Драйвер на ОУ для лампового усилителя. Строим гибридный однотактник

Предлагаю вашему вниманию концепцию построения гибридного однотактника, на разработку которого меня натолкнули статьи «Карманный гадкий утёнок, или Pockemon-I» Олега Чернышева и «Лампово–полупроводниковый УНЧ» (ж. Радио № 10 за 1997 год).

В первой статье описывается ламповый усилитель, выходной каскад которого охвачен цепью параллельной отрицательной обратной связи (ООС). Автор сетует на возможную критику за несовременность подобного схемотехнического решения (ООС да еще и по первой сетке). Однако, подобные решения повсеместно использовали в золотую пору лампового звукостроения. Смотри, например, статью «Радиола Урал-52» (ж. Радио № 11 за 1952 год).

Мне нравится простота реализации такой ООС: количество элементов в цепи обратной связи всего два, причем это резисторы и один из них, как правило, служит нагрузкой драйверного каскада. Такая ООС не требует адаптации к типу используемой выходной лампы (в разумных пределах). Но! В той же статье, автор, приводя расчетные формулы, говорит о том, что необходимо в зависимости от выходного сопротивления драйверного каскада, корректировать номиналы резисторов цепи обратной связи.
Сколько «возможностей для творчества»! Поставил другую лампу – перепаяй и парочку резисторов. Мне показалось это неправильным.

В своей статье я предлагаю решение этой «заморочки».

↑ Часть первая, теоретическая

В статье про Покемон приведена схема (смотри рис.1) и расчетные формулы, в которых присутствует выходное сопротивление драйверного каскада Ri. Это сопротивление включено в цепь ООС и соответственно влияет на все замечательные свойства, которые придает схеме ООС.

Однако такую схему можно представить в несколько ином виде (смотри рис.2) с источником тока в качестве сигнала возбуждения. Выходное сопротивление источника тока теоретически стремится к бесконечности и его влияние на характеристики ООС соответственно стремится к нулю.

Напомню некоторые базовые соотношения из теории ламп. Свойства электронной лампы как усилительного устройства характеризуются как минимум двумя величинами µ - статический коэффициент усиления и S – крутизна передаточной характеристики.

Внутреннее сопротивление лампы
Ri = µ/S. (1)
Ri участвует выборе характеристик выходного трансформатора. Чем меньше выходное сопротивление лампы, тем в итоге проще конструкция выходного трансформатора. Когда мы вводим в ламповый каскад ООС, то согласно фундаментальной формуле имеем:
Кос = Кр/(1+β*Кр), (2)
где
Кр – коэффициент усиления каскада не охваченного ООС,
β – коэффициент обратной связи (определяется как β = R1/(R1+R2)), (3)
Кос – коэффициент усиления каскада охваченного ООС,
А=(1+β*Кр ) – глубина обратной связи. Глубину обратной связи А часто определяют в дБ,
АдБ = 20*lgA.

Применительно к лампе Кр это µ. Соответственно коэффициент усиления лампового каскада, охваченного ООС, определяется по формуле: µос = µ/(1+β*µ) и внутреннее сопротивление лампы с ООС: Ri = µос/S.

Как видно из приведенных формул, введение ООС в схему усилителя снижает µ до значения µос и снижает Ri до значения µос/S. Пентодный (тетродный) каскад приобретает триодные свойства.

↑ Драйвер

Теперь надо подобрать схемное решение, которое выполняло функцию источника тока для возбуждения оконечного каскада. Для этого из ламп наиболее хорошо подходят пентоды с высоким выходным сопротивлением, например, 6Ж32П, выходное сопротивление которого в номинальном режиме работы составляет 2,5 Мом. Или использовать триоды со схемой ООС по току (установкой не шунтированного конденсатором резистора в цепи катода). Но это не моя тема.

Вспоминаем об упомянутой выше статье «Лампово–полупроводниковый УНЧ. (Радио 10/97)». В ней рассматривается схема пушпульного (это не принципиально) усилителя, выходной каскад которого, питается током, и имеется ООС по аналогии с «Покемоном». Но она совершенно не считается, во всяком случае, у меня не получилось.
Вся обвязка вокруг ОУ «петлеувязана» - изменение номинала одного из резисторов, вызывает цепочку перевычислений других компонентов схемы, вплоть до попадания в итерационную петлю. Однако, сама схема дала пищу для размышлений.

