|
ЧАСТЬ 1
Norman Crowhurst, Glass Audio 3/96
Норман X. Кроухорст был инициатором разработки многих электронных устройств, в том числе радаров во
время Второй Мировой Войны, что существенно помогло защите Лондона против немецкой авиации "Люфтваффе".
В 50-е и 60-е годы плодотворно работал над теорией и конструированием звуковых устройств. Эмигрировал
в США в 1953 г. С 1959-го являлся членом AES. Умер в 1991 году в возрасте 77 лет.
С десяток лет назад выбор схемы выходного каскада ограничивался либо триодным либо пентодным включением
мощных ламп, и вопрос, внесенный в заглавие был одним из основных, Часть инженеров ратовала за так называемую
"грубую силу" -использование подходящего по мощности триода для получения требуемой выходной мощности.
При этом подчеркивалось, что триодный выходной каскад, несмотря на меньшую эффективность по сравнению
пентодным, обеспечивает и существенно меньшие искажения сигнала.
Те, кто отстаивал позиции пентодных усилителей, указывали на его высокую эффективность и меньшую,
по сравнению с триодным той же мощности, стоимость. Кроме того, они утверждали, что искажения, вносимые
пентодами, не выше, а в ряде случаев даже ниже, чем у триодного каскада.
Объединение достоинств
В этом споре обе стороны во многом правы - и это вызвало появление значительного числа схем выходных
каскадов, сочетающих достоинства триодов и пентодов. Сегодня известно такое большое число вариантов
схем построения выходных каскадов, что, зачастую, даже специалисты сбиты с толку достоинствами и недостатками
конкретной схемы.
Чтобы как-то разобраться в этой путанице, следует взять пару хорошо известных ламп, например 5881
(6ПЗС-Е - прим. перев.), и рассмотреть их работу в различных выходных каскадах. В данном случае конкретный
тип ламп не имеет принципиального значения - по большому счету от этого зависит только выходная мощность,
но качественная картина существенно не изменится.
Как только мы определились с требованиями к выходной мощности и искажениям каскада, требуется лишь
выбрать, в каком включении будут работать выходные лампы: триодном, пентодном или ультралинейном. Легко
видно, что все остальные варианты схем получаются посредством комбинирования трех основных включений
лампы с катодным повторителем (с полным или частичным использованием витков первички в катоде), либо
иной небольшой доработкой схемы.
О питании каскада
Выбирая схему выходного каскада, следует принимать во внимание особенности источников питания, в
частности для цепей смещения ламп. Работа усилителя на кратковременных пиковых сигналах
- во-первых, изменения питающих напряжений при увеличении уровня сигнала не должны сколько-нибудь
существенно влиять на усиление и искажения каскада. Если не выполнить это условие, то начало громкого
фрагмента по звучанию будет отличаться от его продолжения.
- во-вторых, изменение всех напряжений питания должны происходить с одинаковой скоростью, чтобы в
переходных режимах не возникало специфических искажений. Это означает, что все источники питания каскада
(анодное питание, напряжение смещения) должны обладать одинаковыми постоянными времени.
Независимо от схемы построения выходного каскада, анодный ток возрастает с увеличением уровня сигнала,
соответственно напряжение анодного питания несколько снижается (если, конечно, не используются весьма
дорогостоящие стабилизаторы напряжения).
В то же самое время абсолютное смещение может увеличиться (-Ucм упадет) либо из-за увеличения тока
через катодный резистор при автосмещении, либо из-за протекания импульсов сеточного тока при ограничении
сигнала в схеме с фиксированным смещением.
Обоим вышеуказанным условиям удовлетворяет правильно сконструированный каскад с автосмещением. Применение
же фиксированного смещения создает ряд проблем. При клипировании (ограничении) сигнала импульсы тока
в сеточной цепи увеличивают отрицательное напряжение смещения, подзаряжая конденсатор фильтра источника
смещения, постоянная времени которого обычно весьма велика для хорошего подавления пульсаций выпрямленного
напряжения. После снятия перегрузки, пониженное напряжение смещения сохраняется на сетке дольше, чем
восстанавливается номинальное напряжение анодного питания.
