Универсальный ламповый предварительный усилитель на 6н23п » журнал практической электроники датагор

Содержание / Contents

1 Выбор схемных решений 1.1 Почему повторитель Уайта?
1.2 Тонкомпенсация

2 Схема преампа

2.1 Кратко о блоке питания

2.2 Селектор входов
3 Полученные характеристики
4 Конструкция
5 Вид на компоновку
6 Выбор деталей
7 Результаты
8 Дополнения
9 Файлы
10 Полезные ссылки

Когда мой хороший друг, замечательный спортсмен, меломан и жизнелюб попросил соорудить ему предусилитель для домашнего стереокомплекса, то ТЗ (техническое задание, понимаешь) звучало следующим образом: — чтоб обязательно ламповый; — чтоб была тонкомпенсация, но в меру; — чтоб НЧ и ВЧ можно было крутить «по полной»; — чтоб завести на него не менее 4-х источников сигнала; — чтоб регулировать громкость раздельно по каналам; — чтоб можно было «поиграться» межблочным кабелем от преда к УМЗЧ; — ну и чтоб дизайн «кирпичиком» (такой, понимаешь, компьютерный хай-тек), ну и лампы спрятать, а то кругом и так пыли полно.Вот такие исходные параметры. Крутите, Шура, крутите!

Содержание / Contents

1 Выбор схемных решений 1.1 Почему повторитель Уайта?
1.2 Тонкомпенсация

2 Схема преампа

2.1 Кратко о блоке питания

Результаты измерений

Результаты измерений представлены на осциллограммах ниже.

Реакция усилителя на импульсный сигнал показывает его хорошую устойчивость и малое время нарастания фронтов:

(Увеличение по клику)

Частота среза составляет около 140 кГц при спаде -1дБ. Уровень искажений при уровне сигнала 1 В меньше чем 0,03%. Спектральное распределение гармоник и шумов представлены на спектрограммах:

(Увеличение по клику)

Обратите внимание, что в спектре доминирует вторая гармоника. При этом её уровень ниже -70 дБ, что исключает «бархатистый» окрас (свойственный ламповым усилителям, так называемый, тёплый звук) сигнала

Задача любого усилителя — усиливать сигнал, не внося в него каких-либо изменений. Этот усилитель с этим справляется отлично!

Общий уровень шумов усилителя до регулятора громкости составляет -90 дБ.

На графике показана АЧХ при включенной цепи НЧ-коррекции:

(Увеличение по клику)

Обратите внимание на низкое влияние коррекции на АЧХ и ФЧХ усилителя. Темброблок Бэксандэла (довольно классическая схема) имеет гораздо большее влияние на выходной сигнал

Детали конструкции.

Резисторы: R1, R2, R5, R6, R9. R10, R13, R14: подбираются по необходимой чувствительности входов (или перемычки) R3, R4, R7, R8, R11, R12, R15, R16, R17, R18: 470 кОм / 0,5 Вт / 1% R19, R20: 47кОм/1/0,5Вт/1% R21, R22: 150 кОм / 2 Вт/ 5% R23, R24: 100 кОм/2 Вт / 5% R25, R26: 47 кОм/2 Вт / 5% R27, R28: 1,2кОм/1/0,5Вт/1% R29, R30: 360 кОм /0,5Вт/ 1% R31, R32: 220 кОм / 0,5 Вт / 1% R33 1 кОм/2 Вт/ 5%

Конденсаторы

C1, C2: 1мкФ/50 В / 5 мм, C3, C4: 1 мкФ / 250 В / 5 мм, C5, C6: 0,1мкФ/50 В/ 5 мм C7, C8: 100мкФ/ 6,3 В/ 3, 5 мм, С9, С10: 470 нФ / 400 В / 15 мм C11, C12: 3,3 нФ / 100 В / 5 мм C13: 10 мкФ/400 В/ 5 мм

Разное:

Лампа: V1, V2 — 6Ж32П (EF86) Диоды: D1 -1N4007 Переменный резистор: P1- 100 кОм (Log/ALPS) Реле: K1, K2 — SIL / Meder SIL12-1A72-71L Галетный переключатель: S1 — 5P/2C /Lorlin PT6422 Тумблер: S2 — NKK B12AH Разъёмы: RCA (сдвоенный) — 2шт., RCA (одинарный) — 1шт.

