Серия Гибридных Усилителей Zen-X для наушников STAX

На этот раз я представляю две конструкции усилителей для электростатических наушников. Они имеют общий “источник” 🙂 – это мой же усилитель Auridux-V (Январь 2012 г.)

Общие рассуждения.

Все, кто когда-нибудь что-нибудь читал об устройстве электростатических наушников знают, что для работы излучателей необходимо так называемое “поляризующее” напряжение (BIAS). В частности, для современных излучателей наушников STAX напряжение BIAS = 580V, при этом предполагается, что постоянное напряжение на обкладках статоров = 0V. Что же произойдет, если напряжение BIAS увеличить, например до 2000V? Ничего особенного – скорее всего электрический разряд пробьет изоляцию между обкладками и наушники будут испорчены. То же самое произойдет, если напряжение BIAS оставить неизменным, но увеличивать напряжение на обкладках. Но что же будет, если в процессе работы амплитудное напряжение сигнала на обкладках статоров превысит напряжение BIAS? Увы, никакого “волшебства” не случится- сигнал будет ограничиваться, то есть резко возрастут искажения, а при увеличении амплитуды колебаний мембран излучателей – через некоторое время пленка мембран растянется и произойдет короткое замыкание либо между обкладками статоров либо между одной из обкладок и электродом BIAS. В итоге – в любом из вариантов наушники поедут в ремонт. Учитывая эту особенность, мне, например немного странно читать в характеристиках усилителя “Blue Hawaii” – такую строку: “Output Voltage: 1600V peak-to-peak”. Цифра, безусловно интересная , но звучит скорее как предупреждение 🙂

Идеи построения схемы. Цифры.

Предположим, что желаемый размах выходного напряжения усилителя должен быть где-то в пределах удвоенного напряжения BIAS, то есть +- 580V, округлим до 600+600, то есть 1200V peak-to-peak. Это ~=430V RMS, что означает 215V RMS на каждом из статоров, так как электростатические наушники предполагают балансный вариант подключения к выходному каскаду усилителя.

Так же предположим, что напряжение на входе = 1V RMS, что является вполне стандартным (и даже с некоторым “запасом”) для современных источников. Тогда, коэффициент усиления для каждого их “плеч” усилителя должен быть не менее 215. Совершенно очевидно, что в рамках более-менее стандартной схемотехники на более-менее доступных комплектующих однокаскадный вариант построения усилителя отпадает. Сложно, но вполне возможно реализовать двухкаскадную схему с таким усилением, а трехкаскадный вариант вполне реализуем.

Напряжения источника питания. В рамках более-менее стандартной схемотехники и более-менее доступных комплектующих 🙂 имеется известное конструктивное ограничение на рабочее напряжение конденсаторов фильтров питания. Высококачественные конденсаторы на рабочее напряжение 450…500V – вполне доступны, но есть определенные проблемы с конденсаторами на большие напряжения. Итак, конструктивно ограничим напряжение на выходе источника питания значением 400V, это позволит применить в схеме выпрямителя и фильтра конденсаторы на рабочее напряжение 450 и(или) 500V.

Нулевой потенциал на выходе усилителя. Совершенно очевидно, что при напряжении питания +400V получить напряжение на нагрузке = 215V RMS (600V Peak-To-Peak) возможно только в каскаде с трансформаторной или дроссельной нагрузкой и в случае с дроссельной нагрузкой необходимо применение выходного конденсатора. В случае резистивной нагрузки требуемый размах выходного напряжения при нулевом потенциале на выходе можно получить только при помощи дополнительного, так называемого “подземного” источника питания. При этом в состоянии покоя на резистивной нагрузке каскада будет рассеиваться довольно значительная тепловая мощность.

Таким образом, для выходного каскада с резистивной нагрузкой очевидны следующие особенности:

Для того, чтобы потенциал на выходе каскада был равен “0”, необходимо применить два источника питания – “положительной” и “отрицательной” полярности. При этом к источнику “положительной” полярности будет подключена анодная нагрузка каскада, а “минус” источника “отрицательной” полярности будет “общим” для выходного каскада. Это приводит к очевидному выводу, что если связь между входным и выходным каскадами будет емкостная, то межкаскадные конденсаторы должны быть рассчитаны на рабочее напряжение не менее, чем напряжение между “плюсом” и “минусом” источников питания выходного каскада. Второй вывод заключается в том, что на анодной нагрузке в состоянии покоя будет рассеиваться мощность, равная произведению напряжения источника питания “положительной” полярности на ток покоя выходного каскада. То есть конструктивно корпус усилителя должен быть снабжен хорошим теплоотводом.

Требуемые напряжения источников питания. Поскольку желаемый размах напряжения сигнала на выходе усилителя = +-600V, то требуемое напряжение “положительного” источника питания должно составить не менее +300V. Примем с некоторым запасом, что оно должно быть = +350V. С “отрицательным” напряжением источника питания все немного сложнее. Очевидно, что оно должно быть ниже -300V на величину, равную напряжению смещения выходных ламп (в случае автоматического смещения на катодном резисторе) плюс “остаточное” напряжение между анодом и катодом выходной лампы, когда она полностью открыта (напряжение смещения =0). Для испытаний выходных каскадов на различных лампах удобно сделать источник питания с “отрицательным” выходным напряжением регулируемым. Примем с некоторым запасом, что диапазон регулирования должен быть от -350 до -450V, при этом “положительный” источник питания должен быть рассчитан на ток нагрузки не менее, чем ток, потребляемый выходным и входным каскадами, а “отрицательный” источник питания должен быть рассчитан на ток нагрузки не менее тока потребления выходного каскада усилителя.

Примерная схема тестового блока питания.

Схема довольно типичная и каких-то особенностей не имеет. Стабилизаторы входного напряжения – обычные, параметрические. RC цепочки в затворах регулирующих транзисторов задают время нарастания выходного напряжения до номинального значения. Очевидно, что для ограничения колебания напряжения на нагрузке при включении усилителя напряжение “отрицательного” источника питания должно нарастать несколько быстрее, чем “положительного”, то есть “положительное” напряжение должно подаваться уже на прогретые лампы.

Накал ламп питается не стабилизированным переменным напряжением, потенциал накальных цепей “поднят” относительно каждого из “общих” источников питания на 50…70 Вольт.

Технологическая особенность – поскольку корпуса большинства электролитических конденсаторов слабо изолированы от их “минусового” вывода (сопротивление изоляции не превышает ~ 100 кОм), то при монтаже конденсаторов фильтра “отрицательного” источника питания их корпуса необходимо надежно изолировать от “шасси” усилителя.

Первый вариант схемы усилителя, два каскада, триоды, без ООС.

Первый каскад может быть выполнен на триодах с высоким усилением – например, вполне подойдут 6SL7, 6SF5. Как один из интересных вариантов можно применить двойной триод 6N7. Выходной каскад выполнен на двойном триоде 6BХ7 или на его “одиночном” эквиваленте 6AH4. На входе усилителя применен фазоинвертор на трансформаторе Jensen JT-11P4. Коэффициент усиления каждого из “плеч” первого каскада ~ 28. Нагрузкой выходного каскада является интегральный источник тока IXYS, Коэффициент усиления выходного каскада ~ 10, таким образом общий коэффициент усиления ~ 280, что даже несколько больше требуемых 215. Триод 6BХ7 обладает широким “раскрывом” характеристик, что минимизирует возможность перегрузки выходного каскада входным, а применение источника тока в качестве анодной нагрузки обеспечивает хорошую линейность каскада. Нагрузку можно подключить двумя способами – “традиционно” – к аноду выходной лампы, или к катоду интегрального источника тока, в этом случае выходной каскад представляет собой гибридный SRPP с низким выходным сопротивлением. Оба варианта подключения имеют свои достоинства и недостатки 🙂

Немного о выборе рабочей точки выходного каскада. (Справочно – выходной каскад на этой лампе я уже применял в моем самом первом “комбайне – усилителе” для STAX 303, 2011 год) Для того, чтобы получить размах выходного напряжения +-300V, напряжение между анодом и катодом 6BХ7 должно быть около 350V. Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде каждой из “половинок” 6BХ7 не должна превышать 10W, что ограничивает ток покоя каскада пределом = 25mA. Поскольку ток покоя задается источником тока в анодной нагрузке и остается постоянным, то изменение напряжение смещения приводит к изменению напряжения между анодом и катодом лампы выходного каскада. Таким образом, подстраивая напряжение смещения можно установить “нулевой” потенциал (относительно “общего” “положительного” источника питания) на выходе усилителя. Из ВАХ видно, что при токе покоя (например) = 20mA “остаточное” напряжение между анодом и катодом при полностью открытой лампе составляет ~= 50V, а напряжение смещения в рабочей точке (350V, 20mA) = – 32V. Таким образом, требуемое напряжение “отрицательного” источника питания должно быть не менее = -(300+50+32 = 382)V. Для удобства работы и улучшения термостабильности выходного каскада я применил комбинированное смещение.

Для более безопасного “запуска” схемы номиналы резисторов автосмещения в катодах выходных ламп выбраны больше расчетных, а точная установка режима и “нуля” на выходах усилителя достигается подачей небольшого положительного напряжения смещения на сетки ламп выходного каскада. Помимо прочего, это позволило применить межкаскадные конденсаторы на рабочее напряжение 630V.

При токе покоя = 20mA и напряжении “положительного” источника питания = 350V, мощность, рассеиваемая в состоянии “покоя” на каждом из интегральных источников тока составит 20(mA)*350(V) = 7W. В схеме 4 источника тока – то есть потребуется очень надежный и качественный теплоотвод, способный постоянно отводить и рассеивать не менее 30W тепла.

Для этого варианта усилителя блок питания можно собрать по примерно такой схеме:

Несмотря на кажущуюся простоту схемы, сборка и наладка этого усилителя под силу только подготовленным DIYer’ам. В схеме присутствуют опасные напряжения и токи, а наладка конструкции без некоторых навыков и соответствующего набора измерительного оборудования – невозможна. Поэтому я не указал номиналы части элементов, а в схеме блока питания возможно есть небольшая ошибка. Желающие повторить конструкцию – пишите, я отвечу на возникшие вопросы. Или – рассчитайте номиналы самостоятельно, тем более что практически все требуемые “цифры” приведены в тексте 🙂

Второй вариант схемы. Три каскада, триоды с малым “u”, тетроды в триодном включении и неглубокая общая ООС.

Блок питания для этого варианта усилителя аналогичен тестовому. Схемотехническое решение аналогично тому, которое я применяю в двухтактных усилителях и в особых комментариях не нуждается. Необходимость применения такой конфигурации обусловлена тем, что конструкция должна была обеспечивать чувствительность ~ 0.5V RMS, при стабильности режимов по переменному напряжению (долговременная идентичность усиления в каналах при “приработке” ламп). Отсюда – логичное решение – три каскада усиления + общая ООС по переменному напряжению. Кстати, при необходимости ООС можно ввести и в первом варианте усилителя.

Несколько фото:

И еще несколько фото из рабочей тетради, наглядно иллюстрирующие “движение творческой мысли” 🙂

Январь…март 2019 г. Владивосток

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *