» » » Драйвер на ОУ для лампового усилителя. Строим гибридный однотактник

 
 
 
4

Драйвер на ОУ для лампового усилителя. Строим гибридный однотактник

Разместил dsarotor 4 июля 2017. Просмотров: 1 809

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.

Рис. 1

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.

Рис. 2

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.
Покажем полезность использования ООС на примере лучевого тетрода 6П3С. Данные по нему взяты из книги авторов М.Д. Гуревич и М.Д. Гуревич «Электровакуумные приборы» военного издательства Министерства обороны Союза ССР 1955г.
Драйвер на ОУ для лампового усилителя. Строим гибридный однотактник

Пусть имеется выходной трансформатор SE с приведенным сопротивлением первичной обмотки 3,5 кОм. Учитывая, что оптимальным с точки зрения искажений, является выполнение соотношения Ra/Ri = 3 – 4 мы можем определить, что необходим усилительный каскад на пентоде с выходным сопротивлением Ri = Ra /(3 - 4), т.е. 3,5/(3 – 4) = (1,17 – 0,875) кОм.
Такие значения внутреннего сопротивления лампы характерны для достаточно мощных триодов. Из (1) зная S (у нас S = 6 мА/В) определяем необходимый µос = Ri*S = (1,17 – 0,875)*6 = (7 – 5,25). Требуемый коэффициент обратной связи β = (µ/µос – 1)/µ = (135/(7 – 5,25) – 1)/135 = 0,135 – 0,183. Учитывая (3) и принимая, например, R1 = 33кОм, получаем для β=0,135 значение R2= 210кОм и для β=0,183 значение R2=147кОм.

Таким образом, варьируя значение R2 от 150кОм до 220кОм, можно менять глубину ООС от 28дБ до 25дБ, при этом выходное сопротивление каскада меняется от 0,875кОм до 1,17кОм.
Это дает возможность произвести настройку выходного каскада или на минимум искажений или на максимум выходной мощности.


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.

Рис. 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.

Однако возникает вопрос, а каким выбрать этот самый коэффициент К? Лично я поступаю следующим образом: задаюсь анодным напряжением лампы выходного каскада. Исходя из допустимой мощности на аноде, определяю ток анода Iа=Pа/Uа. Зная крутизну S лампы (размерность мА/В), определяю амплитуду напряжения на первой сетке, при которой ток анода становится равным нулю, т.е. Uc=Ia/S. Очевидно, что иметь бОльшую амплитуду напряжения возбуждения на первой сетке не имеет смысла, лампа уже заперта.

С 6П3С имеем: при Ua=350В и Ра=20Вт Ia=20/350 = 57мA. следовательно, Uc=9,5В. Но т.к. выходной каскад у нас охвачен ООС, которая приводит к уменьшению напряжения возбуждения каскада обратно пропорционально глубине обратной связи β, то в итоге имеем, что, драйвер для данного примера, не подключенный к выходному каскаду, должен обеспечить амплитуду напряжения на Rн равную Uдр=Uс/β = 9,5/(0,135 – 0,183) = (70 – 50)В. Надо заметить, что это предельный случай (недопустимо большие нелинейные искажения) и амплитуда напряжения, которую должен обеспечить драйвер на Rн при отключенной цепи ООС (практически при вынутой лампе) может быть на 50% меньше. Однако, как первое приближение, сойдет.

Таким образом, требуемый коэффициент усиления драйверного каскада должен составлять: К = U(Rн)/Uвх = Rн/R5. И в нашем случае К =(70 – 50)/(2*1,41) = (24,7 - 17,7). Примем К=20, тогда при Rн=33кОм значение R5=1,6кОм.


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.

Рис. 4


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*Rгромкости. Номиналы R12, R13 и соответственно R20, R21 рассчитаны для регулятора громкости с сопротивлением 100 кОм.

Рис. 5

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

Скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается!
(народная мудрость
)

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 | Файл 34,01 Kb загружен 10 раз.
Список элементов: bom-bp-datagor.ru.7z | Файл 9,69 Kb загружен 5 раз.

Кажется всё! Спасибо за внимание!
Сергей (dsarotor)
г. Челябинск
Профиль dsarotor
1958 г.р. Всю сознательную жизнь по долгу службы проектирую какую-нибудь электронику.
Нравится! Особенно когда начинает работать не в принципе, а в корпусе.
 

Понравилось? Палец вверх!

  • всего лайков: 43

Поделись с друзьями!

Связанные материалы:


Схема на Датагоре. Новая статья Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 3. Двухполярное питание... Здравствуйте, уважаемые читатели! Этим небольшим, но полезным дополнением я продолжаю тему,...
Схема на Датагоре. Новая статья Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 2... Привет! Продолжаем тему, поднятую в моей статье «Входной буфер и регулятор уровня громкости...
Схема на Датагоре. Новая статья Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 1... В усилителях мощности звуковой частоты (УМЗЧ), выполненных по схеме инвертирующего усилителя...
Схема на Датагоре. Новая статья Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда в выходном каскаде УМЗЧ... Не мечтай, действуй! Особенность построения УМЗЧ настоящего проекта заключается в том, что его...
Схема на Датагоре. Новая статья Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН... Не мечтай, действуй! Незабываемый кадр из незабываемого фильма. Сейчас Марти МакФлай вжарит!!!...
Схема на Датагоре. Новая статья Микроконтроллерный регулятор мощности на Atmega16... На фото представлен действующий макет регулятора мощности, схема которого (с небольшими...
Схема на Датагоре. Новая статья Усилитель SE 6Н6П+6С33С... Представляю на ваш суд статью о сборке лампового SE усилителя на очень красивой лампе 6C33C. Это...
Схема на Датагоре. Новая статья Блок питания с защитой по току для наладки усилителей и пр. радиоконструкций... Нередко при ремонте или создании нового усилителя возникает проблема безопасной проверки его...
Схема на Датагоре. Новая статья Реальный безтрансформаторный ламповый усилитель для низкоомных наушников по мотивам «Лаконика»... Безтрансформаторный ламповый усилитель для головных телефонов с максимальной возможностью...
Схема на Датагоре. Новая статья Сумматор каналов на ОУ. Теория и практика.... Не раз обращал внимание на то, что радиолюбители применяют в своих схемных решениях неоправданно...
Схема на Датагоре. Новая статья Операционные усилители. Ч.2 Активные фильтры... Источник: Радиокот.ру Вторая часть статьи про ОУ для начинающих. Итак, в первой части мы...
Схема на Датагоре. Новая статья Операционные усилители. Ч.1 Теория, типовые включения... Источник: Радиокот.ру Представляю вашему вниманию статью про операционные усилители (ОУ). Надеюсь...
<
  • Кандидат
5 июля 2017 09:54

Валерий / VAK

Цитата
  • С нами с 25.01.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 комментарий
  • 0 публикаций
 
  • 0
Как звучит "Покемон" я знаю (спасибо Автору за конструкцию). Сергей, а каков получился звук в Вашем варианте?
Валерий.

<
  • Бонус
5 июля 2017 15:15

Сергей / dsarotor

Цитата
  • С нами с 5.08.2016
  • На сайте Пользователь Онлайн
  • 5 комментариев
  • 6 публикаций
 
  • +1
мне трудно оценить звучание. в силу возраста (58г.р.) уже несколько туповатый слух. и особо сравнивать не с чем. однако могу сказать, что детализация неплохая, стереопанорама присутствует, фона нет вообще. звучание мне нравится, причем чем лучше качество источника сигнала, тем больше нравится! многое зависит от ЦАПа. мне хороший еще не попадался, видимо средств не хватает! ни один (из имеющихся у меня) не может по человечески воспроизвести меандр 1кГц. осциллографом смотришь, а там волна.
собираюсь все-таки в ближайшее обозримое время довести конструкцию до ума. ржавчину убрать, покрасить и т.п. и провести объективные измерения (полоса, неравномерность, мощность).
да и честно говоря, цель была сделать драйвер а не усилитель, и это моя первая ламповая конструкция после 75 года (всего три). когда закончу "марафет" наводить можно и послушать (если кто в Челябинске живет или поблизости), не жалко.

<
  • Бонус
5 июля 2017 21:05

Сергей / dsarotor

Цитата
  • С нами с 5.08.2016
  • На сайте Пользователь Онлайн
  • 5 комментариев
  • 6 публикаций
 
  • 0
Ещё раз здравствуйте! обратная связь мобилизует. Пришел домой, зарядил фотоаппарат и сделал несколько снимков аппарата, в виде, как он есть сейчас. Выкладываю.







<
  • Главный редактор
6 июля 2017 14:21

Игорь Петрович Котов / Datagor

Цитата
  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 676 комментариев
  • 264 публикации
 
  • 0
Цитата: dsarotor
что-то с фото не то. еще тот пользователь ПК!

Сергей, пришлите остальные фотки мне на почту или лучше на наш ФТП и просигнальте мне.
Я помогу с размещением.

---
Фотки получил, обработал, добавил в ваш предыдущий комент.
Всё ОК.

Добавление комментария


Налетай! Паяльники, станции, жала с доставкой
  • smilelolbyewinkyahoocoollaughing
    crazybadcryingsadirefulsickstraight
    ballooncakegooddrinksmailbombsun
    nightrainstarscolddashguitar-manhandshake
    musicnegativenopardonshoksleepunknown
    wackoyawnblushbullyhashsmokingwhew
Скопируйте текст вашего комментария на случай неверного ответа на контрольный вопрос.