↑ Выбор схемных решений

Опираясь на многочисленный опыт старших товарищей по ламповому цеху, было принято решение взять за основу известную схему уважаемого Анатолия Иосифовича Манакова (ака Гэгэн) и быстренько набросать макет. Тут возникли некоторые вопросы. Дело в том, что с разными источниками сигнала (а то были и СД, в том числе выпушенные в прошлом веке, и ДВД, и ставшие классическими японские кассетные деки 70-х годов прошлого столетия, и даже выход с аудиокарты ПК) — каскад звучал по-разному. С современными источниками сигнала все было хорошо, а вот с некоторыми заслуженными ветеранами многоуважаемых зарубежных фирм он был не совсем в согласии (дабы не обидеть любителей известных брендов и не бросить тень на заслуженных импортных производителей, называть их имена мы не будем). На слух отмечалась некоторая потеря динамического диапазона и зажатость общей аудиосцены.

После анализа ситуации, был сделан вывод о том, что не все выходные каскады источников сигнала, даже с низким выходным сопротивлением, способны работать на довольно сложную комплексную нагрузку, которую представляет из себя пассивный мостовой регулятор тембра Баксандала, особенно те, которые имеют изначально малый ток покоя, и, возможно, низкую нагрузочную способность. Справедливости ради надо сказать, что номиналы переменных резисторов были уменьшены до 100к (по оригинальной схеме МАИ 200…220к), просто потому, что такие имелись в наличии.

Итак, нужен буферный каскад, с хорошей нагрузочной способностью, низким выходным сопротивлением, током покоя не менее 8-10 мА, обладающий хорошей импульсной характеристикой и низкими гармоническими искажениями. Лампу берем такую-же, как в исходной схеме, 6Н23П. Несмотря на большое количество споров вокруг ее применения в аудиотехнике, считаю, что ее использование вполне оправдано во многих практических случаях, в том числе и в этом конкретно.

На лампах не экономим, учитывая ее дешевизну и доступность, на входе ставим повторитель Уайта, по одной лампе на вход каждого канала, на выход — усилитель напряжения, итого три двойных триода 6Н23П, недорого и сердито.

↑ Почему повторитель Уайта?

1) В отличие от обычного катодного повторителя с коэффициентом передачи около 0.7…0.8, здесь мы имеем уже 0.96 и возможность получить общий коэффициент передачи около 1.0 (затухание в пассивном РТ компенсирует выходной каскад УН). 2) За счет наличия положительной ОС в повторителе Уайта, имеем пониженное выходное сопротивление по сравнению с простым катодным повторителем.

3) При «оптимизированной» величине положительной ОС получаем небольшой коэффициент гармоник и «живое» натуральное звучание. Опять же, ничего нового не придумываем, все уже давно придумано и оптимизировано известными аудио-гуру, такими как Джон Бруски и его сподвижниками, повторившими неоднократно эту конструкцию.

↑ Тонкомпенсация

Ну, а как быть с тонкомпенсацией? Тем более в «меру»? Опять же обращаемся к классике, «Железный Шихман». Этот рисунок можно обнаружить не на одном десятке отечественных и зарубежных сайтов. Смотрим:

Этот регулятор громкости на резисторе с одним отводом решено поставить на вход после коммутатора. Вообще-то нагрузка тоже «не сахар», надо проверить, как она поведет себя после всего уже на опробованных источниках сигнала. Оказалось, что вполне прилично, поэтому заканчиваем макетирование, рисуем схему.

Корпуса

Как оказалось, изготовить приятный внешне и подходящий по всем параметрам корпус для лампового усилителя задача нетривиальная. Стенки корпуса должны быть толстыми, чтобы не прогибаться под многокилограммовыми трансформаторами, коих аж 5 штук. Отверстия под лампы, разъемы и переключатели должны быть рассчитаны и вырезаны с точностью до миллиметра. А еще нужны внутренние экраны, щели вентиляции и т.д. В результате пришлось создавать 3D-модель, чтобы все детали можно было согласовать окончательно.

