Работающие в линейном режиме усилители мощности, а мы будем говорить только об усилителях низкой частоты (УНЧ) обладают не самым высоким КПД. Это известно всем. Даже если оставить в стороне класс А и ограничиться двухтактными усилителями классов АВ и В. В усилителях класса АВ через транзисторы выходного каскада протекает ток даже при отсутствии входного сигнала. Но основная часть потерь мощности, и для класса АВ, и для класса В, происходит при усилении сигнала, так как транзисторы выходного каскада работают в линейном режиме. Это приводит к необходимости использовать радиаторы, которые могут быть достаточно громоздкими при большой выходной мощности.
Статья не является аудиофильской. Да и сам я не аудиофил. Статья об истории электроники. И не более того!
Значительно снизить потери в выходном каскаде позволяет отказ от линейного режима работы и переход к ключевому режиму. Возможность усиления аналоговых сигналов сохранится, если использовать ШИМ. Остается добавить на выходе ФНЧ и мы получим классическую структуру усилителя класса D
Генератор линейно изменяющегося напряжения и компаратор образуют модулятор, который преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность прямоугольных импульсов переменной длительности. Частота прямоугольных импульсов определяется ГЛИН. Ключевой каскад, показанный на иллюстрации парой полевых транзисторов, обеспечивает усиление поступающих с модулятора импульсов по мощности. ФНЧ выполняет функцию демодулятора (интегратор), который восстанавливает форму аналогового сигнала.
Обсуждать такие усилители, с точки зрения усиления звука, мы сегодня не будем. Для нас важно лишь то, что их КПД высок. И важно, что частота ГЛИН должна во много раз превышать верхнюю частоту усиливаемого сигнала. Поэтому построение таких усилителей стало возможным лишь с появлением мощных и достаточно высокочастотных транзисторов, не обязательно полевых. Кроме того, схемы таких усилителей сложнее, а уровень излучаемых помех заметно выше, чем у классических линейных.
Означает ли это, что такие усилители появились лишь после появления микросхем и мощных высокочастотных транзисторов? Или мы все таки можем встретить их в "древние времена электроники"? Как оказалось, можем!
"Древние времена электроники". Дотранзисторная эпоха, появление первых транзисторов
Да, заглянем во временя появления первых транзисторов в СССР.
Сразу предупреждаю, что любые попытки начать политический ср... дискуссии в комментариях будут пресекаться самым решительным образом!
Первым промышленно выпускаемым транзистором стал С1 (где то с конца 1953 года). Это был маломощный точечный транзистор с довольно посредственными характеристиками. К тому же, дорогой и дефицитный. Одновременно велась работа по разработке более простых в изготовлении и более дешевых плоскостных (сплавных) транзисторов. И в, примерно, 1955 году появились транзисторы П1, П2, П3, о которых многие слышали. П2 был работал при более высоком напряжении, чем П1, а П3 (ток коллектора до 150 мА) был самым мощным из них. Транзисторы были низкочастотными, что прямо указывалось в их справочных листках. Для построения усилителей класса D это транзисторы не годились.
Немного позже появились действительно мощные, но низкочастотные, транзисторы П4, получившие большое распространения. Они тоже плохо подходили для усилителей класса D, но уже только по частотным параметрам.
В целом же, середина 50-х годов прошлого века была эпохой электронных ламп, а транзисторы только начинали свой путь. Лампы использовались и для аналоговых устройств, и для импульсных. Причем для импульсных часто использовались газонаполненные лампы - тиратроны (тлеющего и дугового разряда).
Но именно в это время, в 1956 году, в серии "Массовая радиобиблиотека" была выпущена совершенно неожиданная брошюра В.К. Лабутин "Усилитель класса D". Причем она была рассчитана на "подготовленных радиолюбителей", а не на профессионалов! Самое интересно, что брошюра была сдана в набор в 1956 году, а значит, что написана она была раньше, как минимум в 1955 году
Поскольку звукоусиление не моя тема, эта брошюра попалась мне на глаза недавно. И показалась весьма интересной, но больше с исторической точки зрения.
Каким же был усилитель класса D во времена, когда подходящий транзисторов еще не было? Конечно ламповым! И вот это самое интересное.
Ламповый усилитель класса D
Безусловно, электронная лампа может работать в ключевом режиме. При этом напряжение на аноде открытой лампы не может быть ниже определенного значения, а ток анода не может превышать допустимый для данной лампы. Закрытая лампа работает в режиме отсечки, а открытая в режиме сеточного или анодного ограничения анодного тока. Впрочем, в теорию мы сегодня не будем углубляться.
Давайте просто посмотрим на схему лампового двухтактного выходного каскада, работающего в классе D
Не правда ли, довольно похоже на современный вариант схемы с полевыми транзисторами? Общего действительно много, но есть и много специфичного именно для ламповых усилителей. Рассмотрим немного подробнее.
Прежде всего, нужно вспомнить, что лампы бывают "левыми" и "правыми". Приемно-усилительные лампы обычно работают лишь при отрицательных, запирающих, напряжениях на сетке. Это те самые "левые" лампы. Но генераторные и импульсные могут работать и при положительных напряжениях на сетке. При этом возникает заметный ток сетки. Такие лампы иногда называют "правыми". Я кратко описывал это в статье
Поскольку в усилителе класса D лампы работают в импульсном режиме, ток анода может быть выше тока при нулевом напряжении на сетке. За счет подачи на сетку положительных импульсов. Формирование управляющих (коммутирующих) импульсов пока оставим в стороне, продолжим рассматривать сам выходной каскад.
Кроме ламп Ла и Лб в схеме присутствуют диоды Да и Дб, которые в брошюре называют "разрядными". Эти диоды обеспечивают пути протекания тока дросселей при закрытых лампах. При этом полярность напряжения на закрытых лампах Ла и Лб "неправильная", на анодах оказывается отрицательное напряжение. Поэтому и диоды Да и Дб включены "наоборот", анодами к общему проводу. И это создает неочевидную, на первый взгляд, проблему.
Дело в том, что в большинстве случаев напряжение на катоде гораздо ниже напряжения на аноде. Поэтому далеко не каждая лампа допускает большую разность потенциалов между катодом и накалом. Необходимую изоляцию накала от катода предусматривают, например, в демпферных диодах (6Ц10П, как пример).
В отличии от привычных нам транзисторных выходных каскадов, здесь используется дроссель с двумя обмотками. "Двумя сильно связанными обмотками", как пишут в брошюре. Дроссель выполняет роль "реактивного накопителя", как и в современных выходных каскадах класса D. А вместе с конденсаторами Са и Сб образует и ФНЧ.
Подобное построение ключевого двухтактного каскада используется и в транзисторных схемах. Только нагрузка обычно включается к вторичной обмотке. В данной же ламповой схеме нагрузка имеет три вывода, но это "концептуальная" схема, а не практическая.
Интересным является вопрос несимметричного намагничивания сердечника дросселя, ведь из данной схемы не следует, что входные импульсы симметричны и лишь разнесены во времени. Но если вспомнить, что это усилитель переменного напряжения, для которого среднее значение равно нулю, можно показать, что остаточная намагниченность сердечника, в среднем, тоже равна нулю.
Приводится в брошюре и временная диаграмма, показывающая принцип работы такого выходного каскада. И эта диаграмма тоже выглядит крайне современно, хоть усилитель и ламповый
Диаграмма (а) показывает выходной сигнал ГЛИН, который подается на один вход компаратора. Диаграмма (б) показывает входной синусоидальный сигнал, который подается на второй вход компаратора. Диаграммы (в) и (г) показывают выходные сигналы компаратора, которые являются противофазными. Диаграмма (д) это выходной усиленный синусоидальный сигнал.
Избавиться от проблемы нагрузки со средней точкой можно классическим "ламповым" способом - трансформатором. Вот так
Почему я сказал, что использование трансформатора это классический ламповый способ? Все очень просто, высокое выходное сопротивление ламповых каскадов и высокое анодное напряжение требовали согласования с низким сопротивлением нагрузки. Поэтому выходной трансформатор, согласующий, является практически неотъемлемой частью УНЧ.
В брошюре двухобмоточный дроссель обозначен как импульсный трансформатор. В правой части иллюстрации показано включение дополнительного ФНЧ между дросселем и выходным согласующим трансформатором.
"Преобразователь сигнала", он же модулятор, который сегодня строится на базе компаратора, в ламповых схемах может быть построен по разному. Например, с использованием триггера Шмитта
На лампе Л1 собран блокинг-генератор, который формирует пилообразное напряжение. Это напряжение, вместе с входным сигналом, подается на вход триггера Шмитта, собранного на триодах Л2 и Л3, на анодах которых и формируются сигналы ШИМ, которые подаются на выходной каскад. С помощью R9 можно добиться симметричного сигнала на выходе модулятора.
Практическая схема экспериментального макета усилителя
Теория это хорошо, но был в те годы построен действительно работающий усилитель? Да был. Модулятор имеет более сложную схему и построен на базе одновибратора, на выходе включены катодные повторители, а на входе предварительный усилитель
На левой половине триода Л1 собран предварительный усилитель с согласующим трансформатором Тр1 на выходе. На правой половине триода Л1 собран блокинг-генератор. На триоде Л2 собран одновибратор, который и формирует сигнал ШИМ из входного сигнала (после предварительного усилителя) и пилообразного напряжения с выхода блокинг-генератора. Триод Л3 включен как катодный повторитель. Частота блокинг-генератора регулируется от 8 до 25 кГц (резистором R1), что явно недостаточно, по сегодняшним меркам.
Обратите внимание, что обозначения сопротивлений некоторых резисторов "0,5", "1,0", "1,5", "2,7" это мегаомы! Такие обозначения повсеместно использовались в те годы на схемах.
Выходной каскад построен на тетродах Г-807, анодное напряжение которых в импульсе может достигать 6 кВ (постоянное не более 600 В)
Поскольку это лишь макет усилителя, выходной согласующий трансформатор не используется, а нагрузка составлена из двух резисторов по 13 кОм. Обратите внимание, что для некоторых ламп использован отдельный источник напряжения накала. Кроме того, кенотроны использовались со снятыми цоколями. О причине я рассказывал выше.
В брошюре говорится, что испытания прошли успешно и даже приводятся осциллограммы (реальные)
Диаграмма (а) соответствует состоянию покоя, диаграммы (б) и (в) разным коэффициентам модуляции.
К сожалению, в брошюре приводятся расчетные формулы, но нет подробных результатов экспериментов с макетом усилителя. Тем более, нет результатов при подключении реальных динамиков через согласующий трансформатор. Есть лишь график, показывающий, что коэффициент нелинейных искажений может достигать 9%.
Заключение
Брошюра действительно показалась мне интересной с точки зрения истории электроники. К сожалению, многие вопросы она оставляет без ответа. Повторять этот ламповый усилитель я точно не буду, абсолютно равнодушен к данной теме. Но мне интересно, не захотят ли это попробовать сделать фанаты ламповой техники и "теплого лампового звука"? Ведь никто не будет спорить, что здесь точно есть и лампы, и звук :)
Как я предупреждал в предыдущем посте (в субботу), статья достаточно короткая и по сути своей является компиляцией брошюры, что для меня совершенно нетипично. О причинах я тоже сказал.
