Ламповые усилители без выходного трансформатора

Наибольшие искажения возникают в выходном каскаде усилителя, причем основной причиной искажений является выходной трансформатор.

Выходной трансформатор ограничивает диапазон воспроизводимых усилителем частот как со стороны низких, так и со стороны высоких частот. В предварительных каскадах УНЧ нелинейные искажения невелики в связи с малыми уровнями сигнала, а частотные искажения могут быть значительно снижены правильным выбором элементов усилителя.

Для расширения частотной характеристики в сторону низших частот требуется значительное увеличение индуктивности первичной обмотки трансформатора, однако при этом возникает индуктивность рассеивания, ограничивающая частотный диапазон в области высших частот. Зависимость величины магнитной проницаемости материала сердечника трансформатора от величины тока через обмотки приводит к нелинейным искажениям воспроизводимого сигнала.

Одним из основных способов уменьшения как частотных, так и нелинейных искажений является отрицательная обратная связь (ООС). Однако беспредельно увеличивать глубину ООС нельзя, так как наличие фазовых искажений на крайних частотах уменьшает стабильность работы усилителя и может даже привести к его самовозбуждению. Для улучшения фазовой характеристики усилителя стараются исключить из него элементы, создающие фазовые сдвиги. Одним из таких элементов и является выходной трансформатор.

Если еще учесть, что выходной трансформатор является довольно дорогостоящей в производстве деталью, то становится понятным стремление конструкторов к созданию схем выходных каскадов УНЧ без выходных трансформаторов. При использовании громкоговорителей с сопротивлением звуковой катушки 5-10 Ом осуществить бестрансформаторный выход довольно трудно, так как для получения выходной мощности порядка 5-10 Вт выходные лампы должны обеспечивать ток через нагрузку около 1-1,5 А.

Создание таких ламп представляет довольно трудную задачу, поэтому более удачным решением оказалось увеличение сопротивления звуковой катушки громкоговорителя до 400-800 Ом и создание выходных каскадов, обеспечивающих согласование с такими громкоговорителями. Наибольшее распостранение получил так называемый последовательный двухтактный каскад, описание которого приведено ниже.

Рис. 1: а) обычный двухтактный усилитель б) двухтактный усилитель с параллельно включенными частями нагрузки; в) последовательный двухтактный усилитель

В обычной двухтактной схеме (рис.1а) нагрузка Rн состоит из двух частей, включенных последовательно.

Если использовать в качестве нагрузки высокоомную звуковую катушку громкоговорителя, то она должна иметь сопротивление Rн, вывод от средней точки и, кроме того, должна быть изолирована от корпуса усилителя. Части нагрузки, имеющие сопротивление Rн/2 каждая, могут быть включены и параллельно (рис.1б).

Очевидно, что в этом случае результирующее сопротивление нагрузки будет равно Rн/4. Вывод от средней точки катушки становится ненужным. Недостатком схемы рис.1б является необходимость иметь два отдельных источника анодного питания. Поскольку постоянные составляющие анодного тока через обе лампы равны, то источники питания могут быть объединены (рис.1в).

Так как в этом случае через нагрузку протекают только переменные составляющие анодных токов ламп, то она может быть включена через разделительный конденсатор и один вывод ее может быть заземлен. Усилитель по схеме рис.1в и представляет собой последовательный двухтактный каскад, который имеет следующие преимущества перед обычным двухтактным каскадом: приведенное сопротивление нагрузки оказывается в четыре раза меньше, не нужен вывод от средней точки нагрузки, один из концов нагрузки может быть заземлен. Эти достоинства облегчают применение высокоомных громкоговорителей в качестве нагрузки.

Недостатком последовательного двухтактного каскада является необходимость удвоенного напряжения анодного питания, так как по постоянному току лампы включены последовательно. Поэтому, чтобы осуществить бестрансформаторный усилитель с обычным напряжением источника питания 250-300 В, необходимо иметь лампы, которые при низком анодном напряжении 100-150 В имели бы малое внутреннее сопротивление и отдавали достаточную мощность.

Из выпускаемых нашей промышленностью ламп в бестрансформаторных усилителях может быть использована лампа 6П18П. Последовательный двухтактный каскад, собранный на этих лампах при напряжении источника питания 310 В, отдает мощность порядка 6-8 Вт и согласовывается с нагрузкой, имеющей сопротивление около 800 Ом. При намотке звуковых катушек громкоговорителей проводом диаметром 0,05 мм можно получить сопротивление звуковой катушки порядка 300-400 Ом.

Так как современные усилители НЧ, как правило, используют систему из нескольких громкоговорителей, то сопротивление звуковой катушки громкоговорителя такой величины оказывается в большинстве случаев достаточным. Ниже приводится таблица параметров отечественных высокоомных громкоговорителей для бестрансформаторных схем. Громкоговорители отличаются от аналогичных низкоомных только моточными данными звуковой катушки, которая при необходимости может быть изготовлена самим радиолюбителем.