В общем случае фиксированное смещение позволяет получить с конкретных ламп большую мощность, чем автоматическое,
поскольку имеется свобода выбора наиболее благоприятной рабочей точки каскада. Такое увеличение мощности
может быть и не столь явным, если сравнивать громкость усилителя на слух. Ограничение сигнала имеет
место в любом усилителе. При фиксированном смещении ограничение вызывает специфические искажения, длящиеся
дольше пика перегрузки (см. ранее). В случае применения автосмещения подобные искажения возникают только
на время перегрузки, что гораздо в меньшей степени заметно на слух. Поэтому слушатель, зачастую,
считает, что усилитель с автосмещением отдает большую мощность, чем усилитель с фиксированным смещением,
хотя измерения говорят об обратном.
Двухтактный триодный каскад
На Рис. 1 показана схема двухтактного каскада на лучевых тетродах 5881 в триодном включении с фиксированным
смещением на сетках. Семейство характеристик пары ламп в таком режиме показано на Рис. 2. Нагрузочные
прямые приведены для напряжения анодного питания +400 В и напряжения смещения -45 В. Пунктиром показаны
индивидуальные характеристики каждой лампы, а сплошными линиями, соединяющими пунктирные кривые, - совместные
характеристики обеих ламп каскада. Толстая сплошная линия по центру -нагрузочная прямая для сопротивления
нагрузки между анодами 4 кОм. В этих условиях каскад отдает в нагрузку 13,3 Вт при 4,4% искажений
(4% по 3-й гармонике, 1,5% - по пятой).
В данном случае нагрузочная прямая 4 кОм является идеализацией. Она соответствует лабораторным условиям,
при которых производились измерения. К сожалению, реальные условия работы усилителя обычно далеки от
идеала. Сопротивление нагрузки ламп может отличаться от 4 кОм в любую сторону и что самое неприятное,
- содержать реактивную компоненту.
Рис. 3 показывает зависимости параметров усилителя при вариациях нагрузки. Одна пара кривых демонстрирует
зависимость максимальной мощности каскада и искажений при максимальной мощности для изменения сопротивления
нагрузки от 1,2 до 12 кОм. Эти пределы на Рис. 2 отмечены толстыми пунктирными линиями. Реальная нагрузка
усилителя громкоговоритель (без разделительных фильтров или с
ними), имеет кроме активной еще и реактивную составляющую, которая трансформирует нагрузочную прямую
в эллипс (Рис. 4).
Вторая пара кривых на Рис. 3 показывает, как изменяются максимальная мощность и искажения в зависимости
от гипотетической нагрузки, содержащей активную составляющую 4 кОм + реактивность, подключенную параллельно
и уменьшающую импеданс до 1,2 кОм и подключенную последовательно для его увеличения до 12 кОм.
Если сравнить эти кривые с соответствующими для пентодного каскада (Рис. 8), то сразу становятся
ясными преимущества триода.
Смещение: фиксированное или автоматическое?
Рассмотренные графики относились к каскаду с фиксированным смещением. Иногда, с целью упрощения усилителя,
применяют автосмещение (Рис. 5). Фиксированное смещение предпочтительнее, поскольку суммарный ток в
катодной цепи зависит только от уровня сигнала. Так при смещении -45 В и отсутствии сигнала этот ток
составляет 65 мА, а при полном сигнале уже 130 мА.
Если смещение задается резистором в цепи пентодов, то для получения смещения в -45 В в режиме молчания
его величина составит 700 Ом, а в режиме полного сигнала - всего 350 Ом. Если же будет установлен резистор
700 Ом, то при полном сигнале смещение упадет до -90 В. Это вызовет резкое увеличение искажений, поскольку
лампы будут работать с глубокой отсечкой анодного тока.
С другой стороны, при резисторе автосмещения 350 Ом в режиме молчания смещение поднимется до -22,5 В,
а это вызовет перегрев ламп из-за большого тока.
Еще одна сложность заключается в том, что при автоматическом смещении анодное питание лампы равно
разности между общим напряжением питания (Uип) и падением на резисторе автосмещения. В результате,
при изменении падения напряжения на этом резисторе от 30 до 60 В, напряжение анод-катод лампы будет
изменяться в пределах от 410 до 380 В (при Uип = +440 В).
Учитывая все эти моменты, в каскаде с автосмещением необходимо выбирать такую нагрузку в анодах
ламп, которая не создает заметного изменения анодного тока при варьировании входного сигнала от нуля
до максимума. Например, для триодного включения лампы 5881 типовым будет следующий режим работы: напряжение
анод-катод: 400 В, напряжение смещения: -35 В (питание Uип =435 В), суммарный анодный ток: 130 мА,
сопротивление автосмещения: 270 Ом, нагрузка между анодами Rа-а: 8 кОм, выходная мощность: 8,2 Вт,
искажения: 5% (в основном 3-я гармоника).
Классификация режимов работы
До настоящего момента я не обозначал "класс" работы усилителя: А, В, АВ, и т.д. Поначалу эти обозначения
позволяли сравнительно легко выявлять различия в режимах работы каскада, но вскоре потребовалось использовать
дополнительные индексы, чтобы показать, насколько сильно воздействует на лампу амплитуда напряжения
возбуждения каскада по управляющей сетке. Например, класс АВ означает, что лампы работают при смещении на сетке, обеспечивающем
отсутствие отсечки анодного тока при малых сигналах (класс А) и отсечку некоторой части периода сигнала
каждой лампой при полном возбуждении каскада. При этом, даже на полной мощности, напряжение возбуждения
не заходит в область положительных значений на сетке.
Однако, такая классификация не принимает во внимание, что изменение режима работы лампы может быть
вызвано и изменением величины анодной нагрузки. Например, триод может работать на нагрузку, как значительно
превышающую его внутреннее сопротивление, так и на сопоставимую с ним. Изучение нагрузочных прямых позволяет
сделать вывод - если каскад в первом случае работал в классе А, то во втором он перейдет в класс АВ,
хотя напряжение смещения на сетке неизменно.
В результате, для полного описания режима работы каскада, нужно учитывать не только напряжение смещения
в рабочей точке, но и определять величину анодной нагрузки. Так "упрощенные" обозначения стали столь
же сложными, как и те моменты, которые они призваны были заменить. Поэтому будем считать, что наиболее
полную информацию о режиме работы лампы лучше всего давать, определив рабочее напряжение, токи и сопротивления
в цепях электродов.
Тетродный (пентодный) каскад
Перейдем к рассмотрению тетродного (пентодного) режима работы ламп. Рис. 6 представляет схему, а
Рис. 7 совмещенные характеристики каскада при следующих режимах: анодное напряжение 360 В, напряжение
второй сетки 270 В. Анодную цепь можно питать и 400-ми вольтами, что только подчеркнет разницу между
триодным и пентодным включениями.
При сопротивлении нагрузки между анодами 6,6 кОм (значение, рекомендуемое справочниками) выходная
мощность достигает 26,5 Вт, что вдвое превышает выходную мощность тех же ламп в триодном включении.
Подняв анодное напряжение до 400 В, можно получить 35 Вт выходной мощности. Нелинейные искажения для
такого режима составят 2%, причем эта величина, указанная в справочниках, хорошо согласуется с практическими
данными. Однако, есть существенное различие между пентодными и триодными искажениями. Анализ показывает,
что эти 2% включают в себя 1,7% третьей и 1% седьмой гармоник; 1,5% пятой гармоники триодного каскада
менее заметны, чем 1% седьмой; поскольку высшие гармоники и сопутствующая им интермодуляция сильнее
диссонируют с основным тоном, чем низшие.
Кривые зависимости выходной мощности и нелинейных искажений демонстрируют другую особенность пентодных
каскадов - высокую чувствительность к отклонению сопротивления нагрузки от оптимальной величины. Кроме
того, на эти параметры очень сильно влияет реактивность нагрузки. Например, если импеданс нагрузки составит
30% от оптимального значения, то лампа отдает мощность меньшую, чем в триодном включении. В идеальных
условиях, наоборот, выходная мощность более, чем в 2 раза превосходит мощность триодного включения.
На практике трехкратное изменение импеданса - обычное явление. Импеданс многих громкоговорителей
изменяется и в гораздо больших пределах. Очевидно, что несмотря на большую выходную мощность в идеальных
условиях, реальная мощность пентодного каскада не выше, чем у триодного.
Ультралинейный каскад
Рассмотренные выше причины привели к созданию нового варианта включения ламп -ультралинейного каскада.
Для работы тетрода (пентода) в триодном режиме необходимо соединить вместе анод и вторую сетку лампы,
а для работы в пентодном режиме - запитать вторую сетку постоянным напряжением относительно катода.
В первом случае напряжение на второй сетке изменяется точно так же, как и анодное, а во втором - сохраняется
неизменным вне зависимости от анодного.
Ультралинейный каскад занимает промежуточное положение - потенциал второй сетки меняется синфазно
с анодным, но с меньшей амплитудой. Этого можно добиться, если подключить вторые сетки к отводам первичной
обмотки выходного трансформатора, как показано на Рис. 9. В результате характеристики лампы существенно
изменяются (Рис. 10, по данным Tung-Sol). Их можно получить, изменяя напряжение на второй сетке в
зависимости от напряжения на аноде, моделируя тем самым колебания напряжений в реальном каскаде.
В ультралинейном режиме суммарный анодный ток обеих ламп изменяется не так сильно, как в других схемах.
Поэтому фиксированное смещение утрачивает значительную часть своих преимуществ. В рабочей точке ультралинейного
каскада напряжение смещения составляет -45 В. Если подобное смещение будет обеспечиваться катодным резистором
при максимальном сигнале, то в режиме молчания смещение составит -40 В. что вполне допустимо. Правда
это относится не ко всем типам ламп. Возможно, для других типов предпочтительнее окажется фиксированное
смещение, позволяющее снять несколько большую мощность.
При анодной нагрузке 6,5 кОм и напряжении питания Uип =445 В с двух ламп 5881 в ультралинейном каскаде
можно снять 28 Вт выходной мощности. Искажения не превысят 3,3%, главным образом по третьей гармонике.
Пентодный режим при Uип = 400 В позволяет получить до 35 Вт, но в этом случае, для питания вторых сеток
нельзя использовать полное напряжение питания - лампа будет перегружена.
Следует обратить внимание на характеристики ультралинейного каскада (Рис. 11). Хотя при очень сильных
изменениях нагрузки каскад ведет себя не так хорошо, как триодный, но при небольших амплитудах он сопоставим
с триодным и, конечно, гораздо лучше пентодного.
Если рассматривать случай работы на оптимальную нагрузку, то можно заметить, что наибольшая величина
искажений у триодного усилителя (4,4%), а наименьшая - у пентодного (2%). Однако, в реальных условиях
меняющегося импеданса, лучшим будет ультралинейный каскад, за ним - триодный и, со значительным отрывом,
пентодный. Вообще же, цифра 2% получается только благодаря особенностям характеристик пентодов; тщательный
анализ показывает существенный уровень гармоник высших порядков.
Вестник А.Р.А. №2
Часть [1] [2]
|
