ЧАСТЬ 2
Входное напряжение возбуждения каскадов
До сего момента рассматривались только вопросы выходной мощности и нелинейных искажений трех типов
выходных каскадов. При разработке усилителя в целом необходимо также учитывать и требуемую амплитуду
возбуждения выходного каскада по управляющим сеткам.
Напряжение возбуждения каскада разные источники определяют по-разному, поэтому при пользовании справочниками
следует соблюдать осторожность во избежание ошибок. В некоторых источниках указывают среднеквадратичное
значение напряжения на одной из сеток, другие указывают среднеквадратичное значение между сетками.
Третьи приводят амплитудное значение напряжения на каждой сетке (1,44хС.К.), а иные амплитуду между
сетками (она вдвое больше). Последний способ наиболее информативен, поскольку лучше всего демонстрирует
требуемую величину возбуждения. Максимальное значение напряжения между сетками вдвое превышает амплитуду
любого из сеточных сигналов, поскольку сетки возбуждаются в противофазе относительно одного и того
же потенциала смещения.
Эффективное внутреннее сопротивление
Ситуация, похожая на ту, что сложилась с определением напряжения возбуждения, наблюдается
и с выходным сопротивлением усилительного каскада. Триодное включение 5881 (с фиксированным смещением)
имеет выходное сопротивление ламп 5,6 кОм, т.е. в 1,4 раза больше, чем сопротивление нагрузки, равное
Ка-а=4кОм. Это значит, что громкоговоритель с сопротивлением 10 Ом, подключенный ко вторичной обмотке
выходного трансформатора, будет работать от источника сигнала с внутренним сопротивлением 14 Ом, определяемым
внутренним сопротивлением ламп.
Кое-кто может удивиться, как же получается, что внутреннее сопротивление ламп в триодном включении
получилось в 1,4 раза выше сопротивления нагрузки. Принято считать, что это отношение находится в районе
0,3 раз. Однако, такое соотношение получается лишь при работе каскада в классе А, когда внутреннее сопротивление
по переменному току составляет лишь часть общей нагрузки. Например, в триодном каскаде с автосмещением
(Рис. 5) внутреннее сопротивление ламп составит 3,2 кОм, или 0,4 сопротивления нагрузки, т.е. 10-ти
омный громкоговоритель будет работать от источника сигнала сопротивлением 4 Ома.
В пентодном режиме эффективное внутреннее сопротивление каскада в 5 - 10 раз превышает сопротивление
нагрузки и, кроме того, претерпевает изменения за период сигнала. Это является одной из причин необходимости
обратной связи в пентодных усилителях - приходится уменьшать и линеаризовывать выходное сопротивление.
Ультралинейный каскад, работающий на нагрузку 6,5 кОм имеет внутреннее сопротивление в 1,25 раза
выше сопротивления нагрузки. Т.е. громкоговоритель сопротивлением 10 Ом, подключенный ко вторичной
обмотке выходного трансформатора, будет работать от источника сигнала сопротивлением 12,5 Ом, даже
без обратной связи.
Приведенное выше сравнение показывает - ультралинейный каскад наиболее предпочтителен и с точки
зрения обеспечения низкого выходного сопротивления усилителя (не считая триодного каскада с автосмещением
и выходной мощностью всего-навсего 8 Вт).
