“Ультралинейное” включение. Патент и реальность.

Пару лет назад ко мне совершенно случайно 🙂 попала парочка однотактных трансформаторов Lundahl LL1623/90mA Amorphous Core (AM). Справочные данные можно посмотреть здесь: 1620_3_7_9202  1620_3_7_9202_AM  Трансформаторы были положены в “закрома” и недавно были найдены при ежегодной инвентаризации. Эти изделия явно заслуживали того, чтобы собрать на них достойную конструкцию или, как минимум – испытать их и послушать. Меня заинтересовало то, что выводы секций обмоток не “спрятаны”, как обычно, а расположены в свободном доступе. Эта технологическая особенность Lundahl дает возможность провести некоторые исследования так называемого “ультралинейного” трансформаторного выходного каскада.

Немного об истории вопроса.

В июне 1937 года, талантливый Британский инженер- электронщик Alan Dower Blumlein получил патент на так называемый “Ультра-Линейный” усилитель (Ultra-Linear amplifier. US Patent 2,218,902, dated 5 June 1937). Суть патентной заявки была в том, что если снабдить выходной трансформатор усилителя на лампе с экранирующей сеткой (тетроде или пентоде) несколькими отводами от первичной обмотки, то при подключении этих отводов на вторую сетку лампы образующаяся обратная связь существенно улучшает линейность усилительного каскада. Если вторая сетка подключена непосредственно на анод, то лампа с экранирующей сеткой работает подобно триоду, и чем “ближе” находится отвод, к которому подключается вторая сетка к источнику питания, тем больше характеристики выходного каскада становятся похожими на тетродные или пентодные. Blumlein утверждал, что при подключении второй стеки на отвод, сделанный примерно на 15..25% от первичной обмотки (со стороны питания) усилительный каскад сочетает в себе положительные свойства как пентодного, так и триодного каскадов – большую выходную мощность при малых искажениях сигнала.

ultra_pa1 ultra_pa2 ultra_pa3

(Иллюстрации из журнала “Радио” №11/1958г – через 21 год после изобретения) – “…Прошло 20 лет…” (с) “Месть и Закон”- старый индийский кинофильм)

Подробнее об ультралинейном включении можно почитать в этой статье – Amplifiers-and-Superlatives

Переходим к практике.

Конструктив с испытательным блоком питания (схема – 807_Tube_Amp_PS_001) у меня всегда наготове, я установил на шасси выходные трансформаторы и на дополнительной плате (“суб-шасси”) за несколько дней собрал эту весьма несложную конструкцию. 807_Tube_Amp_001

Первый каскад – классический усилитель напряжения по схеме с общим катодом. На схеме приведены два варианта драйвера. Первоначальный вариант схемы был с источником тока в анодной цепи, что позволило получить как отличную линейность, так и максимально-возможный размах выходного напряжения. Если бы выходная лампа была триодом – я бы оставил именно этот вариант.

Но, в моем случае – выходная лампа была лучевой тетрод и большого размаха выходного напряжения не требовалось. Поэтому – применил классику. На всякий случай уточняю, что для нормальной “раскачки” выходной лампы сигнал на входе первого каскада должен быть не менее ~2V RMS.

Выходной каскад – на замечательном лучевом тетроде 807 – STC807. У меня есть несколько вариантов этой лампы, в том числе и VT-100A, выпускавшейся исключительно для нужд Армии и Флота США. При проверке и снятии основных характеристик VT-100A показали себя с самой лучшей стороны –  помимо отличной термостабильности, вся дюжина (whole lot a dozen :)) имела абсолютно идентичные характеристики при существенно лучшей,  по сравнению со справочными данными, линейности ВАХ в области малых токов . Я применил фиксированное регулируемое смещение, это оказалось совершенно необходимо для точной подстройки режимов каскада в ультралинейном включении.

Итак, выходной трансформатор LL1623AM/90mA SE: Индуктивность первичной обмотки трансформатора =~ 30H, при 8 Ом на вторичной обмотке – приведенное сопротивление первичной обмотки = ~ 5.6 кОм, четыре секции позволяют организовать отвод для подключения второй сетки выходной лампы от 25, 50 и 75% обмотки. Что  же при этом в реальности происходит с характеристиками каскада ? (“Поймайте ее! И надругайтесь над ней – по очереди! (с) – “Месть и Закон” – старый индийский кинофильм)

1. Ультралинейное включение (25%).  

  • Максимальная выходная мощность = 12 Вт
  • Коэффициент гармоник на максимальной выходной мощности Kг(2) = 6%, Кг (3,5) = 0.5%
  • Выходное сопротивление Zo = 6.5 Ом
  • Полоса пропускания на 0.9 от максимальной выходной мощности = 100 Гц…12 кГц (по уровню -1dB, неравномерность +- 1dB)
  • Субъективно звучание – резковатое в области СЧ, черезмерно и нестабильно объемное, тонально неровное, несколько “нервное” и эмоциональное, с явным акцентом в области “женского вокала”, в НЧ области – воздушно неплотное, очень хорошо прорисовывается атака НЧ инструментов, сцена практически распространяется на всю комнату, глубока, нестабильна, наблюдаются звуковые артефакты в виде инструментов -“фантомов”  появляющихся перед и за слушателем. Сцена сужается и сжимается при уменьшении громкости.

2. Ультралинейное включение (50%).  

  • Максимальная выходная мощность = 7.2 Вт
  • Коэффициент гармоник на максимальной выходной мощности Kг(2) = 5%, Кг (3,5) = 0.3%
  • Выходное сопротивление Zo = 4.5 Ом
  • Полоса пропускания на 0.9 от максимальной выходной мощности = 60 Гц…15 кГц (по уровню -1dB, неравномерность +- 1dB)
  • Субъективно звучание – выразительное в области СЧ, нестабильно объемное, тонально неровное и эмоциональное, с явным акцентом в области вокала, в НЧ области –  неплотное, хорошо прорисовывается атака НЧ инструментов, верхняя струна пятиструнного баса “теряется”, сцена практически распространяется на всю ширину комнаты, глубока, нестабильна, наблюдаются звуковые артефакты в виде инструментов -“фантомов”  появляющихся перед слушателем. Сцена сужается при уменьшении громкости.

3. Ультралинейное включение (75%).  

  • Максимальная выходная мощность = 5.8 Вт
  • Коэффициент гармоник на максимальной выходной мощности Kг(2) = 5%, Кг (3,5) = 0.2%
  • Выходное сопротивление Zo = 3.4 Ом
  • Полоса пропускания на 0.9 от максимальной выходной мощности = 40 Гц…18 кГц (по уровню -1dB, неравномерность +- 1dB)
  • Субъективно звучание – выразительное в области СЧ, объемное, тонально- с некоторым акцентом в области вокала, в НЧ области –  умеренно плотное, хорошо прорисовывается атака и послезвучия струнных НЧ инструментов, нижняя струна пятиструнного баса слышна отчетливо, сцена распространяется в виде полукруга от краев комнаты, глубока, стабильна, изредка наблюдаются звуковые артефакты в виде инструментов -“фантомов”  появляющихся перед слушателем. Сцена умеренно- стабильна при уменьшении громкости.

4. Триодное включение.  

  • Максимальная выходная мощность = 4.2 Вт
  • Коэффициент гармоник на максимальной выходной мощности Kг(2) = 5%, Кг (3,5) = 0.15%
  • Выходное сопротивление Zo = 1.9 Ом
  • Полоса пропускания на 0.9 от максимальной выходной мощности = 30 Гц…22 кГц (по уровню -1dB,неравномерность не более 0.5dB).
  • Субъективно звучание – умеренно-выразительное в области СЧ, объемное, тонально- с некоторым акцентом в СЧ области, в НЧ области –  плотное, хорошо прорисовывается атака и струнных НЧ инструментов, верхняя струна пятиструнного баса слышна отчетливо, сцена глубока, распространяется в виде полукруга от краев комнаты, стабильна при уменьшении громкости.

В мою бытность студентом на практических занятиях в лаборатории Радиотехники ДВГУ мне попадались на глаза  “…Методические указания к лабораторной работе – Измерения параметров выходного каскада на лампах 6П3С, 6П6С, 6Ф6С, 6П1П, 6П14П в ультралинейном включении при разных коэффициентах передачи индуктивной обратной связи”. Жаль, что у меня не осталось копии этой методички. 🙂

Тем не менее, исходя из проведенных измерений, можно сделать следующие выводы:

  • До 50% коэффициент гармоник уменьшается быстрее, чем выходная мощность,
  • После 50%, уменьшение выходной мощности происходит быстрее, чем уменьшается коэффициент гармоник.
  • То есть, в самом общем случае, рационально применение ультралинейного включения с коэффициентом от 40 до 50% (что, собственно и следовало ожидать ).
  • Но – для более линейных ламп (например – 6V6G)  вполне реально применить трансформатор с отводом от 25% первичной обмотки.
  • Для получения хорошей полосы в области ВЧ –  необходим качественный, широкополосный выходной трансформатор с особо низкими индуктивностями рассеяния между всеми обмотками. Подробнее можно почитать в этой статье –  UL Output Transformers
  • Для получения хорошей полосы пропускания  в области НЧ первичная обмотка выходного трансформатора должна иметь большую индуктивность (30H – явно недостаточно, нужно как минимум 48Н и больше) – или – как возможный альтернативный вариант-  нужно найти мощный лучевой тетрод с низким внутренним сопротивлением.

