Ламповий УМЗЧ початкового рівня

А. Ковальов, м.Тюмень

За багато років техніка звукопідсилення накопичила величезну кількість технічних рішень, що дозволяють отримувати чудові результати, проте не дивлячись ні на що багато конструктори (не тільки радіоаматори, але і серйозні фірми) знову і знову повертаються до джерел – максимально простим з точки зору схемотехніки, але в той же час максимально ефективним рішенням, що дозволяє отримувати якісне звучання. Один з таких напрямків конструювання – побудова УМЗЧ на вакуумних лампах.
УМЗЧ – Підсилювач потужності звукової Частоти

Однак і тут треба віддавати належне – незважаючи на уявну простоту електричних схем, отримати "гідне" звучання вдається не кожному. Але якщо досвідченому радіоаматорові невдача принесе лише ще одну монетку в його скарбничку досвіду, то для початківця дана проблема, будучи його власними силами нерозв'язна, може надовго позбавити його бажання займатися конструюванням. Втім, це вже з області психології … 🙂

До уваги початківців кострукторов пропонується досить простий для повторення, а найголовніше – некапризну і досить якісний ламповий УМЗЧ, в якому використані поширені лампи та деталі, широко застосовувалися в свій час в телевізорах і радіоприймачах.

Підсилювач розроблявся як крайовий (тобто не має у своєму складі ні регуляторів тембру, ні яких-небудь інших вузлів, таких як комутатори, корегує попередні підсилювачі і т.п.) і спочатку призначався для посилення сигналу, яке надходить із звукової плати комп'ютера, однак досить непогані (суб'єктивно) характеристики дозволяють його використовувати і для посилення сигналу з інших, більш "серйозних" джерел (CD-програвач, програвач вінілових дисків, магнітофон і т.п.)

Принципова схема одного каналу підсилювача показана на рис.1

Рис.1 - Схема УМЗЧ

Підсилювач Двохкаскадний. Перший каскад побудований на одній половинці подвійного тріода 6Н3П (VL1) і являє собою класичний каскад підсилювача напруги. Друга половинка лампи використана у другому каналі усіліеля.

Цоколевка лампы 6Н3П
Цокольовка
лампи 6Н3П

На резистора R4, R5, завдяки що протікає через них катодного току, створюється напруга зсуву, що задає режим роботи лампи. Відсутність в ланцюзі катода конденсатора (який зазвичай присутній у промислових конструкціях і включається паралельно катодного резистор) не позбавлене сенсу – це дозволяє отримати в какскаде місцеву ООС, хоча завдяки якій і дещо знижується посилення, але зате підвищується лінійність каскаду. Глибина такий місцевої ООС невелика і визначається співвідношенням величин опорів резисторів R4 і R6. Цей прийом також дозволяє "вбити" і другого зайця – в ланцюг катода дуже зручно подавати напругу загальної ООС, що і зроблено в нашому випадку – сигнал з виходу підсилювача через дільник, утворений резисторами R5 і R4 подається прямо на катод.

Тип лампи і робоча точка вибиралися виходячи з бажань отримати режим на лінійному ділянці ВАХ (вольт-амперної характеристики) лампи, при цьому було б неприпустимо поява сіткового струму (струм в ланцюзі сітки виникає, коли напруга на ній стає позитивним щодо катода, як наслідок, виникають сильні спотворення сигналу) в будь-якому режимі роботи підсилювача, і невелике вихідний опір каскаду при достатньому посилення, що дозволить "не звертати уваги" на паразитні ємності монтажу і лампи, і індуктивності резисторів подальшого каскаду. Але при всьому цьому струм анода повинен бути достатньо малий, щоб забезпечити довговічність лампи. У результаті вибрано опір в ланцюзі анода 47 кОм і анодний струм 3 мА (при регламентіуемом по довіднику струмі анода 8 мА для лампи 6Н3П) – в цій точці ВАХ досить лінійний для вхідного сигналу з розмахом до 3 вольт. Коефіцієнт посилення каскаду по напрузі 16,5.

Другий каскад також не відрізняється оригінальністю – це типовий однотактний каскад, побудований на потужному вихідному пентоде 6П14П (VL2). Катодний резистор R9 задає робочу точку лампи (струм анода 1948 мА, другий сітки 7 мА), а також організує місцеву неглибоку ООС. Резистор в ланцюзі сітки обраний відносно невеликого опору для зниження впливу паразитних ємностей монтажу і струму витоку першої сітки (у ламп взагалі-то завжди є струм витоку в колі першої сітки, навіть коли напруга на ній негативний по відношенню до катода, але найбільш помітний він у потужних ламп. Величина цього струму – порядку декількох мкА. Негативне вплив – "догляд" режиму лампи), але важливо, щоб його опір було значно більше вихідного опору попереднього каскаду.

Лампа другого каскаду навантажена на вихідний трансформатор – він необхідний для узгодження високого вихідного опору лампи (близько 4,5 кОм) з відносно низькоомний навантаженням. Принцип вибору трансформатора для даної конструкції – "дешево і сердито" – були використані трансформатори типу ТВЗ-1-9, що застосовувалися як в телевізорах, так і в деяких радіоприймачах. Можна використовувати й інші типи вихідних звукових трансформаторів, важливо лише, щоб вони були призначені саме для застосування в однотактний вихідних каскадах. Можна навіть поекспериментувати з трансформаторами типу ТВК (застосовувалися у вихідних каскадах кадрової розгортки), проте треба віддавати собі звіт, що вихідний трансформатор – це чи не найголовніша деталь у ламповому підсилювачі – його якість здебільшого і буде визначати якість підсилювача в цілому.

Коефіцієнт передачі вихідного каскаду по напрузі 0,85 (вимірювалося на навантаженні 4 Ом)

На вході підсилювача застосований фільтр, не пропускає нижчі частоти звукового діапазону на вхід підсилювача (приблизно від 40 Гц і нижче). Необхідність у такому фільтрі викликана наступними міркуваннями: а) більшість побутових акустичних систем середнього класу мають нижні робочі частоти від 40 до 60 Гц і в принципі не здатні воспроізвадіть сигнал з частотою нижче даного порогу – подача на акустичну систему сигналу завідомо нижче її мінімальної робочої частоти лише породжує значні додаткові спотворення через зміщення цим сигналом дифузорів гучномовців; б) побутові приміщення відрізняються невеликими розмірами і, як наслідок, на низьких частотах у таких приміщеннях є безліч резонансів, що викликають ефект "бурмотіння" при відтворенні, причому чим менше приміщення, тим більш яскраво виражений цей ефект, тим на більш високих частотах проявляється резонанс; в) зі зменшенням частоти потужність підсилювача, необхідна для відтворення, повинна збільшуватися (це справедливо для всього діапазону частот) – наприклад, якщо для відтворення з нормальною гучністю сигналу частотою 100 Гц достатньо 3 Вт, то для відтворення 50 Гц з такою ж гучністю необхідно вже 12 Вт вихідний потужності підсилювача; г) нижня робоча частота більшості промислових звукових трансформаторів складає 40-50 Гц – на більш низьких частотах трансформатор, також як і акустична система, втрачає ефективність (це відбувається з-за кінцевого значення індуктивності первинної обмотки), а в поєднанні з більшою потужністю більше низькочастотного сигналу також породжує значні спотворення. З урахуванням всього цього, а також того, що вихідна потужність підсилювального однотактного каскаду на лампі 6П14П обмежена величиною 4,5 Вт, і було вирішено використовувати такий фільтр. Звичайно, якщо застосовувати високоякісні трансформатори і акустичні системи, то необхідність у такому фільтрі відпадає. У цьому випадку його можна не монтувати, видаливши для цього R2 і замінивши C2 перемичкою.

Забігаючи вперед, хочеться відзначити, що при порівнянні звучання підсилювача з фільтром і без суб'єктивне перевага завжди віддавалася варіанту підсилювача з фільтром – баси, вопрокі прогнозами, більш "пружні" за рахунок усунення перевантаження вихідного каскаду і значного зниження "бурмотіння" приміщення.

Рис.2 - Блок питания УМЗЧ

Блок живлення підсилювача досить простий – він представляє собою трансформатор, також узятий від старого лампового телевізора, з випрямлячем анодної напруги (рис.2). Ємність конденсатора фільтра C7 обрана відносно невеликий – це викликано бажанням зменшити піковий струм через діоди випрямляча (не секрет, що діоди випрямляча, що працює на ємнісні навантаження, відкриті тільки на малому проміжку часу в порівнянні з тривалістю напівперіод, і в цей час через них тече струм, що значно перевищує середній, споживаний навантаженням). Але так як на невеликій ємності пульсації напруги досить істотні, в підсилювачі (рис.1) застосований фільтр R10 C5, де ємність C5 може бути вже досить великий, щоб ефективно їх придушувати. Перший каскад також харчується через такий же фільтр R7 C3, який додатково захищає його від пульсацій напруги живлення, викликаних роботою другого каскаду.

Ланцюжок R11-R14 (рис.1) одна спільна для обох каналів підсилювача і призначена для створення позитивного потенціалу ланцюга розжарення щодо катодів ламп. Це необхідно для зниження фону змінного струму – сильно нагріта нитка напруження і катод утворюють деяку подобу вакуумного діода, і якщо на катоді щодо нитки напруження буде в якісь моменти часу позитивне напруга, від нитки розжарення до катода потече невеликий струм. Цей струм буде текти і через катодні резистори, викликаючи на них падіння напруги, яка потім буде посилено усіма подальшими каскадами точно також, як і корисний сигнал.

Послідовно включені R11 і R12 виконують ще одну функцію – через них розряджаються ємності фільтрів живлення при вимкненні підсилювача.

Сумарний струм, споживаний розпалили ламп, становить 1,85 А. Накальная обмотка трансформатора повинна бути розрахована на такий (або більший) струм, в іншому випадку може статися перегрів накальной обмотки трансформатора.

Конструкція та деталі . Обидва канали підсилювача, крім блоку живлення, цілком змонтовані на одній друкованій платі ( рис.3 ). Так як лампи розсіюють досить багато тепла, прагнути отримати високу щільність монтажу немає сенсу. З цієї ж причини в якості матеріалу для друкованої плати бажано застосувати фольгований склотекстоліт – цей матеріал більш температуростоек, ніж текстоліт або гетинакс, і при нагріванні не деформується, що часто трапляється з платами на основі гетинаксу.

Резистори можуть бути типів ПС або МЛТ. R1-R5, R13 і R14 можуть бути будь-якої потужності (друкована плата розрахована на встановлення резисторів типу ПС-0, 5 і МЛТ-0, 5), R6, R7, R8, R11 і R12 краще взяти потужністю не менше 0,5 Вт (для R7 і R8 це обумовлено не стільки розсіюваною на них потужністю, скільки можливістю "прострілу" між витками нарізки в момент подачі живлення на підсилювач). R9 повинен бути потужністю не менше 1 Вт, R10 – 2 Вт R10 найкраще взяти дротяний – також з-за можливого пробою в момент включення, але в край випадку підійде і МЛТ-2.

Опору резисторів R1, R11-R14 можуть значно відрізнятися від зображених на схемі: R1 може бути від 100 кОм до 1 МОм; R13, R14 від 1 до 100 кОм, але бажано однакового опору; опір R11 може варіюватися від 100 до 470 кОм, причому опір R12 повинно бути в 5-15 разів менше опору R11. R7 може бути від 2 до 8,2 кОм. Опір R10 збільшувати не варто, але можна застосовувати будь-які резистори в діапазоні від 100 до 220 Ом. Також може варіюватися і опір R6 – від 22 до 75 кОм, однак при цьому потрібно врахувати, що при збільшенні опору R6 необхідно збільшувати і опір R4, в результаті чого кілька зміниться глибина зворотних зв'язків, а отже зміниться чутливість підсилювача. Для встановлення потрібної чутливості потрібно буде підібрати опір R5. Опір R9 змінювати не варто – лише в крайньому випадку можна встановити резистор опором 130 Ом.

На друкованій платі передбачено два місця для резистора R12 (на монтажній схемі позначено як R12 "), підключені паралельно, тому як R12 можна використовувати і два резистора з опором великим номінального.

Резистори R4, R5 і R9 для обох каналів не завадить підібрати попарно з найбільш близькими значеннями опору – це полегшить настройку підсилювача.

Конденсатори C1, C2 та C4 плівкові. C1 і C2 типу К73-9, C4 – К73-17. Ємність C4 може бути від 0,47 до 1,5 мкФ. Робоча напруга конденсаторів C1 і C2 не критично (застосовані конденсатори з напругою 100 В), напруга конденсатора C4 повинно бути не менше 250 В. Можна застосувати й інші типи конденсаторів, однак при цьому потрібно врахувати, що наприклад металопаперові або слюдяні конденсатори будуть мати значно більші габарити, а застосування сегнетоелектричних конденсаторів в ланцюгах звукових неприпустимо через значне пьезоеффекта. Застосування негерметизовані конденсаторів (типу БМТ, МБМ) також неприпустимо з-за наявності в них струмів витоку. Абсолютно не підходять електролітичні конденсатори.

Конденсатори фільтрів харчування – будь-які підходять за габаритами електролітичні з робочою напругою не менше 300 В. Ємність C3 повинна бути не менше 10 мкФ (однак у цьому випадку бажано збільшити опір R7 до 5,1-6,2 кОм), ємність C5 зменшувати небажано (в крайньому випадку можна поставити 220 мкФ). Також небажано зменшення ємності конденсатора фільтра C7 в блоці живлення.

Діоди випрямні моста також можна замінити на будь-які інші, важливо лише щоб при включенні підсилювача вони витримували струм зарядки конденсаторів фільтра (до 2 А), і були розраховані на зворотне напруга не менше 400 В. Цілком підійдуть Д226Г.

Панелька ПЛ9-2 Панелька ПЛК9
Панельки ПЛ9-2 Панельки ПЛК9

Допрацьована
панельки ПЛК9

Доработанная панелька ПЛК9

Для розміщення ламп використані панельки типу ПЛ9-2. Підійдуть і інші панельки, які можна встановлювати на друковану плату. При відсутності таких можна використовувати панельки, не пристосовані для друкованого монтажу. Для встановлення на плату до їх висновків можна підпаяні відрізки товстого одножильного проводу, за допомогою яких панельки і буде встановлена на платі. Однак переважніше буде доопрацювати безпосередньо висновки панельки, відкусивши гострими бокорізи (кусачками) частину висновку (див. фото).

Джампери JP1 використані від вийшли з ладу, системних плат комп'ютерів. Такого ж типу і штирі роз'єму, через який сигнал подається на вхід підсилювача. Для під'єднання вихідного трансформатора і блоку живлення на платі також змонтовані штирі – вони іспользовни від уніфікованих роз'ємів, що використовувалися в телевізорах. Провід до цих штирька підпоюють, хоча не виключено і застосування роз'ємів.

При монтажі особливу увагу слід приділити під'єднанню до загального проводу – все ланцюга загального проводу повинні з'єднуватися або в одній точці, або в строго певній послідовності. На друкованої платі така послідовність дотримана – необхідно лише простежити, щоб не було "зайвих" з'єднань.

Номінальна вихідна потужність підсилювача – 3 Вт, максимальна 4 Вт, номінальна вхідна напруга 0,75 В. Цієї потужності цілком достатньо для комфортного прослуховування аудіопрограм в кімнаті площею 30 м 2 (Використовуються акустичні системи 6АС-224, з комплекту радіоли "Кантата-205").

Зовнішній вигляд змонтованого на платі підсилювача показаний на фотографії

Смонтированный на плате усилитель

Налагодження підсилювача нескладно. Перш за все переконуються в працездатності блоку живлення. Напруга '+275' може бути в межах від 250 до 300 В (залежно від типу використаного трансформатора). Перемінна напруга 6,3 В вважається в межах норми, якщо вона не нижча від 6,0 В, але і не вище 6,5 В. Потім до блоку живлення підключають плату підсилювача. Лампи поки не встановлюємо.

Таблиця 1 – Напруги на панельках без ламп
Панельки
лампи
Ніжка
1 2 3 4 5 6 7 8 9
VL1 +49 0 0 +275 +275 0 0 +49
VL2 0 0 +49 +49 +275 +275

Підключивши плату, потрібно перевірити надходять напруги на панельки ламп. У таблиці 1 наведені значення напруг для цього випадку.

Дуже ретельно отнесітель до заміром напруги на 2-й ножі панельки VL2 – там повинен абсолютний '0 '. Найменше позитивне постійне напруга буде означати тільки одне – конденсатор C4 має витік і повинен бути замінений до включення ламп. Напруга '+49' – це напруга, яке виходить на дільнику R11-R12, і якщо ви змінювали номінали цих резисторів, то воно може відрізнятися від вказаного, але в будь-якому випадку воно повинно відповідати напруги в точці з'єднання R11-R14. Відсутність або значне невідповідність напруги '+275' на який-небудь ніжці говорить про несправність в цьому ланцюзі, як правило про обрив. Звичайно, можуть ще бути несправні C3 або C5, але в цьому випадку наслідок їх несправності буде виражено шляхом обвуглювання резисторів R7 або R10 відповідно.

Таблиця 2 – Напруги на ніжках ламп
Панельки
лампи
Ніжка
1 2 3 4 5 6 7 8 9
VL1 +49 +2,0 0 +150 +150 0 +2,0 +49
VL2 0 +6,0 +49 +49 +250 +255

Якщо все в порядку, відключаємо харчування, підключаємо акустичні системи або еквівалент навантаження (яким може служити резистор опором від 3,9 до 8,2 Ом і розсіюваною потужністю не менше 2 Вт), знімаємо джампер JP1 і встановлюємо лампи. Подаємо харчування на підсилювач і відразу ж знову контролюємо напруги на ніжках три ламп VL2. У міру розігріву катодів воно повинно плавно збільшитися до 6,0 .. 6,1 В і далі залишатися таким – це буде говорити про вихід ламп на нормальний робочий режим. Напруга, вище ніж 6,3 В, говорить про сильне зношування лампи (зменшилася крутизна характеристики, як правило наслідок загазованості всередині балона лампи), занижене напруга (приблизно від 5,8 і нижче) також характерно для довго працювали ламп (втрата емісії) – такі лампи необхідно замінити. Напруги на інших ніжках ламп наведені в таблиці 2. Напруження на анодах і катодах VL1 вказані для випадку розімкненого JP1 – при його установці на місце напруги на анодах знизяться до 110 .. 120 вольт, а на катодах до 1,7 .. 1,8 В.

Якщо напруги вкладаються в рамки дозволених, можна спробувати подати на вхід підсилювача сигнал невеликої амплітуди (порядку 25-50 мВ, тому що JP1 знято і чутливість максимальна). У разі успіху залишається лише переконатися, що загальна зворотній зв'язок негативна. Для цього акуратно встановлюємо JP1 на місце. Якщо в при цьому відбудеться самозбудження підсилювача, що супроводжується гучним шумом, виттям або свистом в акустичній системі – в цьому випадку необхідно поміняти кінці вторинної обмотки вихідного трансформатора між собою місцями.

На цьому налагодження можна вважати закінченим.

Заходи безпеки .
1. За будь-яких монтажних роботах пристрій необхідно знеструмлювати. Так як в підсилювачі застосовані накопичувальні конденсатори великої ємності, необхідно дочекатися їх розрядки, яка відбувається в протягом 30-40 секунд після вимкнення підсилювача. При випробуваннях блоку живлення окремо від підсилювача будьте уважні – у цьому випадку конденсатор C7 здатний зберігати заряд вельми тривалий час (до кількох діб). Для забезпечення розрядки конденсатора паралельно до нього слід тимчасово підпаяні резистор опором від 100 кОм до 1 МОм і потужністю не менше 0,5 Вт. Категорично не рекомендується розряджати конденсатори за допомогою короткого замикання їх висновків (наприклад викруткою або пінцетом) – це може призвести як до виходу з ладу конденсатора, так і до травми.

2. Лампові підсилювачі, на відміну від транзисторних, не бояться короткого замикання в навантаженні, але зате обрив в ланцюзі навантаження може вивести з ладу вихідний трансформатор. Дуже не рекомендується включати підсилювач при відсутності підключеної до його виходу номінального навантаження (номінальне опір навантаження 4 … 8 Ом) – це загрожує пробоєм ізоляції первинної обмотки вихідного трансформатора внаслідок її значною індуктивності. Якщо ви збираєтеся експлуатувати підсилювач разом з навушниками – необхідно врахувати це і на час підключення навушників забезпечити паралельне підключення еквівалента навантаження, яким може служити звичайний резистор опором від 3,9 до 8,2 Ом і розсіюваною потужністю не менше 2 Вт Будь-які ж перемикання навантаження, при яких можливий нехай навіть короткочасний розрив її ланцюга, необхідно виконувати тільки при вимкненому живленні підсилювача.

3. Вихідні пентоди 6П14П при роботі дуже гарячі. Наглядай 🙂

Л І Т Е Р А Т У Р А

1. Д. С. Гурлев. Довідник з електронних приладів. – "Технiки", Київ, 1966 р.
2. М. Кірєєв. Радіоаматорський High-End. 40 кращих конструкцій лампових УМЗЧ за 40 років. "Радіоаматор", Київ, 1999 р.

Джерело – AK Laboratory