Ламповый звук сегодня это модный тренд. И, как всякий модный тренд, оброс изрядным числом поклонников-дилетантов и порождаемых ими мистических верований и обрядов: от «прогрева проводов» до составления коллекции ламп под различные стили прослушивания музыки и настроения владельца.
На просторах интернета валяется огромное количество готовых ламповых схем разной степени технической грамотности, презентуемых авторами преимущественно по принципу: «Мамой клянусь, оно будет работать!».
И, вместе с тем, до обидного мало публикаций, в простой и доступной форме, без математической зауми и трансцендентных идей, описывающих методики расчета типовых узлов ламповых усилителей. В этом отношении можно только позавидовать сельскому радиолюбителю полувековой давности. Тот шел в ближайшую читальню и обильно черпал вдохновение для творчества из свежих выпусков «Массовой радиобиблиотеки».
В общем, автор увидел пробел и решил своими скромными силами его заполнить. Это первая публикация из задуманной серии. Если статья найдет своих читателей, то буду продолжать в том же духе.
Предполагается, что читатель уже знаком с физическим принципом действия электронной лампы и ему не нужно объяснять чем катод отличается от анода и почему напряжение на сетке относительно катода всегда должно быть отрицательным. Если вы сомневаетесь в своих познаниях, то могу порекомендовать отличный букварь 1960 года издания. Умели же наши деды объяснять просто и доступно! Куда там современным учебникам.
Что понадобится для деятельного освоения изложенной ниже информации:
1. Хороший старый справочник по отечественным лампам. Очень рекомендую «Справочник по электронным приборам» Д.С. Гурлева 1966 года. Взять можно здесь.
2. Линейка и карандаш или полностью их заменяющая программа TubeCurve. Категорически рекомендую. Взять можно здесь. В конце статьи приведена ссылка на мой краткий видеообзор по работе в этой программе.
3. Micro Cap или любая другая программа SPICE-моделирования с подключенной библиотекой отечественных ламп. Необязательная, но желательная опция. Для финальной проверки расчетов перед практическим их воплощением «в железе».
Итак, приступим.
Схема усилительного каскада на вакуумном триоде с резистивной нагрузкой (реостатный усилитель) представлена на рисунке ниже.
По такой схеме, как правило, выполняют каскады предварительного усиления.
Для расчета нам понадобятся следующие исходные данные:
- модель лампы (я выбрал 6Н1П)
- напряжение питания Eа (я выбрал 250 В, это номинальное значение для лампы 6Н1П)
- максимальная амплитуда входного сигнала (я выбрал 2 В)
- входное сопротивление следующего каскада Rн (я выбрал 47 кОм, это стандартное значение для линейного входа акустической аппаратуры)
- диапазон усиливаемых частот (я выбрал 20 — 20 000 Гц)
Шаг 1. Начнем с самого простого. Резистор утечки Rс1 служит для предотвращения накопления заряда на сетке. Его номинал обычно выбирают 1 МОм или около того, без расчета. Резистор подавления паразитных колебаний Rс2 препятствует проникновению высокочастотных помех на сетку, а также служит для предотвращения самовозбуждения каскада на высоких частотах. Может быть выбран в широком диапазоне от 1 кОм до 100 кОм и и даже более. Вполне возможно и даже очень вероятно, что наша схема будет отлично работать и без него, но лучше оставить по принципу «не помешает». Выбираем номинал 10 кОм. Если на практике обнаружите в своей схеме нечто, похожее на паразитную ВЧ-генерацию, смело увеличивайте номинал в 2-5 раз.
Шаг 2. Зададим значение анодного резистора Rа. Чем больше его величина, тем больше коэффициент усиления каскада, что при прочих равных условиях, конечно, хорошо. Но слишком большое Rа загонит наш усилитель в область существенной нелинейности анодных характеристик, что выразится в повышенном уровне нелинейных искажений выходного сигнала. Необходим разумный компромисс. В каскадах предварительного усиления Rа обычно выбирают в диапазоне 2 - 4 Ri , где Ri - внутреннее сопротивление лампы (берется из справочника. Для лампы 6Н1П Ri = 11 кОм, поэтому я принял Ra = 22 кОм.
Шаг 3. Теперь приступим к построению нагрузочной прямой. Находим в справочнике семейство анодных характеристик выбранной лампы. Тем, кто подзабыл букварь, напоминаю, что анодные характеристики — это графики зависимости анодного тока Iа от анодного напряжения Uа для различных значений напряжения сетка-анод Uс.
Для построения нагрузочной прямой нам потребуются две точки:
- Первая точка соответствует полностью запертому состоянию лампы, когда Iа = 0. В этом состоянии напряжение на аноде очевидно равно напряжению источника питания: Uа = Eа. Следовательно, координаты первой точки на плоскости анодных характеристик (0, Eа) . В моем случае это будет (0, 250 В).
- Вторая точка соответствует недостижимому в реальности случаю, когда лампа превращается в закоротку между катодом и анодом и, таким образом, анодное напряжение падает до нуля: Uа = 0. В этой гипотетической ситуации ток в цепи анода полностью определялся бы напряжением питания и сопротивлением анодного резистора: Iа = Eа / Rа. Если быть точным, то на Iа в данном случае влияет также и катодный резистор Rк (ведь он включен последовательно с Rа), но обычно его выбирают таким, что Rк << Rа, поэтому влиянием Rк в данном случае можно пренебречь. Таким образом, координаты второй точки на плоскости анодных характеристик (Iа, 0). В моем случае: Iа = 250 В / 22 кОм = 11 мА. Координаты второй точки, следовательно: (11 мА, 0).
Проводим через полученные точки нагрузочную прямую. В моем случае она выглядит так:
Для ее построения я использовал программу TubeCurve и потом немного отредактировал получившийся график для наглядности.
Для любых значений напряжения на входе каскада соответствующие им значения анодного напряжения и тока будут лежать строго на нагрузочной прямой и нигде больше.
Важное замечание! Экспериментируя с различными значениями Rа, следите, чтобы получившаяся нагрузочная прямая не пересекала график максимальной рассеиваемой на аноде мощности Pа (на рисунке выше выполнен штрих-пунктирной линией). Если вы не нашли этого графика на семействе анодных характеристик, то его придется построить вручную, задавшись значением Pа из справочника. Функция будет иметь вид: I (U) = Pа / U.
Для 6Н1П: Pа = 2.2 Вт. В качестве упражнения проверьте, правильно ли автор справочника построил соответствующий график.
Шаг 4. Зададим точку покоя на нагрузочной прямой. Точка покоя - напряжение на аноде Uа0 (и соответствующее ему напряжение сетка-анод Uс0) , устанавливающееся в отсутствии сигнала на входе каскада, то есть когда Uвх = 0. Точку покоя выбирают обычно из соображений максимальной линейности функции Uа (Uс) в ее окрестности, соответствующей максимальной амплитуде входного сигнала. Ну и, разумеется, во всем диапазоне входного сигнала должно соблюдаться условие Uс <= 0. Кто не понял почему это так — бегом читать букварь про режим с сеточным током и почему его следует избегать.
Я выбрал Uс0 = -2 В. По графику нагрузочной прямой видим, что этому значению примерно соответствуют анодное напряжение Uа0 = 120 В и анодный ток Iа0 = 6 мА. Ниже привожу картинку как это выглядит в программе TubeCurve.
Красный квадратик на нагрузочной прямой — это и есть точка покоя (ее пересекает линия сеточного напряжения -2В), а синие квадратики соответствуют заданному максимальному диапазону входных напряжений.
Шаг 5. Рассчитаем мощность, рассеиваемую на анодном резисторе Rк. Это всегда самый «горячий» элемент схемы, не считая лампы.
Prk = (Eа - Uа0) / Iа0
В моем случае:
Prk = (250 - 120) * 0.006 = 0.78 Вт
Выбираем резистор мощностью 1 Вт.
Шаг 6. Определим коэффициент усиления каскада по напряжению по формуле:
Ku = (Uamax – Uamin) / (Ucmax – Ucmin),
где Uamax, Ucmax и Uamin, Ucmin – определенные по графику анодные и сеточные напряжения, соответствующие максимальному и минимальному амплитудным значениям входного сигнала.
В моем случае:
Uamax = 65 В, Uсmax = 0 (верхний синий квадратик на графике);
Uamin = 165 В, Uсmin = -4 В (нижний синий квадратик на графике).
Следовательно:
Ku = (65 – 165) / (0 - (-4)) = - 25
Знак минус говорит о том, что каскад у нас инвертирующий, как и положено схеме с общим катодом.
Шаг 7. Определим величину катодного резистора Rк. Он задает положительное анодное смещение Uсм, выводя схему в рабочую точку. Определяется по формуле:
Rк = Uсм / Ia0
Учитывая, что Uсм = - Uс0 (кто не понял почему — читать букварь), окончательно запишем:
Rк = - Uс0 / Ia0
В моем случае:
Rк = - (-2 В) / 6 мА = 333 Ом
Выбираем из стандартного ряда Rк = 330 Ом.
Шаг 8. Расчитаем величину шунтирующего катодного конденсатора Cк. Его емкостное сопротивление Xск на нижней граничной частоте звукового диапазона fн = 20 Гц должно быть как минимум на порядок ниже Rк.
Xcк = 1 / (2pi * fн * Cк), следовательно: Ск = 10 / (2pi * fн * Rк).
В моем случае: Ск = 10 / (6.28 * 20 * 330) = 0.000241 Ф = 241 мкФ
Выбираем из стандартного ряда ближайший сверху: Ск = 330 мкФ
Шаг 9. Расчитаем величину разделительного конденсатора Cр. Его емкостное сопротивление Xср на нижней граничной частоте звукового диапазона fн = 20 Гц должно быть как минимум на порядок ниже сопротивления нагрузки Rн.
Xcр = 1 / (2pi * fн * Cр), следовательно:
Ср = 10 / (2pi * fн * Rн).
В моем случае:
Ср = 10 / (6.28 * 20 * 47 000) = 1.7 мкФ
Выбираем из стандартного ряда ближайший сверху: Ср = 2.2 мкФ
Готово!
Все номиналы элементов схемы рассчитаны и она приобретает следующий вид:
Для уверенности моделируем в MicroCap:
Работает!
Благодарю за внимание всех, у кого хватило терпения дочитать до конца. Надеюсь, оказалось небесполезно.
Продолжение следует.
PS И, как обещал, ссылка на мое видео про TubeCurve:
