальным трансформатором имеется сопротивление, на котором в процессе работы возникает такое переменное напряжение, фаза которого совпадает с фазой образующегося на аноде сигнала и обратна фазе сигнала на катоде. Вследствие этого КПД лампы уменьшается и приближается к КПД триода. Этот нежелательный эффект ликвидируется благодаря указанным конденсаторам.

Выходной трансформатор — самая дорогая составляющая лампового усилителя, от которой в наибольшей степени зависит его качество. Вокруг выходных трансформаторов лет 30-40 тому назад, в “героическую эпоху” подавляющего господства ламповых усилителей, было много “темных мест”. Для полупроводниковых усилителей выходной трансформатор проблемы не представляет, и многое о них забыто.

Вследствие этого, по моему мнению, следует подробнее остановиться на выходных трансформаторах. Нижеследующее относится, конечно, не только к выходным трансформаторам данного усилителя, но справедливо для любого двухтактного выходного трансформатора. Выходной трансформатор определяет диапазон частот усилителя. При включенном в петлю отрицательной обратной связи выходном трансформаторе максимальная мощность, создаваемая оконечными лампами, не увеличивается.

Напротив, в случае малых выходных мощностей обратная связь способна расширить диапазон частот, ведь в оконечных лампах в этом случае есть резерв мощности. Поэтому принято указывать частотный диапазон ламповых УМЗЧ при выходной мощности 1 Вт (обычно умалчивая об этом). Частотный диапазон по мощности означает, что мы задаем пределы частот, в которых усилитель, наряду с номинальным коэффициентом искажений, передает по крайней мере половину номинальной выходной мощности (-3 дБ).

В нашем случае я нетрадиционно взял граничный коэффициент гармонических искажений 0,1%, чтобы приблизиться к аналогичным данным полупроводниковых усилителей. Чем определяется частотный диапазон выходного трансформатора? Иными словами, чем определяется, в каком диапазоне частот выходной трансформатор обеспечивает оптимальное нагрузочное сопротивление для оконечной лампы?

Из эквивалентной схемы выходного трансформатора можно установить, что нижнюю границу частот определяет индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора, а верхнюю границу — индуктивность рассеивания (пренебрегая собственной емкостью обмоток).

Индуктивность рассеивания 

где Кр — коэффициент рассеивания; Ц — индуктивность первичной обмотки. Кр представляет собой число, меньшее 1, его зачастую умножают на 100 и выражают в процентах. Это “рассеивание” выходного трансформатора. Индуктивность рассеивания трансформатора можно определить, если при закороченной вторичной обмотке измерить индуктивность первичной обмотки.

Легко подтверждается, что отношение нижней и верхней граничных частот выходного трансформатора в первом приближении совпадает с коэффициентом рассеивания. Рассеивание “традиционного” плотно намотанного трансформатора небольших размеров составляет около 2-3%, если вторичная обмотка находится сверху. Немного лучше обстоят дела в случае, если вторичная обмотка располагается снизу.

Это означает, что отношение нижней и верхней граничных частот (взяв рассеивание 2,5%) составляет примерно 1:40. Например, при нижней частоте 100 Гц верхняя граничная частота составляет 4000 Гц. Положение не очень утешительное, не правда ли? Следовательно, рассеивание нужно уменьшить. От чего зависит коэффициент рассеивания выходного трансформатора? От геометрии катушек, т.е от формы катушек и от способа намотки.

Это означает, что сердечник влияет на ширину частотного диапазона лишь в зависимости от того, какую катушку можно на него надеть, при условии одинаковых геометрических размеров. При этом тип сердечника практически не имеет значения.

При более подробном рассмотрении вопроса обнаруживается, что коэффициент рассеивания обратно пропорционален коэффициенту, который зависит от секционирования катушки, традиционного для намотки выходных трансформаторов, и прямо пропорционален “коэффициенту стройности”, т.е. чем длиннее и чем ниже катушка трансформатора.

Поэтому не принято заполнять обмоткой окно выходного трансформатора до отказа. Тогда более “стройная” катушка создает меньшее рассеивание. Моей целью было проектирование простого в изготовлении выходного трансформатора, поэтому я задался вопросом: существует ли такой тип трансформатора, катушка которого максимально “стройная”?

Да, существует, это тороидальный трансформатор, у которого длинная, низкая, и следовательно, “стройная” катушка. Исследовав сетевой тороидальный трансформатор заводского изготовления на 230/12 В, я определил Кр=0,1%, что в 25 раз лучше, чем при традиционной конструкции этого трансформатора. Если учесть еще и то обстоятельство, что при выбранной схеме индуктивности рассеивания двух трансформаторов соединяются параллельно, т.е. создается такой эффект, как будто у выходного трансформатора получается половина общей индуктивности рассеивания, то положение весьма обнадеживает.

Полноты ради следует отметить, что картина все-таки не совсем безоблачная. Независимо от того, уменьшаем ли мы рассеивание с помощью секционирования катушки или ее “стройности”, при этом возрастает собственная емкость выходного трансформатора. При уменьшении рассеивания указанными способами собственная емкость может возрасти настолько, что верхнюю границу частот будет определять уже не индуктивность рассеивания, а собственная емкость первичной обмотки.

Следует еще отметить, что низкочастотная граница по мощности для выходного трансформатора определяется не индуктивностью первичной обмотки, а насыщением сердечника. Это в полной мере согласуется с моими измерениями. С другой стороны, нижняя граничная частота при малой мощности определяется индуктивностью первичной обмотки, поэтому на практике она всегда ниже (иногда намного), чем нижняя частота при большой мощности.

С верхней граничной частотой положение сложнее. Индуктивность Lp одинаковым образом ограничивает границу частот как при низкой, так и при высокой мощности, в то время как собственная емкость определяет в первую очередь высокочастотную границу при большой мощности. Данные о гармонических искажениях содержатся в таблице.

В дополнение к техническим данным сделаю следующее замечание. В ламповом усилителе принято задавать не выходное сопротивление усилителя, а коэффициент демпфирования (damping factor). Под коэффициентом демпфирования понимается выраженное в децибелах отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя (измеренному на данной частоте).

В данном случае это означает, что выходное сопротивление нашего усилителя составляет 0,6 Ом, что является хорошим значением в “ламповом масштабе”, но значительно больше выходного сопротивления полупроводниковых усилителей.
Выходное сопротивление является важной характеристикой, значительно влияющей на передачу звуковых частот возле резонансной частоты громкоговорителей.

Из этого следует, что данные о сопротивлении, измеренном на традиционно указываемых 1000 Гц, ничего не дают, а существенным является значение вблизи резонансной частоты громкоговорителя. Принципиальная схема усилителя представлена на рис.2. Входной сигнал поступает на фазоинвертор V1 (EF86). Этот фазоинвертор обладает хорошей симметрией, устойчив к колебаниям напряжения питания и старению ламп. Для полной симметрии требуется, чтобы рабочие сопротивления анодной и катодной цепей лампы были одинаковыми.

Этим объясняется наличие резистора R2 в анодной цепи, поскольку в катодной цепи для установки рабочей точки лампы необходим резистор R4, задающий напряжение смещения. Желающие точнее настроить усилитель могут заменить R2 подстроенным резистором (триммером) сопротивлением 2,2 кОм, и с его помощью установить минимум искажений в середине частотного диапазона, скажем, на частоте 1 кГц. Этим можно компенсировать асимметрию не только фазоинвертора но и следующих за ним каскадов усилителя

Для симметрии фазоинвертора на высоких частотах большое знамение имеют реактивные сопротивления нагрузок. В емкостные составляющие нагрузок входят распределенные емкости монтажа, но доминирующими являются входные емкости двух половин лампы V2, а также большая емкость Миллера. В случае лампы ЕСС83 с большой асимметрией наблюдается возрастание искажений на частотах 10-20 кГц.

Путем подключения триммерного конденсатора емкостью 20 30 пФ к соответствующей сетке лампы можно компенсировать асимметрию и на высоких частотах. Симметрию V2 можно проконтролировать измерением катодного напряжения обеих половин лампы. Отклонение напряжения свыше 0.1В-0,2В свидетельствует об асимметрии V2.

Поспешу заметить, что для моих усилителей я не использовал никакой настройки, не применял компенсацию, они полностью соответствуют приведенной схеме. Важнейшая задача следующего блока — создание большого управляющего напряжения для ламп оконечного усилителя. Для этой цели классическим вариантом является использование лампы ЕСС82.

Общий катодный резистор R17 для двух половин лампы улучшает симметрию каскада. При подключении анодных резисторов (R19 и R22) к “горячим концам первичной обмотки трансформатора Тг2, фаза сигнала в которых та же, что и на анодах V3, возникает дополнительное “подтягивание” напряжения (вольтодобавка). Резисторы R20 и R21 в сеточных цепях ламп оконечного каскада V4 и V5 препятствуют возникновению паразитных токов, их присоединяют непосредственно к панелькам ламп по возможности более короткими проводами.

Эти токи могут появиться, если конденсаторы, шунтирующие вспомогательные сетки оконечных ламп, подключаются к ламповым панелькам длинными проводами. За счет индуктивности проводов, подключенных к вспомогательным и управляющим сеткам, в силу “крестообразного” соединения анодов может возникнуть противотактный осциллятор, и каскад начнет самовозбуждаться.

Для устранения самовозбуждения керамическими конденсаторами емкостью 1…5 пФ соединяем вспомогательные сетки ламп с их катодами (прямо на панельках ламп). В моих усилителях потребность в этих конденсаторах возникла, но при другом изготовлении они, возможно, не понадобятся, поэтому я не указал эти конденсаторы на схеме. Установку оконечных ламп в режим класса А обеспечивают катодные резисторы R23 и R24.

Отклонение измеренных на этих резисторах напряжений менее 0,3 В свидетельствует об удовлетворительной симметрии рабочих точек ламп оконечного каскада (эмиссия ламп отличается незначительно). С целью улучшения симметрии рекомендуется подобрать оконечные лампы. Анодное напряжение усилителя обеспечивает традиционный нестабилизированный блок питания. В качестве выпрямителя я использовал выпрямитель Гретца (мостовой) на полупроводниковых диодах.

Недостаток этого решения состоит в том, что после включения питания анодное напряжение на лампах появляется значительно раньше, чем они нагреваются. Это означает повышенную нагрузку катодов при нагревании. Для решения этой проблемы я установил отдельный выключатель К2, коммутирующий анодное напряжение.

Это дает еще одно преимущество — во время наладки легко “освободить” усилитель от высокого напряжения без прекращения накала, чтобы после включения снова не ожидать нагрева ламп. Рабочее состояние усилителя можно индицировать светодиодами (на схеме они не показаны).

Фильтрацию анодного напряжения обеспечивает многозвенная RC-цепочка. При номинальном сетевом напряжении анодное напряжение ламп оконечного каскада составляет 250 В с колебаниями в пределах 1…2 В. Колебания напряжения накала — в пределах 1…2 В. Нужно следить за напряжением, падающим в проводах. В неудачном случае (малое сечение и большая длина) это падение напряжения может быть значительным.

Конструкция. Сначала несколько слов о механическом исполнении шасси. За неимением приспособления для гибки я использовал в качестве шасси алюминиевую пластину толщиной 1,5 мм. Ее чертеж показан на рис.3. Корпус усилителя изготовлен из полированной древесно-стружечной плиты черного цвета толщиной 19 мм. Две торцевые стороны выполнены так, чтобы были выше ламп.

При этом защита ламп гарантирована даже в случае, если перевернуть усилитель, чтобы добраться до нижней части шасси. Размеры двух торцевых пластин — 170×135 мм, а двух боковых пластин — 310×50 мм. По внутренней стороне корпуса со всех сторон проходит паз шириной 2,5 мм, в него входят края шасси. Паз находится на высоте 43 мм от низа корпуса.

Паз я вырезал настольной дисковой пилой, ее полотно выпилило достаточно широкий фальц. Для присоединения торцевых пластин к боковым использовались мебельные болты диаметром 5 мм с внутренним отверстием для ключа. Для соединения достаточно одного болта на сторону, поскольку входящая в паз кромка шасси защищает ее от поворачивания.

Два канала усилителя я изготовил традиционным навесным монтажом без использования печатных плат. Конструкция усилителя не особенно критична к расположению элементов, но оконечные лампы, чтобы исключить их перегрев от взаимного излучения, не должны располагаться ближе 100 мм друг от друга (в закрытом корпусе).

В усилителе использованы 1%-резисторы мощностью 0,6 Вт, за исключением R25 — 2 Вт. Разделительные конденсаторы — полипропиленовые или полиэстерные, с рабочим напряжением 400 В. Электролитические конденсаторы в катодных цепях имеют допустимое напряжение 16 В. остальные — 350 В. Обращаю внимание на то, что указанные допустимые напряжения достаточны и в том случае, когда анодное напряжение появляется сразу (до нагревания ламп).

Выходные трансформаторы (тороиды — их изготовила фирма URBAN Elektronik) расположены на общей вертикальной оси, один — над шасси, а другой — под, возле оконечных ламп. При сборке усилителя кропотливым делом является правильное подключение выходных трансформаторов. Для этого нужно идентифицировать выводы обмоток.

Сначала части (половины) первичной обмотки соединяются последовательно, на вторичную обмотку подается переменное напряжение около 6 В (50 Гц), и с помощью вольтметра контролируется общее напряжение на первичной обмотке. Половины нужно соединить так, чтобы получилось удвоенное напряжение.

Осторожно! На первичных обмотках возникает опасное для жизни напряжение!

Эта операция проделывается на обоих трансформаторах. Весьма вероятно, что выводы двух изготовленных в одно время трансформаторов расположены одинаково, но контроль не помешает. На втором этапе нужно сфазировать обмотки двух трансформаторов. Конкретное направление обмоток несущественно, важно лишь, чтобы оба трансформатора были включены синфазно. Выводы вторичных обмоток снабжаем метками и при монтаже включаем соответствующим образом (параллельно, чтобы метки совпадали).

На вторичные обмотки обоих трансформаторов подаем переменное напряжение 6 В. Выводы первичных обмоток соединяем последовательно и измеряем напряжение между двумя оставшимися свободными выводами. Если трансформаторы включены в фазе, то это напряжение меньше 10 В, если нет, то — удвоенное (относительно напряжения на одной первичной обмотке).

Тогда для достижения правильной фазы нужно поменять местами выводы первичной обмотки одного из трансформаторов. После фазировки помечаем выводы первичной обмотки, соединенные в процессе измерения, и считаем эти выводы нижними выводами на схеме по рис 2.

С помощью осциллографа контролируем фазу входного и выходного сигнала на работающем усилителе (на выводах вторичных обмоток) Переключая (при необходимости) эти выводы, устанавливаем одинаковую фазу входного и выходного напряжения. Теперь усилитель — неинвертирующий.

Для облегчения наладки могу указать постоянные напряжения в основных цепях. На катоде V1 — 38 В, на аноде — 152 В, на катоде V2 — 1,2 В, на аноде — 165 В, на катоде V3 — 8 В, на аноде — 171 В. На катодном резисторе V4 (V5) — 7.2 В, между анодом и катодом — 250 В. На первом фильтрующем конденсаторе С12 — около 274 В, на втором — 263 В, на третьем — 225 В, на четвертом — 190 В. Указанные значения измерены при номинальном сетевом напряжении.

Оценка. Как утверждалось выше, описанная конструкция была создана с целью сравнения Меня интересовало, насколько конкурентоспособен хорошо сделанный ламповый усилитель по сравнению с хорошим полупроводниковым. Я использовал усилители в системе с отдельным НЧ-каналом subwoofer для питания двух сателлитов, передающих диапазон свыше 100 Гц. Для сравнения я взял хорошо зарекомендовавший себя оконечный усилитель на комплементарных полевых транзисторах.

В силу различной чувствительности оконечных усилителей двух видов нужно было соответственно изменять чувствительность НЧ-канала. Во время сравнения ничего другого в системе я не менял, предварительный усилитель был транзисторным. Итоги этих экспериментов можно подвести так ламповый усилитель звучит ничуть не хуже полупроводникового.

С CD-диска (хорошего качества) с ним получается более прозрачная, чистая звуковая картина, чем у полупроводникового усилителя.С другой стороны, при ненастроенном CD-плейере (Philips bit-stream) ламповое преимущество пропадает. В любом случае представляется, что, вопреки более значительному коэффициенту гармонических искажений, этот усилитель конкурентоспособен по отношению к транзисторному. Поставить это в заслугу ламповому усилителю или считать недостатком транзисторного — предоставляется решать вам, дорогой читатель.