Но об этом – в следующий раз.

Февраль 2015 год                                                                              г.Владивосток

PS Выражаю мою глубочайшую признательность и безусловное уважение  талантливому Британскому инженеру  Alan Dower Blumlein (29.06.1903 – 07.06.1942),  который известен своими работами в области измерения частотной характеристики органа слуха человека (1924), усовершенствования конструкции катушки индуктивности как нагрузки усилительного каскада (1926), усовершенствования метода нарезки матриц грампластинок (1929), изобретением стереофонического звука (1931), изобретением ультралинейного включения выходного трансформатора (1937), изобретением дифференциального усилительного каскада с “длинным хвостом” (Long Tailed Pair Amplifier – 1936),  и выдающимися разработками в области техники и технологии радиолокации (радар H2S) и телевидения.

8 thoughts on ““Ультралинейное” включение. Патент и реальность.

  1. Здравствуйте, Виктор.

    Несколько запутался, читая вашу статью. В начале статьи говорится, что лучшее включение – 25% обмотки со стороны питания. Потом в ваших опытах фигурируют цифры 25%, 50%, 75%, но не понятно, со стороны питания или анода? Интуитивно чувствую, что это процент со стороны анода, но тогда ваши результаты противоречат мировой практике и это вы пытаетесь донести. Или же нет?

    Еще. Почему-то не люблю лампы с верхним колпачком: и опасно, и помехи, а толку чуть.. Может зря?

    • Добрый день.

      Отводы на вторую сетку “считаются” со стороны питания, вероятно триодный вариант нужно переставить – сделать последним, так будет логичнее. (Переставил)
      Насчет ламп с анодом сверху – если лампы на виду, немного опасно, но когда усилитель в стойке, то вполне нормально.
      807 – замечательная лампа, очень хороший результат в однотакте тетродом (“пентодом”) (с соответствующими трансформатором и акустикой) и еще лучше и универсальнее – в двухтакте триодом в чистом классе А, без ООС – даже со сравнительно простым трансформатором. Радует и то, что 807 (и “наши” в том числе) очень качественно сделаны.

  2. Виктор, добрый день!

    Обратил внимание на схожесть всех Ваших блоков питания (в части схемотехники). Можно несколько слов о принципе работы и о том, почему Вы пришли именно к этой конструкции. Как она в наладке?

    • Добрый день,

      Блок питания ничем особым не отличается, выпрямитель выпрямляет – фильтр фильтрует. В самых первых конструкциях все было традиционно – кенотронный выпрямитель, дроссельный фильтр. На мой взгляд, преимущества такой архитектуры только в том, что она без слышимых последствий позволяет применить сетевой трансформатор посредственного качества изготовления, а недостатки очевидны – габариты, вес, ограниченная энерговооруженность, во многих случаях – недостаточная фильтрация и слишком быстрая “подача” выпрямленного напряжения.
      Если сетевой трансформатор рассчитан и изготовлен верно, то выпрямитель и фильтр на полупроводниках позволяет получить существенно лучшие характеристики блока питания при гораздо меньших габаритах. В итоге – усилитель обретает ровный, стабильный и насыщенный звук с четкими, хорошо читаемыми и глубокими НЧ.

      С Уважением,

      Виктор

      • Виктор,

        Идея этого блока питания мне понравилась, но я, в виду своей слабой грамотности, не могу пересчитать его на более высокое напряжение – 450В.

        Как это сделать? Каковы “тонкие” моменты?

        • Андрей, добрый день.

          Тонких моментов всего два – конденсаторы должны быть на напряжение 500В, а силовой трансформатор должен быть с напряжением на вторичной обмотке 375+375 Вольт. Из Hammond подойдет модель 374BX.

          С Уважением,

          Виктор

  3. Вы меняли режимы при разных вариантах включения, или просто переподключали отвод на сетку? В интернете наиболее популярен второй метод (вроде как “целых два режима”), хотя на практике – это глупо, т.к., скажем, триодный режим и пентодый требуют разных режимов, в том числе и межанодной нагрузки. Разумно, что характер звука будет меняться, но нечестно, т.к. усилитель по параметрам изначально настроен на какой-то один режим. Второй, при этом, будет в неоптимале.

    • Евгений, добрый день.

      Конечно, режим менялся – именно для этого в выходном каскаде и было предусмотрено фиксированное регулируемое смещение. Более того, если к нагрузке подключен осциллограф, то удержаться от подстройки тока покоя при смене типа включения лампы практически невозможно 🙂

      С Уважением,

      Виктор

Leave a Reply

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