3D- модель усилителя

После изготовления корпуса из стали, а передней панели из алюминия, все отверстия были вырезаны с помощью лазерной резки. Дальше корпус был отдан на покраску. С фонокорректором все оказалось несколько проще. Единственное что, пришлось подгонять его внешней вид и высоту под корпус усилителя, чтобы они смотрелись в едином стиле. Для пущей красоты, ручки, ножки и прочая мелочь были заказаны готовые, на алиэкспресс.

Оставалась еще одна, немаловажная, вещь — нанесение надписей на передние панели. Т.к. я изначально хотел корпуса именно в черном цвете, вариант с нанесением надписей лазерной гравировкой отпадал. Пришлось искать конторы, которые могли бы с этим справиться. Первым логичным вариантом была шелкография. Но из-за пары панелей никто браться не хотел, а при минимальном заказе в 20 штук, цена уже выходила не совсем адекватная. Следующим вариантом были фирмы по изготовлению всяческой рекламы с их продвинутыми принтерами. В большинстве мест, куда я обращался, мне отказали, либо сославшись на то, что поверхность панелей шершавая и краска поплывет, либо на то, что для печати панель должна быть плоской, а не с торчащими сзади шпильками. Но к счастью, была найдена организация, которая согласилась взять заказ и выполнила его на должном уровне.

Передние панели после нанесения надписей

Схема с использованием диодов

На эмиттерных переходах транзисторов Т1 и Т2 появляется смещение за счет диодов Д1 и Д2, подключенных между базами транзисторов. При входном напряжении, равном нулю, транзисторы активны. Когда полярность напряжения положительна, транзистор Т2 запирается, а при отрицательной полярности напряжения запирается транзистор Т1. При нулевом входном сигнале один из транзисторов является активным, таким образом, схема с диодами дает характеристику выходного сигнала, очень близкую к линейной. Вместо диодов, можно использовать транзисторы с шунтированными коллекторными переходами.

↑ Принципиальная схема

Схема усилителя 1 канал Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Схема блока питания

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Принципиальная схема выбрана в классическом ключе и состоит из двух каскадов. Предварительный SRPP на 6Н9С и оконечный на 6С4С. В предварительном каскаде я не спроста использовал включение ламп с динамической нагрузкой. Дело в том, что такое включение лампы обеспечивает одновременное улучшение сразу нескольких важных параметров: линейности, широкополосности, стабильности режима, выходного сопротивления, перегрузочной способности и чувствительности к пульсациям анодного напряжения. И обеспечивает необходимое усиление для раскачки 6С4С, со смещением на сетке -45В.

Расчет двухтактного усилителя

Так как нам нужен повторитель эмиттерный для усиления по мощности, то исходными данными, чтобы сделать расчет эмиттерного повторителя, будут: сопротивление нагрузки (РН), мощность нагрузки (ПН). Чтобы уменьшить рассогласованность выходного и входного сигнала, напряжение питания должно быть выше на 5 В от амплитуды выходного напряжения.

Формулы для расчета усилительного каскада:

Выходное напряжение: УВЫХ = корень квадратный (2ПНРН).
Напряжение источника питания: УВХ = УЕ + 5.
Выходной ток: ИЕ = УЕ/РН.
Мощность, забираемая у источника питания: П++ П-= 2/Пи × УЕ/РН × УК.
Наибольшая рассеиваемая мощность на каждом из транзисторов: П1= П2= УК2/Пи2РН.

Корпуса

3D- модель усилителя

Передние панели после нанесения надписей

↑ Задержка подачи напряжения накала и анодного напряжения

Поскольку в фонокорректоре применена непосредственная связь, очень желательно выполнить задержку подачи анодного напряжения, а для продления жизни столь дорогих сегодня ламп, ещё и плавную подачу накального напряжения. В конструкции применён таймер задержки В. Тимофеева, описанный в журнале «Радиолюбитель» № 1 за 2013 год, страницы №№ 8-11.

Рис. 51.

Таймер задержки в штатном виде

Рис. 52. Модификация под мои нужды

Да простит меня автор, но я внёс некоторые изменения. Изменил питание модуля на 12 V, поскольку у меня реле не на 27, а на 12 V. Для этого я удалил один электролитический конденсатор, на его место установил трёхвыводной стабилизатор. Ёмкость второго конденсатора увеличил и положил его набок, подальше от радиатора стабилизатора. Плёночные конденсаторы на 330 и 100 nF распаяны на ножках стабилизатора с обратной стороны платы.

Также я отказался от двух размыкающих реле и запитал блок задержки от накальных обмоток, а не от отдельного трансформатора. Защитные резисторы параллельно конденсаторам фильтра питания я ставлю всегда. Отключать их на время работы аппарата и снижать напряжение на обмотках реле после их срабатывания я не стал.

После сборки всех блоков в корпус, выяснилось, что для снижения наводок нужно переделывать плату с реле и мощными резисторами и изменить место расположения платы накального стабилизатора.

Наблюдать изменение шумов и наводок на схему оказалось удобным в программе Realtime Analyzer

. Можно оперативно перемещать модули, изменять расположение трансформатора, наблюдая при этом за изменениями показаний собственных шумов устройства. В результате, реле коммутации анодных цепей с резисторами пришлось вынести на отдельной плате к фильтру питания, реле плавной подачи накала с резисторами, реле блокировки модуля задержки, резисторы средней точки накала и неполярный конденсатор оставлены на плате, установленной над блоком задержки. Блок задержки поменялся местами с накальным стабилизатором. Сетевой провод помещён в дополнительный экран.

Корпус для лампового усилителя

Теперь несколько слов о корпусе. Не мудря и не изобретая нового велосипеда взял обыкновенный корпус от компьютерного CD-ROMа, последний и был выдран мною со списанного хлама на той же работе. Как видно из фотографий трансформатор находится под круглой частью корпуса (консервная банка от горошка), что само по себе является хорошим экраном.

На радиаторы закреплены выходные транзисторы через слюдяные прокладки, намазанные термопастой. Транзисторы крепятся посредством двух алюминиевых квадратных планок с дыркой по середине, куда и воткнуты с натяжением. В качестве украшательства были применены прослойки из оргстекла, выточенные вручную и подсвечены светодиодами.

Выходные трансформаторы усилителя. Аспекты согласования трансформатора и громкоговорителя. Как должно быть и как есть на самом деле

Выходной трансформатор лампового усилителя — это важнейший компонент с точки зрения влияния на звук. От качества выходного транса и согласованности его с выходной лампой зависит частотный диапазон усилителя и его выходная мощность. Также вторичная обмотка выходного трансформатора должна быть согласована с сопротивлением катушки используемого громкоговорителя.

В транзисторных усилителях все проще — мы можем подключить к усилителю практически любой громкоговоритель, главное чтобы его сопротивление не было слишком мало, чтобы не превысить допустимый ток выходных транзисторов. От сопротивления динамика в транзисторном усилителе будет зависеть выходная мощность, в соответствии с формулой P = (U*U)/R где P — выходная мощность, U — действующее значение напряжения сигнала на громкоговорителе (RMS) а R — сопротивление его катушки (импеданс), измеренное на частоте тестирования динамика (обычно это 1000 Гц).

С ламповым усилителем все несколько сложнее. Приведенная формула тоже работает, но для того чтобы выходной трансформатор правильно работал и мог отдать динамику максимальную мощность, его вторичная обмотка должна быть согласована с сопротивлением динамика. То есть теоретически мы не можем просто взять и подключить к выходу трансформатора, рассчитанного для работы с динамиком на 4 Ома, динамик с сопротивлением 8 Ом. Я написал «теоретически», потому что на практике бывает так что у нас нет выбора. Есть какой-то готовый трансформатор и какие-то колонии с таким-то сопротивлением. И не всегда это будет совпадать. Ничего страшного не случится, усилитель будет работать. Но нам придется смириться с ухудшением характеристик усилителя. Обычно в случае несогласованности мы можем потерять в выходной мощности и в низких частотах.

Также было и в моем случае в 2006 году. У меня были в наличии два советских трансформатора, «выдранных» из старых телевизоров. Это были трансформаторы типа ТР-7. На трансформаторах написано «трансформатор звуковой частоты ТР-7» и приведены количества витков первичной и вторичной обмоток. Это 2000 витков ПЭЛ 0,18 и 100 витков ПЭЛ 0,58.

Трансформатор звуковой частоты ТР-7 от телевизора Рубин-102 для однотактного выходного каскада на лампе 6П14П

Фактически в ламповом усилителе выходной транс является трансформатором сопротивления, который преобразует сравнительно высокое сопротивление анодной нагрузки электронной лампы (несколько кОм) в низкое сопротивление для подключения динамика (несколько ом). Найдя в справочнике оптимальное сопротивление нагрузки для нашей лампы и зная сопротивление нашего динамика мы можем определить нужные параметры трансформатора.

Трансформаторы ТР-7 использовались в телевизорах Рубин-102 и использовались с как раз лампой 6П14П (а не с 6П1П как в первом варианте моего усилка). Для этой лампы оптимальное сопротивление нагрузки — 4,5 кОм. Коэффициент трансформации нашего транса K = 2000 / 100 = 20. Общее сопротивление катушек громкоговорителей в телевизоре Рубин-102 было 11 Ом. То есть 20*20*11=4400 Ом. То есть первичная обмотка трансформатора практически соответствует рекомендованному сопротивлению для лампы 6П14П и транс действительно рассчитан на нагрузку около 11 Ом. Сопротивление моих колонок равно 8 Ом. То есть усилитель работает не совсем в оптимальном режиме, но тем не менее работает хорошо. Оптимальное сопротивление анодной нагрузки для 6П1П еще больше — около 5 кОм. И здесь чаша весов склоняется в пользу версии на 6П14П, так как сейчас трудно найти готовый трансформатор сделанный именно под 6П1П. Таким образом, использовать 6П1П в наше время имеет смысл только в том случае, если они у вас есть.

Если бы я делал усилитель сейчас, я бы заказал выходные трансформаторы на Алиэкспресс. Они хороши тем, что их вторичные обмотки имеют отводы для подключения как колонок с сопротивлением 4 так и 8 Ом. И в любом случае усилитель с таким трансформатором будет работать в режиме, близком к идеальному.

Схема на 6Ж8

Из принципиальной схемы усилителя видно, что между анодом предоконечного каскада Л1 и выходным двухтактным каскадом Л2, Л3 отсутствует переходной конденсатор, который вносил бы фазовый сдвиг. Это обстоятельство позволило применить весьма глубокую отрицательную обратную связь без опасности самовозбуждения усилителя. Большая величина отрицательной обратной связи резко снижает коэффициент нелинейных искажений, который при выходной мощности около 6 Вт не превышает 1%. Напряжение обратной связи снимается с обмотки II выходного трансформатора и через сопротивление R8 подается на катод лампы Л1. Цепь обратной связи также не содержит реактивных элементов, которые вносили бы фазовый сдвиг.

Вследствие того что анод лампы Л1 связан гальванически с сеткой лампы Л2, нормальная работа ламп Л2 и Л3 обеспечивается тщательным подбором их режима при помощи сопротивлений R3, R6 и R7 таким образом, чтобы напряжение на управляющих сетках ламп Л2 и Л3 по отношению к их катодам было равно—12 В. При этом оконечный двухтактный каскад работает в режиме класса А. Напряжение на экранную сетку лампы Л1 подается с общего катодного сопротивления R7 ламп Л2 и Л3. Усилитель потребляет ток около 100 мА. Напряжение НЧ, усиленное лампой Л1, подается на сетку лампы Л2. На катоде этой лампы возникает напряжение низкой частоты в – такой же фазе, что и на ее управляющей сетке.

Если заземлить управляющую сетку лампы Л3, то между ней и катодом будут действовать напряжение в противофазе с напряжением между управляющей сеткой и катодом лампы Л2, что и требуется для нормальной работы двухтактного каскада. Непосредственно заземлять управляющую сетку лампы Л3 нельзя, так как при этом нарушится режим работы ламп Л2 и Л3, поэтому она заземлена по низкой частоте через конденсатор С3.

Трансформаторы звука поставил ТВЗ-1-6, с ними на всех приводимых АЧХ всегда подъем от 10 кГц. Это результат действия функции компенсации. Из результата измерений «усилитель + соединительные кабеля» вычитается результат кабелей, что приводит к такому эффекту. Надо сделать себе хороший кабель, тогда такого не будет. При снижении анодного напряжения Кни слегка увеличивается, при увеличении уменьшается.

6.5а. Дополнение: динамическая крутизна

Один из читателей попросил провести анализ схемы, разбираемой в недавней книжке. Ее автор поясняет, что
здесь реализована ООС «по току».

Оценим коэффициент усиления по формуле для масштабного усилителя: K_U = 150/3 = 50…
Наверно, где-то ошибка: статический коэффициент усиления лампы 6Н1П равен 35, не может же K_U превысить это значение? Разумеется.

Просто сопротивление нагрузки (150 кОм) здесь настолько велико, что сопоставимо с эквивалентным внутренним
сопротивлением . Прикинем это последнее.

Для рассматриваемой схемы (с учетом того, что значение S при рабочем токе 0,6 мА равно примерно 2
мА/В): r_K = 1/2 + 3 = 3,5 кОм. R_iЭ = 35·3,5 = 122 кОм. Каскад нагружен на
параллельное соединение этого сопротивления и R_A, то есть на (122·150)/(122 + 150) = 67 кОм, так что действительное усиление 67/3,5 = 19.

Подойдем теперь к вопросу несколько иначе. Влияние анодной нагрузки приводит к тому, что мы должны перейти от
статической к динамической анодно-сеточной характеристике. Крутизна такой характеристики равна
. Подсчет дает для S_Д 0,3 мА/В, т.е. сопротивление лампы со стороны
катода 3,5 кОм, что оказалось даже больше, чем R_K, вот причина малого усиления. Но главное в другом: ООС-то, выходит,
неэффективна!

По сути дела здесь две цепи ООС (одна из них — с анода), причем эта последняя ослабляет действие другой,
вызванной катодным резистором. Вот тут и надо искать корень того, что схема неудачна (как верно отмечено в книжке).

↑ Принимаем работу

Шасси выполнено из листового металла. На это дело хорошо пошел старый корпус системного блока. Отверстия большого диаметра сверлились перьевым сверлом, дрелью, шуруповерт для этой цели не очень годится из-за малого крутящего момента. Боковые панели – фанера покрытая шпоном. Фанера покрывается клеем ПВА, накладывается кусок шпона с запасом по краям и проглаживается утюгом. Затем остатки шпона удаляются канцелярским ножом, а края обрабатываются напильником и наждачной бумагой.

Лицевая и задняя панель склеены из двух листов нефольгированого стеклотекстолита. Две заготовки скручиваются между собой, обрабатываются края и сверлятся отверстия. Оба листа склеены между собой суперклеем «момент». К шасси панель крепится шпильками. Сзади лицевой панели сверлятся отверстия под винты М3. С вкрученных на клей винтов срезается шляпка, так получаем шпильки.

Кожухи трансформаторов выполнены из фольгированного стеклотекстолита. Вырезаются заготовки необходимого размера. Затем стеклотекстолит спаивают с внутренней стороны мощным паяльником не жалея припоя. Края обрабатываются на наждачном круге или напильником, затем наждачной, вместе с углами. Шильдик сделан из листа алюминия толщиной 1,5 мм.

Надпись травится с помощью ЛУТ в хлорном железе. Затем Шильдик шлифуется, покрывается краской и опять шлифуется