Усилитель SunDuck. Часть 2. Схема и расчет

Cхема усилителя – SunDuck_Amp_001

Схема блока питания – SunDuck_Amp_002

Замечания по схеме – конденсаторы фильтров блоков питания являются составными, из МБГВ (200uFx1000V),  ASC (60uFx630V), МБГЧ (4uFx600V) и Solеn Fast (10 uFx 630V). Состав емкостей каждой ступени длительное время подбирался на слух, и в настоящий момент уже неизвестно ни точное значение итоговых емкостей, ни какие именно конденсаторы установлены в том или ином месте фильтра. Поэтому на схеме приведены примерные значения. Замечания по блоку питания – на каждую пару выходных ламп применен отдельный накальный трансформатор. На каждый выходной каскад применен отдельный блок питания с отдельным трансформатором.

1. Общие соображения

Это трехкаскадный двухтактный усилитель,  с выходным каскадом, работающем в классе А, без общей ООС. Первый каскад – обычный усилитель с заземленным  (“общим”) катодом (Grounded Cathode Amplifier), второй каскад – фазоинвертор с длинным хвостом по схеме Шмидта (Schimidt’s Long Tail Phase Splitter). Связь между первым и вторым каскадами – гальваническая,  режим работы первого каскада устанавливает режим работы второго.  Поэтому важным моментом после расчета необходимых входных параметров выходного каскада, является правильное определение требований к выходным параметрам второго каскада.

2. Расчет выходного каскада

Расчет выходного каскада  проводим аналогично расчету однотактного выходного каскада на триоде с трансформаторной нагрузкой.  При работе в классе А двухтактный выходной каскад на триодах можно представить как отднотактный, с соединенными параллельно выходными лампами,  работающими на приведенное сопротивление полуобмотки первичной обмотки, которое составляет 1/4 от Raa трансформатора. Raa выбирается исходя из конкретных задач – получения большой мощности или низкого выходного сопротивления или что-то среднего – оптимального. 🙂 В практическом смысле экспериментировать с выбором “экзотических” значений Raa не имеет особого смысла, достаточно воспользоваться значениями, рекомендованными в справочниках. Например, для двухтактного выходного каскада на KT88 в триодном включении хорошее значение Raa составляет 5 кОм. Расчет выходного каскада по ВАХ можно сделать двумя способами – перерисовать ВАХ для параллельно соединенных KT88, провести нагрузочную прямую для сопротивления нагрузки Raa/4 = 1.25 кОм  и выполнить расчет Output_KT88x2_1_25 или взять обычные ВАХ  одной КТ88 в триодном включении, провести нагрузочную прямую для сопротивления нагрузки Raa/2 = 2.5 кОм и выполнить расчет Output_KT88x1_2_5 Полученное во втором случае значение выходной мощности следует увеличить в два раза. На сравнительно большой уровень четных гармоник особого внимания обращать не стоит, поскольку в реальности они в значительной степени компенсируются. А вот минимальному уровню нечетных гармоник стоит уделить особое внимание. Для сравнения приведу расчеты выходных каскадов на 300В (Raa= 6 кОм) Output_300B_1_3 и 807 (Raa =2.5 кОм) Output_807_1_1_25 Последний пример весьма показателен.

3. Определение необходимых выходных параметров и расчет второго каскада

В самом общем случае, необходимо определить максимальные выходное напряжение  и ток, который этот каскад должен отдать в нагрузку. Нагрузка – комплексная, состоящая из параллельно соединенных сопротивлений  сеточных резисторов и входной Миллеровской емкости ламп выходного каскада. С сеточными резисторами все более-менее ясно, для минимизации термотоков сеток ламп выходного каскада их сопротивление обычно выбирается в пределах 150…220 кОм.  Миллеровская емкость считается следующим образом – Суммарная емкость по входу ={ паразитная емкость монтажа + входная емкость лампы (справочное значение) + проходная емкость лампы (справочное значение) * (Мю + 1)}. Под “справочными” понимается значение емкости в данном включении, в нашем случае выходной каскад построен по схеме с “заземленным” катодом.  Рассчитаем значение этой емкости, например, для такой лампы, как KT88 в триодном включении. Входная (сетка -катод) емкость = 16pF, проходная (сетка-анод) = 12 pF, коэффициент усиления (“мю”) = 8. Получаем 16+12*9 = 134 pF, возьмем емкость монтажа, например 16pF. Итого = 150 рF. Теперь нужно определиться, для какой частоты мы будет вести расчет. С учетом  реального качества выходных трансформаторов вряд ли наш усилитель без охвата ООС будет иметь полосу пропускания по уровню 0 dB выше 30 кГц . Проведем расчет для этой частоты. На 30 кГц сопротивление емкости  в 150 pF составляет ~  36 кОм,  итоговое сопротивление нагрузки на частоте 30 кГц для второго каскада составит 150 кОм (сопротивление сеточных резисторов) || 36 кОм ~ 30 кОм. Напряжение, необходимое для “раскачки”  КТ88 в типовом “триодном” режиме (например 400V, 80 mA) будет что-то около 40V, значит ток, который фазоинверторный каскад должен быть способен выдать в нагрузку = 40V/30 кОм = 1.33 mA, округлим до 2 мА. Не вдаваясь в теоритические рассуждения, установим, что в самом общем случае каскад с резистивной анодной нагрузкой cможет “отдать” в нагрузку ток, равный 0.5  от тока покоя каскада. Таким образом, ток покоя каждого плеча фазоинверторного каскада  рассчитываемого усилителя должен быть не менее 4 …5 мА, при этом каскад должен обеспечить выходное напряжение не менее 40V с приемлемым уровнем искажений. По входу фазоинверторный каскад должен обеспечивать достаточную перегрузочную способность, то есть напряжения смещения ламп  желательно выбрать больше, чем  пиковое значение входного сигнала. Следовательно, лампа подходящая для работы в таком каскаде, должна иметь линейные характеристики в области ВАХ с бОльшими значениями напряжений смещения и при этом должна быть возможность выбора рабочей точки, обеспечивающей как необходимое значение тока покоя, так и  требуемый размах выходного напряжения. Из октальных ламп – хороший кандидат на работу в этом каскаде это двойной триод 6SN7. Расчет каскада ведется слева-направо, то есть сначала считается режим “левого” по схеме триода. При выборе режима необходимо вдумчиво подойти к распределению напряжений на аноде и катоде лампы.  Для обеспечения хорошей линейности при заданном максимальном выходном напряжении каскада в ~ 40V  падение напряжение на анодном резисторе должно быть примерно 100V. Для получения минимального уровня нечетных гармоник на выходе каскада, сопротивление анодного резистора выбираем в пределах 3…4Ri (Ri- внутреннее сопротивление триода 6SN7), что составляет примерно 21…28 кОм. При рассчитанном ранее минимально необходимом токе покоя каскада 4..5mA, получаем, что номинал в 22 кОм вполне удовлетворяет заданным  требованиям, падение напряжения на таком резисторе составит 22 кОм * 5 mA = 110 Вольт. Катоды правого и левого по схеме триодов объеденены, сетка правого триода по переменному току заземлена,  следовательно  изменения тока в общей катодной цепи вызовут изменения тока анода правого триода. Таким образом, на аноде левого по схеме триода мы получаем инверсный (относительно входного) сигнал, а на аноде правого – сигнал, совпадающий по фазе с входным. Фактически,  правая часть схемы фазоинвертора представляет собой каскад усиления с общей сеткой, а левая – с общим катодом. Из-за действия катодной связи коэффициент усиления такого каскада получается в два раза меньше рассчитанного по ВАХ. Исходя из того, что максимальное выходное напряжение = 40V, а приблизительный коэффициент усиления каскада с общим катоде на триоде 6SN7 равен 14…16, так же приблизительно считаем, что фазоинвертоный каскад будет иметь коэффициент усиления = 8, следовательно напряжение на входе каскада в этом случае будет 40V/8 = 5V. Таким образом, желательно, чтобы напряжение смещения левого по схеме триода было примерно -5…-7V. Исходя из этого, по ВАХ выбираем рабочую точку каскада. Получаем, что при выходном напряжении 40V, напряжении смещения -5…-7V и сопротивлении анодного резистора 22 кОм и токе 4…5 мА напряжение между анодом и катодом должно составлять 180…200 Вольт. Делаем приблизительный расчет требуемого напряжения источника питания этого каскада. Напряжение на сетке левого по схеме триода – равно напряжению на аноде лампы первого каскада. Исходя из того, что первый каскад должен обеспечивать выходное напряжение 5…7V c хорошей линейностью и запасом по перегрузочной способности, считаем, что напряжение на аноде лампы первого каскада должно быть не менее 100…125V. Следовательно напряжение на катодах ламп фазоинверторного каскада должно быть {(100…125) + (5…7 напряжение смещения)} = ~ 105…132V. Таким образом, минимально необходимое напряжение источника питания = {(105…132) + (180…200 напряжение анод-катод) + 110 падение напряжения на анодном резисторе} = 395…442V. При большем напряжении источника питания такой каскад будет иметь лучшую линейность и больший запас по перегрузочной способности. Поэтому, для удобства настройки усилителя при работе с различными выходными лампами для входного и фазоинверторного каскадов применен отдельный источник питания. Симметрия напряжения на выходах фазоинверторного каскада определяется уровнем катодной связи, то есть сопротивлением резистора в общей катодной цепи (“длинным хвостом”). Теоретически, чем больше сопротивление этого резистора – тем напряжения на выходах имеют более близкие амплитуды. Практически, поскольку через этот резистор текут токи покоя правого и левого по схеме триодов, а постоянное напряжение на сетке левой лампы задано режимом входной лампы, номинал этого резистора обычно варьируется в пределах 0.5…0.7 от сопротивления анодной нагрузки, что дает разбаланс выходных сигналов примерно в 5…8%.  Разбаланс компенсируют небольшим (в пределах 10%) увеличением анодной нагрузки правой по схеме лампы.  В итоге, в реальном каскаде разбаланс в области СЧ составляет примерно 3%, и из-за разных выходных сопротивлений правого и левого плеча фазоинвертора в области ВЧ (примерно выше15 кГц)  разбаланс увеличивается. По этой причине очень важно выбирать рабочую точку каскада таким образом, чтобы расчетный уровень нечетных гармоник был минимальным, в этом случае общий спектр искажений усилителя будет содержать преимущественно четные гармоники. Об расчетном уровне четных гармоник можно особенно не заботиться, поскольку в таком усилителе их компенсация происходит дважды – в фазоинверторном и в выходном каскадах. Пример расчета – Phase_Splitter_1

4. Расчет первого каскада

Расчет первого каскада весьма несложен. Это обычный усилительный каскад с общим катодом, с резистором в качестве анодной нагрузки. При выборе режима задаемся необходимым напряжением на аноде (+100…125V) и учитываем, что каскад должен иметь низкий уровень нечетных гармоник. Для этого сопротивление анодного резистора выбираем в пределах 3…4Ri. Для 6SN7 или 6J5 это составляет 21…28 кОм. Отмечаем на ВАХ рабочую точку, убеждаемся, что она находится в линейной области. Получаем – ток анода 5 мА, напряжение смещения -2.2V, коэффициент усиления = 14. Сопротивление резистора в катоде = 2.2V/5mA =440Ом. (На практике его приходится подбирать в диапазоне 430…510 Ом). Пример расчета – First_Stage_1 Примерный вид нагрузочных прямых для первого и второго каскадов – 6SN7_Load_Line_001 Общий расчетный коэффициент усиления первого и второго каскадов получается 14*8 = 112. При требуемом напряжении на выходе фазоинверторного каскада в 40V rms чувствительность усилителя по входу составит = 40V/112 =  350 mV rms, что вполне достаточно для большинства источников. Чувствительность можно уменьшить, убрав из схемы конденсатор, шунтирующий катодный резистор лампы первого каскада. В этом случае коэффициент усиления первого каскада будет примерно 10. Возникшая в первом каскаде местная ОС по току несколько повысит его выходное сопротивление и линеаризует его характеристики, снизив коэффициент гармоник. Иногда, например при работе на акустику со сложной зависимостью сопротивления от частоты, может возникнуть необходимость применения общей ООС.  Это можно сделать, добавив в схему резистор сопротивлением 10…20 кОм – между катодом лампы входного каскада и выводом 8Ом вторичной обмотки  выходного трансформатора.  Из-за снижения общего коэффициента усиления  глубокую ООС ввести затруднительно.

5. Итоги

Это один из самых долгоживущих моих усилителей, который я слушаю до сих пор. Универсальная конструкция, легко адаптируемая под различные выходные лампы, чем я периодически и занимаюсь. В настоящий момент в усилитель установлены выходные лампы 6СВ5A.

Июль 2009 год                                                                                    г.Владивосток

2 thoughts on “Усилитель SunDuck. Часть 2. Схема и расчет

  1. Добрый вечер, Виктор! А Вы питаете накал выходных ламп пятью (5) вольтами или 6,3 Вольта?

    • Валерий, добрый день.

      Для EL34, КТ88, 6CB5A – 6.3 Вольт, 5 Вольт было предусмотрено для варианта с 300В.

      С Уважением,

      Виктор

Leave a Reply

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