Особенность двухтактного последовательного каскада является то, что если для обычного двухтактного каскада, при отсутствии сигнала, напряжения на анодах равны, а токи ламп могут несколько отличаться, то для последовательного двухтактного каскада в начальной рабочей точке токи ламп равны, а анодные напряжения могут отличаться друг от друга.

Рис. 2. Схема усилителя без фазоинверсного каскада. Мощность 2 Вт

Предварительный усилитель выполнен на лампе 6Н2П и имеет раздельные плавные регуляторы тембра. Как видно из схемы, усилитель не содержит специального фазоинверсного каскада. Напряжение возбуждения подается только на лампу Л3, а на лампе Л2 это напряжение образуется за счет падения напряжения на сопротивлении R22. Выбранная величина этого сопротивления 180 Ом обеспечивает симметричную работу обеих ламп. Усилитель охвачен ООС глубиной 19 дБ, напряжение которой подается с нагрузки усилителя в цепь катода предоконечного каскада через сопротивление R18.

Низкое выходное сопротивление усилителя 90 Ом достаточно хорошо демпфирует акустическую систему. Выходная мощность усилителя 2 Вт при коэффициенте нелинейных искажений около 1,5%. Чувствительность усилителя 230 мВ, среднее звуковое давление, развиваемое акустической системой, более 10 бар.

Рис. 3. Частотная характеристика усилителя, приведенного на рис. 2:

Недостатком усилителя без фазоинвертора является несимметричность напряжений, поступающих на сетки оконечных ламп, так как на управляющую сетку лампы Л2 поступает напряжение с нелинейными искажениями, возникшими в лампе Л3. В результате не происходит характерной для двухтактного каскада компенсации четных гармоник. Кроме того, такой усилитель может работать только в классе А.

В усилителе применены два низкочастотных громкоговорителя типа 2ГД-6 (Гр1 и Гр2) и два высокочастотных – типа 1ГД-17 (Гр3 и Гр4). Полное сопротивление нагрузки на частоте 1000 Гц равно 960 Ом.


Рис. 4. Усилитель двухканальный безтрансформаторный. Мощность: 6 Вт

Рис. 5. АЧХ усилителя приведенного на рис.4:

Выходная мощность на канал 6 Вт, при КНИ 1%. Чувствительность 0,2 В. В усилителе применены НЧ динамики – пара 5 ГД-16, а в качестве ВЧ – три ВГД-2.

Некоторые трудности в бестрансформаторных усилителях вызывает питание экранной сетки верхней (по схеме) лампы. Для получения пентодного режима экранная сетка должна быть по переменному току замкнута на катод (через конденсатор С13). Однако при этом сопротивление R23 оказывается включенным (по переменному току) параллельно нагрузке и на нем бесполезно рассеивается часть выходной мощности. Увеличение сопротивления R23 уменьшает постоянное напряжение на экранной сетке, в результате чего уменьшается мощность, отдаваемая лампами.

Компромиссной оказывается величина 6,8 кОм, которая, с одной стороны, обеспечивает достаточно высокое постоянное напряжение на экранной сетке и, с другой стороны, не приводит к заметным потерям мощности. Вместо сопротивления R23 может быть включен низкочастотный дроссель, который обладает большим сопротивлением переменному току и малым – для постоянного тока. Однако это усложняет усилитель и не всегда может быть рекомендовано.

На схеме (рис.4) показана схема более совершенного безтрансформаторного усилителя. Усилитель выполнен по двухканальной схеме.

Рис. 6. Безтрансформаторный усилитель мощностью 7 Вт.

ПОС в усилителе осуществлена подачей части напряжения из катодной цепи Л1б в цепь катода Л1а через сопротивление R7. Напряжение ООС подается с выхода усилителя в цепь катода Л1а через сопротивление R11. Между анодом фазоинвертора и управляющей сетки лампы выходного каскада Л2 осуществлена связь по постоянному току. Величина отрицательного смещения на управляющей сетке этой лампы определяется разностью между напряжением на катоде и напряжением, снимаемым на управляющую сетку с делителя R8, R13.

Рис. 7. АЧХ усилителя по схеме на рис.6:

Частотная характеристика усилителя прямолинейна от 20 Гц до частот свыше 100 кГц, что является характерным для бестрансформаторных усилителей. При выходной мощности 7 Вт нелинейные искажения не превышают 0,5%. Все это обеспечивает воспроизведение всего звукового диапазона частот практически без искажений.

Рис. 8. Зависимость КНИ от выходной мощности:

В заключение следует отметить, что бестрансформаторные усилители, построенные по последовательной двухтактной схеме, могут как и обычные трансформаторные двухтактные усилители работать не только в классе А, а также в классах АВ и В.

Так, например, для работы в режиме, близком к классу В, в схеме на рис.3 нужно исключить R17C12 и, отключив R13 от корпуса, подать через него на управляющую сетку Л3 отрицательное смещение порядка 15 В от постороннего источника. При этом будет достигнут дополнительный выигрыш в мощности 10-20%. К выходу усилителя подключаются два, последовательно соединенных громкоговорителя 5ГД-16.

Автор: Кононович Л. (по материалам журнала “Радио” №6/1959 год)

Комментарии запрещены.