Схема источника тока, управляемого напряжением, выполненного с использованием ОУ известна, её вариант применительно к особенностям ламповой схемотехники (высокие напряжения) приведен на рисунке 3.

Это, по сути, типовая схема источника тока, управляемого напряжением, которая отличается от приведенных в многочисленных учебниках тем, что выходной каскад выполнен по схеме с общей базой. Использование дополнительного транзистора (по схеме рис.3 – Q1) позволяет просто перейти из области «транзисторных» напряжений (30 В) в область «ламповых» напряжений (200...300 В). Коэффициент усиление такого каскада с высокой точностью определяется отношением: К = Rн/R5, и, следовательно, легко задается.



Следующим шагом надо установить рабочую точку драйверного каскада так, чтобы (не обязательно, но желательно) обеспечить максимальный симметричный размах напряжения на коллекторе транзистора Q1 (рис. 3). Очевидно, что требование выполняется при напряжении на Rн URн=(Uа-Uбq1)/2. Для нашего примера при Uа=350В и Uбq1=30В URн = (350-30)/2=160В.

Ток, который должен протекать при этом через Rн соответственно имеет значение I=URн/Rн и численно равен I=160/33 =4,8мА. Такой же ток протекает и через R5 и, следовательно, падение напряжения на R5 будет UR5=I*R5=4,8*1,6=7,7В. Выбором значений сопротивлений резисторов делителя R2 и R3 (рис.3) установить необходимое напряжение на R5 и соответственно рабочей точки драйвера не представляет никакой проблемы.

Таким образом, предлагаемая схемная реализация драйверного каскада для однотактного усилителя мощности имеет право на жизнь, хорошо рассчитывается для разных исходных данных.
И, если уж делают усилители «лампа в драйвере + транзисторы на выходе», то почему бы не сделать наоборот – транзисторы в драйвере и лампа на выходе?!

↑ Часть вторая, конструкторская. Схема и детали

На рис.4 приведена схема драйвера оконечного каскада, схема организации фиксированного смещения ламп выходного каскада и схема питания низковольтной части.


Перечень используемых деталей приведен в таблице ниже и в прикреплённых файлах.


Некоторые пояснения к схеме. Так уж случилось, что заниматься приходится по долгу службы разработкой изделий с использованием в основном SMD (поверхностно монтируемых) компонентов, поэтому и использование этой элементной базы для меня более привычно. Выбор резисторов с точностью 1% объясняется получением идентичности характеристик левого и правого каналов.

Потребление тока от источника питания +30В не превышает +10мА, а от источника -30В не превышает 3мА.
Сетевой трансформатор м.б. с допустимой мощностью от 1 ВА.

Транзистор MJE340 имеет допустимое напряжение Uкб=300 В и отличные характеристики при малых (до 10мА) токах коллектора. Т.к. на нем может выделяться мощность, которую он без теплоотвода рассеять не может, то небольшой радиатор ему нужен обязательно!

Цепь фиксированного смещения рассчитана для ламп 6П3С и позволяет устанавливать напряжение от −10 В до −25 В при питающем напряжении −30 В.
При использовании других ламп, например, 6П14П, имеющих другое значение напряжения смещения, удобнее изменить напряжение питания цепей смещения изменением номинала резистора R7 – уменьшить примерно в 2 раза.
В любом случае напряжение смещения подстроечными резисторами можно изменять в диапазоне от 1/3 до 5/6 питающего напряжения.

Тип конденсатора С5, С7 какой кто пожелает, можно даже алюминиевый электролитический ставить или танталовый. Во всяком случае, на выходе звуковых карт большинства производителей именно такие конденсаторы и стоят.

Движок регулятора громкости (на схеме не показан) по переменному току нагружен резистором R12||R13 ≈0,5*R_{громкости}. Номиналы R12, R13 и соответственно R20, R21 рассчитаны для регулятора громкости с сопротивлением 100 кОм.

Такое включение обеспечивает регулировочную характеристику коэффициента передачи от угла поворота движка, приближающуюся к квадратичной (см. рисунок 5), что обеспечивает линейное изменение выходной мощности от угла поворота.
А больше ничего особенного в схеме и нет.

↑ Печатная плата для драйвера

Была разработана печатная плата для этой схемы драйвера. У меня все детальки разместились на куске одностороннего стеклотекстолита размерами 100*60 мм. Обошлось всего одной перемычкой. Трассировку сделал в Sprint-Layout 6.0. Отличия от схемы в трансформаторе питания: развел под то, что нашлось в закромах, от старого-старого бесперебойника 90-х годов.

Можно обойтись и без трансформатора, если на основном силовом трансформаторе питания есть свободная обмотка напряжением 25-35 Вольт.

↑ Часть третья, практическая

Изготовил я методом ЛУТ плату, подобрал комплектацию, спаял плату, промыл изопропиловым спиртом, залакировал акриловым лаком из аэрозольного баллончика. Фото того что получилось:

А включать то и смысла нет! Получилась вещь в себе, т.е. сама по себе ничего не стоит. Пришлось сначала на макете, а потом и в корпусе собрать оконечный каскад однотактного лампового усилителя мощности. Использовал лампы 6П3С, купленные у китайцев выходные SE трансформаторы (3,5 кОм первичка, 4,8 Ом и 16 Ом вторичка, 60 мА рабочий ток и около 9 см² площадь центрального стержня).

Для организации питания использовал трансформатор ТС180-2.
Схема анодного питания с удвоением напряжения, стабилизированная, с применением электронного дросселя. Выходное (анодное) напряжение выставил порядка 330 В. Прототип схемы анодного питания показан на рисунке. Реальная схема очень мало отличается от приведенной.


Причины, почему была выбрана схема стабилизированного источника анодного питания, у меня имеются, однако, это отдельная тема. Фотографии платы источника анодного напряжения показаны ниже.


Схема (некий общий вид), по которой собран усилитель (один канал), приведена на рисунке:

Источники питания драйверной части (+30 В), анодного питания (+330 В) и цепи фиксированного смещения первой сетки выходной лампы на этой схеме показаны условно.

В схему драйвера в процессе отладки введен фильтр нижних частот на 150 кГц (элементы R4 и C3). Конструктивно для этого пришлось на плате сделать два реза в цепях неинвертирующих входов ОУ, припаять в разрез резисторы 100 кОм и припаять пару конденсаторов.

Собрал, включил, работает. При отладке обнаружил, что мне едва-едва хватает регулировки напряжения смещения: ток 55 мА устанавливался при напряжении 23-24 В. Или лампы до попадания в мой усилитель где-то поработали, или анодное напряжение высокое, пока этим вопросом не занимался.

При вытащенных лампах, размах напряжения возбуждения практически достигает напряжения питания, т.е. от 30 В до 330 В.

↑ Ещё фото усилителя в процессе

↑ Перспективы

Я в выходном каскаде применил пентод (тетрод), поэтому и ООС параллельная прямо с анода на сетку. Получилось случайно включить без нагрузки. Слава обратной связи! Трансформатор остался цел, тетрод работает наподобие триода. Можно использовать триод, напряжения возбуждения вполне хватит. И в схему с триодом легко вводится ООС с выхода трансформатора через резистор на инвертирующий вход ОУ. Глубина ООС может быть совсем небольшой или наоборот, кому как нравится.

«Мышиная возня» с выставкой анодного тока навела на мысль сделать схему автоматического поддержания анодного (катодного) тока. Можно будет не заботиться о дополнительных регулировках при смене ламп.
Схему прикинул, вроде есть смысл. Спаяю, проверю, при удаче отпишусь.

↑ Файлы

Файл платы драйвера в Sprint Layout: 🎁drayver_datagor.ru.7z  34.01 Kb ⇣ 42
Список элементов: 🎁bom-bp-datagor.ru.7z  9.69 Kb ⇣ 32

Кажется всё! Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации