Почти Hi-Fi или усилитель на ТАНах. Часть 3

Автор: Sobiratel_sxem, sobiratel_sxem@mail.ru
Опубликовано 20.05.2015
Создано при помощи КотоРед.

     Доброго времени суток, уважаемые читатели.

     Закончив написание предыдущей статьи: «Усилитель на ТАНах. Часть 2» я хотел поставить точку на данных экспериментах, ведь вывод был уже практически очевидным, но в воздухе что-то витало и не давало мне покоя, оставалась какая-то недосказанность... Хотелось создать на основе полученных экспериментов простой для повторения и в то же время приемлемый по параметрам усилитель. Так и было принято решение написать данную статью... Итак, пожалуй, начнём.
     Исходный вариант усилителя представлен на схеме ниже.

     Рассмотрим его подробнее.

     Сигнал с выхода Вашего аудиоустройства, через разделительные конденсаторы С1, С2 поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора, выполненного на двойном триоде Ла1 [1]. Плечи данного фазоинвертора (ФИ) представляют собой 2 независимых каскада с общим катодом (ОК) т.к. благодаря применению шунтирующих конденсаторов С7-С9 в катодной цепи ФИ связь через общий катодный резистор R9 по переменному току отсутствует. Нагрузкой данного фазоинвертора являются резисторы R3, R7. С них и снимается полезный усиленный сигнал. Не будем рассматривать подробнее принцип работы данного ФИ т.к. он является классическим и рассматривался мной в предыдущей статье [2] и множестве других источников[3].
     С выхода предварительного усилителя-фазоинвертора усиленный сигнал, через конденсаторы С10-С13 поступает на вход выходного каскада усилителя, выполненного на генераторном лучевом двойном тетроде Ла2 [4]. Так как на момент изготовления данного усилителя была в наличии всего 1 лампа ГУ-32 было решено включить её в выходном каскаде в тетродном режиме с фиксированным смещением. Тетродный режим работы задаётся резистором R16 и конденсатором С14. Данная цепочка так же выполняет роль дополнительного фильтра напряжения питания второй сетки радиолампы Ла2.
     Отрицательное напряжение смещения подаётся от дополнительного источника питания через резисторы R11, R12, R14, R15 на первые сетки тетродов выходного каскада с дополнительного источника питания.
     Так как в применяемом мной трансформаторе Tr2 имелась обмотка 17 вольт, то было решено использовать схему с удвоением напряжения. Удвоитель напряжения реализован на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С15, С16. Если у Вас имеется обмотка 50-70 вольт, то удвоитель из схемы можно исключить, заменив его на мостовой выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром. При этом можно применить так же стабилизацию отрицательного напряжения смещения, что несколько повысит стабильность параметров усилителя.
     Для питания усилителя применён тот же самый источник питания, что и во всех предыдущих конструкциях. Описывать его подробно нет необходимости т.к. это уже делалось многократно в предыдущих статьях (1, 2).
     Остановимся только на трансформаторе Tr2. В качестве трансформатора Tr2 подойдёт любой трансформатор с напряжение вторичной обмотки (II) 230-250 вольт, током не менее 0,5 А; напряжением вторичной обмотки (III) 6,3-7 вольт, током не менее 3,5 А; напряжением вторичной обмотки (IV) 17-25 вольт, током не менее 50 мА.
     Резисторы R10, R13 выполняют роль отрицательной обратной связи (ООС).
     В качестве конденсатора С8 использован конденсатор epcos серии B41858 [5].
     В усилителе применено блокирование переходных и катодных конденсаторов конденсаторами малой ёмкости. Как известно, по постоянному току данные конденсаторы представляют собой конденсатор, с ёмкостью равной суммарной ёмкости всех включённых параллельно конденсаторов и работают как один конденсатор. Но по переменному току картина немного иная, для протекания переменного тока существует путь через каждый конденсатор в отдельности. Более высокие частоты лучше «проходят» через более низкую ёмкость, а более низкие через более бОльшую ёмкость. Таким образом параллельное включение конденсатора большой и малой ёмкости позволяет частично исключить завал частот на краях полосы пропускания, а так же исключить влияние самих конденсаторов на АЧХ усилителя. Кроме того, подобное включение уменьшает так называемое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, ESR), что так же положительно сказывается на звуке. При выборе блокирующих и переходных конденсаторов следует особое внимание уделять на их качество и ток утечки. Кроме того тип конденсатора напрямую влияет на оттенок звучания усилителя.
     Данный принцип включения обычно используется для организации простейших емкостных фильтров питания, особенно в цепях, где присутствуют высокочастотные наводки, кроме основной частоты сети и хорошо себя показал. Почему данное включение используют очень редко в усилителях остаётся вопросом, учитывая цену на расхваливаемые дорогие аудио конденсаторы, если практически такого же результата можно добиться на порядки меньшими затратами…
     В качестве выходного трансформатора Tr1 применён трансформатор ТАН-13-127/220-50. Соединение обмоток трансформатора указано на схеме.
     Все остальные применяемые детали указаны на схеме.
     Настройка данного усилителя очень проста. Перед включением усилителя необходимо выставить максимальное отрицательное напряжение смещения. После этого включаем усилитель, даём ему прогреться 5-10 минут. После чего подбором резистора R9 выставляем напряжение на аноде одного из плеч равное 150 Вольт. При этом разность напряжений на анодах Ла1 не должна превышать 5-8 вольт. В противном случае следует подобрать лампу Ла1 с меньшим разбросом параметров половинок. После настройки усилителя-фазоинвертора переходим к настройке выходного каскада. Для его настройки попеременной подстройкой резисторами R12, R15 выставляем ток каждого анода выходного тетрода Ла2 равным 20 мА. Затем резистором R5 производят балансировку ФИ по наименьшему уровню 2 гармоники или на слух по наименьшему уровню искажений. Для настройки можно воспользоваться осциллографом, для этого по осциллографу нужно выставить такое положение движка резистора R5 в котором отрицательная и положительная полуволны сигнала будут усиливаться одинаково, т.е. будут равны по амплитуде на выходе. Это будет соответствовать наименьшему уровню 2 гармоники. На этом настройку можно считать законченной.
     Правильно собранный и настроенный усилитель начинает работать сразу. Выходная мощность данного усилителя равна 6 Вт, чувствительность около 500-550 мВ действующего значения напряжения на входе.
     На фото ниже представлена АЧХ данного усилителя при выходной мощности равной 6 Вт.

     По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ составляет от 36 Гц до 19.5 кГц. На фото далее представлен спектр сигнала на выходе при выходной мощности равной 6 Вт.

     Уровень 2 гармоники составляет -56.8 дБ, уровень 3 гармоники около -35 дБ. Как видно из спектра, уровень 3 гармоники относительно высок.
     После испытаний исходного усилителя, замера его параметров было принято решение уменьшить номиналы резисторов ООС R10, R13 до 470 кОм. На фото ниже представлена АЧХ усилителя после уменьшения резисторов R10, R13 при выходной мощности 6 Вт.

     По АЧХ видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ расширилась и составляет от 34 Гц до 20.3 кГц.На фото ниже представлен спектр выходного сигнала при выходной мощности равной 6 Вт. По спектру видно, что уровень 2 гармоники уменьшился, и составляет -71.2 дБ, уровень 3 гармоники не изменился и примерно оставляет -35 дБ.

     Как известно, чётные гармоники на выходном трансформаторе вычитаются и при правильной балансировке усилителя практически отсутствуют. Нечётные же гармоники наоборот складываются на выходном трансформаторе. Балансировка усилителя не оказывает на них практически никакого влияния. Основной причиной появления нечётных гармоник является отличие формы синусоиды на выходе от входной. Это может быть по нескольким основным причинам:

1) Предыдущий каскад (драйверный, фазоинверсный) по току покоя не раскачивает емкостную составляющую следующего каскада (фильтр, образованный переходным конденсатором и резистором утечки + ёмкость Миллера следующего каскада).
2) Каскады усилителя работают в нелинейной области анодных характеристик.
3) Разброс параметров ламп (половинок ламп), веерность характеристик. Больше страшна не сама по себе веерность, а её различие в лампах (половинках ламп) противоположных плеч усилителя.
4) Резонансные явления в усилителе.
5) Возбуждение усилителя на СВЧ, а так же нахождение на пороге возбуждения.

     В связи с выше озвученным фактами были приняты дальнейшие меры по модернизации исходного усилителя и повышению его качества звучания.

     Для надёжного раскачивания фазоинвертором следующего каскада было принято решение повысить его ток покоя, а заодно и перейти в более линейную область анодных характеристик, благо радиолампа Ла1 это позволяет. Для этого резисторы R3, R7 следует уменьшить до 20 кОм. Далее резистором R9 нужно выставить на аноде одного из плеч ФИ напряжение равное 140 Вольт. Для уменьшения оптимального приведённого сопротивления Raa в выходном каскаде и перехода в более линейную рабочую область анодных характеристик выходного лучевого тетрода Ла2 на максимуме рассеиваемой анодами мощности выходной трансформатор нужно соединить так, как указано на схеме ниже.

     После этого нужно выставить токи анодов Ла2 так, как это было описано ранее.

     На фото ACH_3_500 представлена АЧХ усилителя после произведённой модернизации и выходной мощности 6 Вт.

     Как видно по АЧХ полоса усилителя по уровню -3 дБ расширилась вверх ещё сильнее (при небольшом уменьшении снизу) и в данном варианте она составляет от 39 Гц до 22.5 кГц.

     Далее представлен спектр сигнала на выходе при выходной мощности равной 6 Вт.

     Уровень 2 гармоники в данном варианте усилителя составляет -64.8 дБ, что немного выше, чем в предыдущем, но уровень 3 гармоники значительно уменьшился и составляет -43.4 дБ, что на 8 дБ меньше. Следовательно, проведённая модернизация дала свои положительные результаты.
     На фото ниже приведена АЧХ данного усилителя при выходной мощности равной 3 Вт.

     Как видно из АЧХ, полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ составляет от 35 Гц до 29.5 кГц с небольшим подъёмом средних и высоких частот звукового диапазона. А на этом фото приведён спектр выходного сигнала при выходной мощности равной 3 Вт.

     Уровень второй гармоники составляет -66.4 дБ, а третьей -47.6 дБ.
     После замеров АЧХ и спектров сигнала на выходе было проведено исследование усилителя на интермодуляционные искажения в разных режимах.
     Для начала на вход усилителя были поданы сигналы с частотами 1 и 2 кГц уровнем 300 мВ действующего значения каждой частоты. Форма сигнала на выходе усилителя представлена на следующем фото.

     При этом спектр на выходе будет вот таким.

     Далее было проведено ещё 3 эксперимента, были поданы сигналы с частотами 1,3,5,7,9 кГц с уровнем 100 мВ каждой частот. Фото формы сигнала на выходе и спектра прилагаю ниже.

     Сигналы с частотами 2,4,6,8,10 кГц с уровнем 100 мВ каждой частоты.

     Сигналы с частотами 2,4,6 кГц с уровнем 150 мВ каждой частоты.

     По спектрам видно, что в выходном сигнале нет ни одной компоненты интермодуляции уровнем более -35 дБ, что является, я считаю, неплохим результатом для данного усилителя.
     Далее на вход усилителя был подан прямоугольный сигнал частотой 1 кГц с уровнем равным 500 мВ действующего значения. Форма сигнала на выходе усилителя представлена на рисунке ниже.

     Как видно из рисунка на прямоугольном импульсе на выходе усилителя имеется выброс, а так же скос полки сигнала. Это свидетельствует о том что на АЧХ усилителя имеются локальные подъёмы и спады АЧХ, а так же о том, что на краях усиливаемого диапазона АЧХ имеет крутой спад, что подтверждается вышеприведёнными АЧХ. Но для нас это сейчас не самое главное. Если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что первым выбросом процесс не заканчивается, за ним следует череда затухающих по амплитуде выбросов. Это свидетельствует о том, что в усилителе происходят резонансные явления на некоторых частотах. Единственным резонансным звеном в данном усилителе является выходной трансформатор.
     Для борьбы с данным явлением выходной трансформатор следует включить так, как показано на схеме далее.

      Подобное включение демпфирующих цепочек позволит побороть данное явление, хотя и уменьшит верхнюю границу полосы пропускания усилителя на 1-1.5 кГц. Кроме того это позволит немного уменьшить локальный подъём АЧХ в области высоких частот звукового диапазона.
     На этом модернизации усилителя можно закончить. Таким образом, если подвести итог, то конечный усилитель от исходного отличаются следующим образом:

1) Резисторы R3, R7 составляют 20 кОм, а резистором R9 нужно выставить напряжение на аноде равное 140 Вольт.
2) Резисторы ООС R10, R13 составляют 470 кОм.
3) Выходной трансформатор следует подключить по схеме 3.

     Для ещё большего уменьшения уровня 3 гармоники (и вообще нечётных гармоник) следует подобрать лампы с более близкими друг к другу анодными характеристиками. После этого, если уровень 3 гармоники находится ниже -50…-55 дБ, следует поднять разбалансировкой уровень 2 гармоники на 3-4 дБ выше уровня 3 гармоники при выходной мощности равной 6 Вт. Таким образом мы получим более благозвучный классический спадающий спектр гармоник и проявится эффект маскировки нечётных гармоник чётными. Но как показал опыт и множество экспериментов, при таких низких уровнях гармоник лишь единицы людей смогут отличить разницу в звучании, поэтому, в принципе, балансировку конечного варианта усилителя можно производить аналогично исходному.
     Хорошо себя показали в данной конструкции лампы ГМИ-6 (ГИ-30) в качестве выходных. Для их использования следует соединить вместе выводы 21 и 24, вместо 20 и 23 для подключения акустической системы.
     Для замера параметров усилителя в качестве эквивалента нагрузки использовался проволочный резистор сопротивлением 4 Ома.
В качестве акустической системы для прослушивания была использована акустика ВЕГА 25АС-109-2. Колонки подключаются синфазно и параллельно, т.е. суммарное сопротивление акустики равно 4 Омам. При прослушивании следует учитывать, что данная акустика является псевдо стерео системой и для неё критична расстановка каналов относительно друг друга и слушателя. При неправильной расстановке получить адекватные результаты практически невозможно.
     Второй акустической системой для прослушивания усилителя стала акустическая система S-30 (4 Омная). Каналы данной акустической системы соединяются так же параллельно и синфазно + последовательно добавляется резистор 2 Ома. Для получения суммарного сопротивления равного 4 Омам.
     Субъективно звучание данного усилителя чистое, на слух не проявляются посторонние шорохи, уровня НЧ вполне достаточно, искажений на слух так же не замечено.

     На этом на сегодня всё, спасибо что прочли статью до конца. До новых встреч. С уважением, Андрей Савченко.

     P.S. Почему статья названа именно так? Всё просто, целью ставилось создание относительно не сложного и качественного усилителя, который мог бы быть повторён любым желающим в домашних условиях. Я считаю, что данная цель была достигнута в полном объёме. Если в данном усилителе применить более качественный выходной трансформатор, хотя бы, скажем ТАН-69, то данный усилитель вполне вмещается по параметрам в спецификацию Hi-Fi усилителей. Данный усилитель вполне можно было бы назвать и Hi-End, но я этого никогда не сделаю по одной простой причине – Hi-End в отличие от Hi-Fi никак и никем не стандартизован вообще, и не подчиняется каким либо техническим критериям оценки, кроме субъективного мнения людей участвующих в прослушке. Поэтому данным термином можно называть всё что вздумается с любыми техническими параметрами. Именно по той причине, часто за надписями Hi-End можно встретить не совсем уж и качественный усилитель, да и к тому же не звучащий, маркетинг да и только, а там действуют свои уже законы…

     P.P.S. Кстати, лампы ГМИ-6, ГИ-30, ГУ-32 тоже светятся в темноте пока новые, но относительно не долго. У меня ГУ-32 светилась суммарно около 200-250 часов всего. Свечение ГУ-32 показано далее.

      А тут с выдержкой 1.5 секунды.

     Список использованной литературы

1) Параметры 6Н23П
2) Усилитель на ТАНах. Часть 2.
3) Н. Трошкин. Журнал Class A, апрель 1997 г., стр. 16-21.
4) Параметры ГУ-32. Справочник: Электровакуумные приборы, А.М. Бройде, стр. 315-317, госэнергоиздат, 1956 год.
5) Параметры конденсаторов epcos серии B41858

Все вопросы в Форум.