Режимы работы выходных каскадов ламповых усилителей
Схемотехника ламповых усилителей обманчиво проста. Каждый каскад состоит всего из нескольких компонентов: собственно лампы, двух-трёх-четырёх резисторов и пары-тройки конденсаторов. Выходной каскад лампового усилителя может быть однотактным (SE) и двухтактным (PP) и обычно содержит трансформатор.
В этой публикации мы рассмотрим особенности работы однотактных и двухтактных выходных каскадов, узнаем о режимах работы ламп и обсудим применение мощных триодов в однотактных выходных каскадах ламповых усилителей.
Чтобы заложить основу для понимания процессов, протекающих в выходных каскадах ламповых усилителей, обратимся к хрестоматийной схеме школьного радиоузла, которая выдержала пять переизданий в книге В. Борисова «Юный радиолюбитель». Впервые конструкция была опубликована в первом издании 1951 года, в третьем издании 1959 года в главе, посвящённой усовершенствованию конструкции, была описана переделка однотактного (SE) выходного каскада в двухтактный (PP), в четвёртом (1966) и пятом (1972) изданиях в варианты конструкции введены пальчиковые лампы.
▍ Схема с однотактным выходным каскадом
Проведём анализ схемы школьного радиоузла, в качестве выходных ламп рассмотрим канонические 6П3С. Схемы, описания и графики возьмём из пятого издания, как наиболее проверенные несколькими поколениями радиолюбителей.
Выходной каскад собран по схеме с автоматическим смещением. Напряжение на выводе 3 лампы Л3 (анод) указано +270 В, напряжение на выводе 8 (катод) указано +14,5 В. Эти напряжения измерены относительно общего провода. Относительно же катода получаем напряжение анода UА = 270 — 14,5 = +255 В, а напряжение смещения на управляющей сетке лампы UС = 0 — 14,5 = –14,5 В. Номинал катодного резистора R15 = 200 Ом. Ток через катодный резистор 14,5 / 200 = 72,5 мА. Блокировочный конденсатор C12 служит для предотвращения отрицательной обратной связи по переменному току.
Сравним с паспортными данными лампы 6П3С. При напряжении на аноде и экранной сетке +250 В ток анода лампы 6П3С должен быть в пределах (72 ± 14) мА, а ток экранной сетки не должен превышать значения 8 мА. Рекомендуемое значение напряжения смещения на управляющей сетке — минус 14 В. При токе анода IА = 72 мА и токе экранной сетки IЭ = 8 мА номинал катодного резистора должен быть UС / (IА + IЭ) = 14 / 0,08 = 175 Ом.
Режим работы лампы выходного каскада, в принципе, соответствует указанному в паспорте. Заявленная выходная мощность усилителя — 5 Вт, что тоже соответствует паспортным характеристикам 6П3С. Схема выходного каскада — каноническая однотактная «класса А» на пентоде с автоматическим смещением.
▍ Схема с двухтактным выходным каскадом
Мощности 5 Вт для усилителя радиоузла может быть недостаточно. Поднять выходную мощность предлагается заменой однотактного выходного каскада (SE) на двухтактный (PP). Для этого из исходной схемы исключается выходной каскад, и вместо него подключается одна из схем, приведённых ниже:
Схема стала значительно сложнее: вместо одного каскада на одной лампе теперь включено два каскада на трёх лампах.
На лампе Л1 собрана схема фазоинвертора, преобразующая входной аналоговый сигнал в два выходных противофазных. На «верхнее плечо» выходного двухтактного каскада подаётся сигнал с фазой 0°, а на «нижнее плечо» — сигнал с фазой 180°.
В выходном каскаде теперь две лампы 6П3С. Заявленная выходная мощность усилителя 15–20 Вт. По идее, добавление в выходной каскад второй лампы мощностью 5 Вт дало бы прирост мощности усилителя на эти 5 Вт, т.е. в два раза. Почему выходная мощность выросла в три-четыре раза, разберём позже.
Изменилась конструкция выходного трансформатора: сечение магнитопровода увеличилось, чтобы увеличить габаритную мощность, а первичная обмотка имеет отвод от середины.
Аноды выходных ламп подключены к крайним выводам первичной обмотки, источник анодного напряжения подключён к средней точке. Половины первичной обмотки включены таким образом, чтобы противофазные токи в половинах первичной обмотки вызывали токи одного направления во вторичной обмотке выходного трансформатора. Соответственно, синфазные анодные токи во вторичной обмотке друг из друга вычитаются.
Номинал катодного резистора на схеме — 220 Ом. По постоянному току лампы в двухтактном каскаде включены параллельно, соответственно, через этот резистор протекает значительно больший ток, чем протекал бы через катодный резистор того же номинала в однотактной схеме, следовательно, и модуль напряжения смещения на управляющих сетках рассматриваемого двухтактного каскада будет больше.
▍ Режимы работы усилительного каскада на лампах
Режим работы усилительного каскада на лампах определяется напряжением смещения на управляющей сетке. Наглядней и проще это продемонстрировать на графике анодно-сеточной характеристики триода:
Наибольший интерес на кривой вызывает отрезок между точками «б» и «в». Это линейный участок анодно-сеточной характеристики при отрицательном напряжении на управляющей сетке. Крестиком на кривой отмечена середина этого участка, т.е. «рабочая точка» каскада при работе в режиме A.
Если установить напряжение смещения UС на сетке триода минус 4 В, ток покоя IА будет 4,5 мА. Каскад при таком смещении сможет без искажений усиливать входной сигнал с амплитудой до 4 В. При подаче на вход сигнала с большей амплитудой напряжение на сетке может выходить за пределы линейного участка, что приведёт к нелинейным искажениям.
Нужно отметить, что при положительном потенциале сетки относительно катода между ними возникает т.н. «сеточный ток» IС, что эквивалентно включению диода между управляющей сеткой и катодом. Этот эффект нашёл широкое применение в радиотехнике, но при усилении звука он нежелателен, т.к. вносит в сигнал заметные искажения.
Работа в режиме А, когда напряжение на сетке не выходит за пределы участка «б-в», обеспечивает минимальные искажения, но неэффективна энергетически: лампа в этом режиме работает без «отсечки», через неё всегда протекает ток, и большая часть энергии уходит на нагрев анода. Коэффициент полезного действия усилителей класса А не превышает 25–30%.
Начинаем смещать «рабочую точку» в сторону точки «б». В какой-то момент времени начинается «отсечка» (ток через лампу не течёт) части отрицательной полуволны входного сигнала. Усилитель входит в режим AB. Коэффициент полезного действия в этом режиме — 50–60%.
Однотактный (SE) усилитель при переходе в режим AB начинает вносит в сигнал заметные искажения. Искажения, вносимые в сигнал двухтактным (PP) усилителем в режиме AB, заметны значительно меньше.
Искажения, вносимые в сигнал двухтактным усилителем, становятся заметными при сдвиге «рабочей точки» за точку «б» на графике. В точке «а» усилитель переходит в режим B с «отсечкой» ровно половины синусоиды и коэффициентом полезного действия 80% и выше.
При сдвиге «рабочей точки» левее точки «а» на графике усилитель переходит в режим C с «отсечкой» более половины синусоиды, когда большую часть периода входного сигнала ток через лампу не течёт, и коэффициентом полезного действия 90% и выше.
В усилителях звуковой частоты лампы работают или в «чистом классе А» (независимо от схемы включения), или в режиме AB в двухтактных схемах.
Чтобы понять, почему добавление лампы в двухтактный выходной каскад даёт не удвоение, а утроение, или даже учетверение, выходной мощности, вспомним, что выходной трансформатор суммирует по модулю противофазные анодные токи ламп выходного каскада, что в идеале приводит к удвоению амплитуды выходного тока, что и даёт в итоге выигрыш в 4 раза по мощности даже при работе выходного каскада в режиме A.
При работе двухтактных каскадов в режиме AB есть другая особенность. Разберём её на примере работы выходного двухтактного каскада с характеристиками ламп как на графике выше. Для этого вводим каскад в режим AB, установив напряжение смещения минус 8 В. Каскад теперь может без искажений усиливать входной сигнал с амплитудой до 8 В, т.е. в этом режиме можно подать на выходной каскад напряжение «раскачки» в 8 / 4 = 2 раза больше, что при прочих равных условиях опять приводит к увеличению выходной мощности в 4 раза.
▍ Особенности работы двухтактных схем
Применение двухтактных схем с режимом работы AB даёт значительный прирост выходной мощности при повышении коэффициента полезного действия. Двухтактные схемы имеют меньший по сравнению с однотактными коэффициент нелинейных искажений за счёт лучшего подавления чётных гармоник.
Качество выходного сигнала двухтактных схем с режимом работы AB обеспечивается симметричностью: лампы выходного каскада должны подбираться парами по идентичности характеристик; половины первичной обмотки должны иметь идентичные амплитудно-частотные и фазовые характеристики во всём диапазоне рабочих частот усилителя; каскад фазоинвертора должен обеспечивать точность сдвига фаз во всём амплитудно-частотном диапазоне усилителя.
▍ Особенности работы однотактных схем
Однотактные схемы работают только в режиме A и имеют по сравнению с двухтактными схемами на тех же лампах меньшую выходную мощность при меньшем коэффициенте полезного действия. Спектр выходного сигнала однотактной схемы содержит, помимо прочих, практически равные по уровню, вторую и третью гармоники.
Однотактные схемы не требуют подбора ламп. Конструкция трансформатора для применения в однотактных каскадах гораздо проще. За счёт работы лампы в режиме A магнитопровод выходного трансформатора постоянно подмагничен, что значительно ухудшает его линейность.
▍ Парадокс «триодного звучания»
Необходимость добавления в триод дополнительных сеток была вызвана неустойчивой работой триодов на высоких частотах. Пентоды имеют по сравнению с триодами меньшие межэлектродные ёмкости и гораздо устойчивей работают на радиочастотах. На той же площади анода пентод обеспечивает большую выходную мощность.
По всем паспортным характеристикам применение пентодов, а особенно их разновидности — лучевых тетродов, в выходных каскадах усилителей звуковой частоты предпочтительней. В советской аппаратуре до перехода на полупроводники в выходных каскадах УЗЧ обычно применяли однотактные схемы на лучевом тетроде 6П3С или выходном пентоде 6П14П. На выходе трансляционных усилителей применялись двухтактные каскады на мощных лучевых тетродах Г807 или 6Р3С.
Можно было бы сделать вывод, что пентоды лучше, но оказалось, что есть нюансы…
При переходе на транзисторы был обнаружен эффект «транзисторного звучания». Транзисторные усилители превосходили ламповые по многим параметрам, в частности по коэффициенту нелинейных искажений, но звучали «как-то не так».
Сопоставимый с лучшими транзисторными усилителями коэффициент нелинейных искажений обеспечивали двухтактные выходные каскады с «ультралинейным» включением выходных пентодов. Аутсайдерами по этому параметру в семействе ламповых усилителей традиционно являются триодные «однотактники».
В конечном счёте, эксперты выяснили, что эффект «транзисторного звучания» вызван наличием в спектре выходного сигнала транзисторных усилителей нечётных гармоник. Нечётные гармоники придают звучанию «металлический» окрас.
Затем эксперты пришли к парадоксальному открытию, что однотактный выходной каскад на триоде настолько плох, что чрезвычайно хорош: высокий уровень второй гармоники в спектре триодного «однотактника» маскирует наличие в спектре третьей, т.к. человеческое ухо лучше слышит чётные гармоники. Из-за наличия в спектре чётных гармоник звук кажется мягче и объёмней.
Кроме того, триод в качестве усилителя имеет значительно более узкий частотный диапазон, и в спектре «однотактника» на триоде уровень высших гармоник ниже по сравнению со схемой на пентоде.
Вот так из недостатков и сложились достоинства однотактных схем на триодах.
К несомненным достоинствам однотактных каскадов нужно отнести тот факт, что они не требуют подбора ламп. При изменениях анодного напряжения или потере эмиссии однотактный каскад с автоматическим смещением, скорее всего, так и останется в «чистом классе А».
▍ От автора
Основой моего домашнего аудиокомплекса с 1991 года является ламповый усилитель «Прибой 50УМ-204С» с акустическими системами «Союз 130АС-002».В выходных каскадах усилителя используются двухтактные схемы на мощных лучевых тетродах 6Р3С. Акустические системы подключены к усилителю недорогим акустическим кабелем китайского производства. Все соединительные шнуры — самодельные. Есть коллекция «винила», но обычно я слушаю музыку с CD.
Я очень люблю ламповую технику и меня сильно огорчают беспредметные споры на тему, что лучше «винил» или CD, лампы или транзисторы, триоды или пентоды и т.п. Надеюсь, моя публикация поможет внести какую-то ясность в предметную область и ввести часть этих дискуссий в конструктивное русло.