Катодные повторители
Простейший способ уйти от типового включения лампы (триодного, пентодного, ультралинейного) - это
использовать лампу в режиме катодного повторителя. В таком режиме анод по переменному току заземлен,
а нагрузка включена в цепь катода. На самом деле лампе необходимо напряжение питания, поэтому анод
подключается непосредственно к "плюсу" источника питания. На Рис. 12 показана схема каскада на катодных
повторителях в триодном включении. Если обратиться к характеристикам ламп (Рис. 2), можно убедиться,
что анодные напряжения изменяются от 400В до 238В при изменении напряжения на сетке на 45В. В режиме
покоя напряжение на аноде относительно катода равно 400 В, а напряжение на сетке относительно катода
-45 В. При увеличении потенциала сетки до О В относительно катода, напряжение на катоде увеличится на
162 В относительно исходного значения. Итого, общее изменение напряжения на сетке относительно земли
составит 162 В+ 45 В = 207 В. Соответственно, для возбуждения такого каскада необходимо напряжение
амплитудой 207 В на каждую сетку (414 В от пика до пика). При этих условиях выходная мощность будет
такой же, как и в каскаде с нагрузкой в анодах ламп в триодом включении. Следует обратить внимание
на то, как изменятся искажения. В общей амплитуде напряжения возбуждения (207 В), приложенного к
сетке, компонента в 162 В между катодом и землей содержит 4,4% искажений 45-и вольтового сигнала между
катодом и сеткой. Считая, что напряжение возбуждения (207 В) - неискаженное, выходит, что компоненты
45 В и 162 В содержат искажения, но в противофазе друг другу. Если 45-и вольтовая компонента содержит
4,4% искажений, то неискаженной будет 162-х вольтовая и наоборот. Таким образом, гармоники составят
3,4% от 45 В и 1% от 162 В. Поскольку компонента 162 В является одновременно и выходным напряжением
каскада, то понятно, что такой режим работы уменьшает искажения выходного сигнала с 4,4% до 1%.
Выходное сопротивление каскада составит 1,25 кОм при нагрузке между анодами 4 кОм, т.е. внутреннее
сопротивление каскада равно 0,31 величины сопротивления нагрузки.
Пентод в катодном повторителе
Пентод можно использовать в схеме катодного повторителя в соответствии с Рис. 13. Подобное включение
требует дополнительной обмотки на выходном трансформаторе, поскольку напряжение на второй сетке должно
изменяться в точном соответствии с напряжением на катоде. Пентодный катодный повторитель обеспечивает
амплитуду выходного напряжения 280 В, при этом напряжение возбуждения составит 280 + 22,5 = 302,5 В.
Так же, как и триодный вариант, пентодный катодный повторитель снижает искажения с 2% до 0,15%, а
выходное сопротивление - до 450 Ом, т.е. 0,068 номинального сопротивления нагрузки (6,6 кОм). Следовательно,
катодный повторитель на пентодах имеет ряд преимуществ перед триодным: меньшие искажения и меньшее выходное
сопротивление. Однако, расплата за них - значительное напряжение возбуждения - 302,5 В на каждую сетку.
Кроме того, пентодный каскад работает с меньшим напряжением питания - 360 В против 400 В у триодного
(см. рис. 6).
Катодный повторитель можно заставить работать и в ультралинейном режиме - для этого напряжения на
вторых сетках должно составлять 57% от катодного. В этом случае потребуется уже 345 В амплитуды напряжения
возбуждения (690 В от пика до пика). Искажения не превысят 0,5%, а выходное сопротивление 1,1 кОм (1/6
от сопротивления каскада).
На практике ни один из трех рассмотренных вариантов катодных повторителей не применяется, поскольку
получение неискаженного напряжения возбуждения значительной амплитуды, обойдется дороже, чем построение
высоколинейного выходного каскада. К счастью, существует ряд схем, как бы промежуточных между обычным
каскадом и катодным повторителем - в них цепь катода так или иначе связана с выходным трансформатором.
Каскад с единичной связью
Одна из них- каскад с единичной связью (Рис. 15), является комбинацией обычного пентодного каскада
с катодным повторителем. Напряжения на анодах, катодах и вторых сетках ламп этой схемы имеют одинаковые
амплитуды, при этом напряжения катода и второй сетки каждой лампы синфазны, а анодов -противофазны
им. Для этой схемы, как и для пентодного катодного повторителя, большое значение имеет качество и
структура выходного трансформатора. Важно, чтобы потенциалы вторых сеток были жестко связаны с
потенциалами катодов, иначе каскад будет работать неустойчиво. С этой целью намотка анодной (или экранной)
обмотки должна производиться бифилярно с катодной.
Напряжение между витками может достигать значения +Uип и это предъявляет жесткие требования к изоляции
обмоточного провода.
Амплитуда раскачки по каждой сетке составляет половину амплитуды выходного напряжения плюс напряжение
сетка-катод, т.е. 140 В + 22,5 В = 162,5 В (325 В от пика до пика), что существенно меньше, чем у катодного
повторителя даже на триодах. Следует отметить, что в таком каскаде аноды и вторые сетки питаются от
одного источника +Uип, поскольку используют одни и те же витки. Из-за такого питания несколько снизится
выходная мощность каскада по сравнению с вариантом питания анода +360 В. Искажения каскада с единичной
связью не превышают 0,3%, а выходное сопротивление 0,13 от величины сопротивления нагрузки.
Модифицированный ультралинейный каскад
Еще один вариант промежуточной схемы использует непосредственное подключение вторых сеток к источнику
+270 В и является модификацией ультралинейного каскада (Рис. 16). Условия работы в ультралинейном режиме
выполняются посредством выбора различного числа витков катодной и анодной обмоток. При этом соотношение
витков выбрано так, что изменения напряжений между катодом и анодом; катодом и 2-й сеткой находились
бы в соотношении 57 и 43 (могут быть и иные пропорции).
В данном каскаде возможно питание вторых сеток от источника с напряжением ниже анодного, что благоприятно
для работы ламп. Выбрав напряжение питания анодов равным 400 В, можно получить выходную мощность как
и в обычном ультралинейном каскаде (28 Вт). Искажения при этом составят 0,85% и будут представлены,
в основном, третьей гармоникой, а выходное сопротивление не превышает 0,32 от сопротивления нагрузки.
Амплитуда напряжения возбуждения складывается из напряжения сетка-катод (45 В) и 43% от амплитуды
анодного напряжения в обычном ультралинейном каскаде, итого 174 В или 348 В от пика до пика. Модифицированный
ультралинейный каскад используется во многих коммерческих усилителях.
Circlotron
Это последняя из рассматриваемых в обзоре схем приведена на Рис. 17. В ней применяются два независимых
источника питания. Для удобства они обозначены на схеме в виде батарей. Зачем же так усложнять источник
питания, применяя два отдельных выпрямителя для одного выходного каскада?
Дело в том, что схема Circlotron устраняет одну серьезную проблему, присущую всем другим каскадам:
высокие требования к качеству выходного трансформатора. В таком каскаде нет необходимости в высококачественном
и тщательном выполнении первичной обмотки, как в других схемах, а, следовательно, можно использовать
трансформатор подешевле. Полученная экономия может окупить затраты на выполнение двух высоковольтных
обмоток силового трансформатора.
Лампы в схеме по Рис. 17 работают в пентодном режиме, поскольку между катодом и второй сеткой каждой
лампы поддерживается постоянное напряжение источника питания. По переменному току лампы включены параллельно;
катод одной лампы соединен с анодом другой через источник питания, а вся схема подключена к земле
через первичную обмотку выходного трансформатора. В этом заключается основное отличие Circlotron от
обычного двухтактного каскада, где лампы по переменному току соединены последовательно. В результате
в схеме Circlotron сопротивление нагрузки между катодами (или между анодами - как вам больше нравится)
составляет всего одну четверть от величины нагрузки обычного двухтактного каскада. В пентодном варианте
это сопротивление будет равно 1,65 кОм.
Оба источника питания "плавающие", каждый соединен со своим выводом первичной обмотки трансформатора,
центральная точка которой заземлена. Если бы раскачка выходных ламп по первым сеткам производилось
бы относительно земли, то оно соответствовало бы возбуждению катодного повторителя, поскольку напряжение
на сетке должно было обеспечивать как амплитуду на участке катод-сетка, так и амплитуду выходного
напряжения на катоде (аноде). В реальной схеме Circlotron этот недостаток частично устранен в связи
с тем, что питание для ламп двухтактного драйвера можно снять с источника питания противоположной лампы
выходного каскада.
Пиковые напряжения
Если производить измерения относительно земли, то амплитуды напряжений на анодах и катодах составят
140 В - так же как и в каскаде с единичной связью. Поскольку на сетке амплитуда будет больше, чем на
катоде на 22,5 В, то общее напряжение возбуждения составит 162,5 В (как и в каскаде с единичной связью).
Соответственно значение от пика до пика равно 330 В, но, учитывая перекрестные связи источников питания,
верхний вывод анодного резистора драйвера будет иметь пиковый потенциал 289 В, а нижний 330 В. Это
означает, что динамическая нагрузка драйвврного каскада будет в 7,2 раза больше, чем реальный резистор
в его анодной цепи. Поэтому можно использовать анодный резистор сравнительно небольшой величины с целью
повышения рабочего напряжения на аноде драйверной лампы. Для переменного тока значение нагрузки драйвера будет в 7 раз выше. Эта особенность каскада позволяет
применять в драйвере относительно маломощные лампы. Выходная мощность Circlotron такая же, как и у двухтактного пентодного каскада при одинаковых напряжениях
питания. Искажения того же порядка, что и у каскада с единичной связью. Выходное сопротивление на выводах
вторичной обмотки будет также соответствовать каскаду с единичной связью. Хотя обе лампы и соединены
параллельно (что уменьшает общее выходное сопротивление), такое включение требует меньшего значения
коэффициента трансформации выходного трансформатора для согласования с нагрузкой - потому-то и сохраняется
прежнее сопротивление на выводах вторичной обмотки. Центральная точка первичной обмотки заземляется
только для того, чтобы обеспечить связь источников питания с остальными элементами усилителя по постоянному
току. Принципиальное различие между каскадом с единичной связью и Circlotron - в подходе к распределению
затрат на элементы - либо сложный и дорогой выходной трансформатор и простой источник питания (единичная
связь), либо дешевый выходной трансформатор и два изолированных источника питания (Circlotron).
В таблицу 1 сведены основные особенности всех рассмотренных схем.
Сравнительные характеристики выходных каскадов на лучевых тетродах 5881 (6ПЗС-Е)
Тип каскада | КПД % | Искажения | Реакция на изменение нагрузки |
Напр. раскач. от пика до пика, Вольт | Отн. вых. сопр. | Особые замечания |
Макс % | Доминир. гарм. | Резистивная | Реактивная |
низко- омная | высоко- омная | низко- омная | высоко- омная |
SE триодный | 7 | 5,5 | 2 | оч. плох. | оч. хор. |
плох. | хор. | 40 | 0,375 | Вых. транс. с подмагничиванием |
SE пентодный | 43 | 13 | 3 5 7 | оч. плох. | плох. |
плох. | плох. | 36 | 11,5 | Вых. транс. с подмагничиванием |
PP триодный фиксированное смещение | 22,5 | 4,4 | 3 | хор. | оч. хор. |
хор. | оч. хор. | 90 | 1,4 | Стабилизация анодного питания |
PP триодный автосмещение | 16 | 5 | 3 | оч. плох. | оч. хор. |
оч. плох. | оч. хор. | 70 | 0,4 | Тщательный подбор катодного резистора |
РР пентодный | 67 | 2 | 3 7 | хор. | плох. |
оч. плох. | плох. | 45 | -5 | Нет |
UL | 54 | 3,3 | 3 | хор. | хор. |
хор. | оч. хор. | 90 | 1,25 | Тщательная намотка выходного трансформатора |
РР катодный повторитель на триодах | 25,5 | 1 | 3 | хор. |
оч. хор. | хор. | хор. | 414 | 0,31 | Нет |
РР катодный повторитель на пентодах | 67 | 0,15 | 3 7 | хор. |
плох. | оч. плох. | плох. | 605 | 0,068 | Бифилярная намотка |
UL катодный повторитель | 54 | 0,5 | 3 | оч. хор. | оч. хор. |
оч. хор. | оч. хор. | 690 | 0,17 | Очень тщательная намотка выходного трансформатора |
Каскад с единичной связью | 45 | 0,5 | 3 7 | хор. | плох. |
оч. плох. | плох. | 325 | 0,13 | Бифилярная намотка |
Модифици- рованный UL | 54 | 0,85 | 3 | оч. хор. | оч. хор. |
оч. хор. | оч. хор. | 348 | 0,32 | Хорошая связь в выходном трансформаторе |
Circlotron | 45 | 0,3 | 3 7 | хор. | плох. | оч. плох. |
плох. | 325 | 0,13 | Спец. источники анодного и драйв. питания |
Вестник А.Р.А. №2
Часть [1] [2]
|