Усилитель нч циклотрон на полевых транзисторах. Цирклотрон из подручных материалов, или Как сделать ламповый усилитель из чего попало. Бестрансформаторный ламповый усилитель

Усилитель был разработан в 1995 году. При разработке преследовалась цель найти альтернативу выходному ламповому каскаду, но с сохранением "лампового" звучания, с максимально коротким звуковым трактом, с работой выходных транзисторов в режиме "А" и без ООС. Основная идея - ламповый усилитель напряжения на входе и транзисторный усилитель тока на выходе.

Были опробованы различные варианты лампового каскада, но окончательный выбор пал на трансформаторный каскад. Межкаскадный трансформатор сложнее в изготовлении и дороже, но прибавка в качестве звука себя оправдывает. Кроме того, такой каскад надёжнее, стабильнее, есть гальваническая развязка от выходного транзисторного каскада и нагрузки.

Усилитель термостабильный, саморазогрева транзисторов нет; выходное постоянное напряжение (условный “0”) не меняется со временем. Фон и щелчки при включении и выключении отсутствуют.

Полоса частот усилителя полностью определяется межкаскадным трансформатором, в данном случае, понижающим, что снижает требования к сложности изготовления (секционирование). Необходимо только обеспечить минимальную межобмоточную ёмкость. Коэффициент трансформации можно использовать от 5:1+1, при этом чувствительность будет около 1,5 В, до 2:1+1 - чувствительность около 0,6 В, но трансформатор в последнем случае будет несколько сложнее. Данные одного из изготовленных трансформаторов на сердечнике Unitra (размер примерно соответствует ОСМ-0,1 - сечение 10 см2).

Первичная обмотка содержит 2128 витка провода 0,25 мм. Секций пять - 3+3+4+3+3 - всего 16 слоёв по 133 витка в слое. Две отдельные вторичные обмотки, каждая из которых состоит из четырёх секций (по одному слою) по 100 витков провода диаметром 0,35 мм, включенных последовательно, всего 400+400 витков. Межслойная изоляция - 0,1 мм (бумага), межсекционная - 0,3 мм (бумага + фторопласт +бумага). Ктр. 5,3:1+1. Активное сопротивление первичной обмотки - 130 Ом, вторичной - 13+13 Ом. В зазорах сердечника по одному слою чертёжной кальки. Полоса усилителя с таким трансформатором: 17 Гц - 35 кГц. Чувствительность при таком трансформаторе - около 1,6 В.

Выходное сопротивление усилителя- около 1,5 Ома при токе 1 А, при токе 1,5 А - 1,1Ома.

В первой схеме - смещение литиевым элементом 3,3 В (CR2016-2032 и т.п.), смещение выходного каскада - от 5 вольтового источника, общего для двух каналов. Ток покоя выбирается делителем, для 2SK1058 при напряжении 2,5 В - 1 А примерно, при 2,9 В - 1,5 А. При этом мощность в режиме “А” с током покоя 1 А - несколько Вт (далее в режиме АВ до полной мощности), при 1,5 А уже до 20 Вт при напряжении питания 24 В. При этом напряжении - мощность 33 Вт на нагрузке 6 Ом до заметных ограничений. Мощность можно повысить увеличением напряжения питания выходного каскада и увеличением площади радиаторов, температура которых не должна быть более 65-70 град С. Драйвер - обычный трансформаторный каскад с 6П15П в триоде.

Особенность этой схемы - при включении в течение полминуты наблюдается незначительный фон (первичная обмотка “разомкнута” до прогрева лампы). Исключить эффект можно применением примитивного реле задержки включения громкоговорителей на транзисторе и любом реле, контакты которого должны закорачивать выводы нагрузки (тока при этом практически нет) - усилитель абсолютно не боится короткого замыкания на выходе. Дополнительно можно вывести светодиод “готовности”, подключенный к свободным контактам реле, на переднюю панель.

Постоянное выходное напряжение на выходе усилителя при условии, что транзисторы из одной “коробки” - как правило, не превышает 25 мВ. Если это напряжение около 100 мВ или более - можно немного изменить схему смещения , включив дополнительный многооборотный подстроечный резистор, и выставить “0”.

В “дежурном режиме” можно уменьшить потребление электричества и нагрев радиаторов снижением тока покоя с 1.5 до 0.3А. Для этого необходимо включить дополнительный резистор между источником смещения 5 В и делителем смещения и параллельно ему тумблер, которым можно выбрать необходимый режим.
Во втором варианте схема несколько упрощена за счет того, что напряжение автоматического смещения драйвера используется для смещения выходного каскада. При этом 5 вольтовый источник для смещения транзисторов выходного каскада и литиевый элемент в сетке драйвера из схемы исключаются.

При смещении драйвера 2,5 В (2,9 В) получаем 1 А тока покоя (1,5 А). При таком включении смещения невозможно корректировать “0” на выходе (в случае постоянного напряжения 100 мВ или более), нужен только подбор пар транзисторов; хотя на практике такая необходимость - редкость. Поскольку смещение выходных транзисторов растёт синхронно с прогревом лампы, то начальный фон при включении отсутствует.

Переключить усилитель в режим с малым током покоя можно разделив катодный резистор на два последовательно соединённых резистора, в точку соединения которых и переключать концы вторичных обмоток.

Усилитель очень хорошо “ложится” в корпус и шасси промышленного усилителя 100У-101, на этой базе было сделано несколько экземпляров. Для питания выходного каскада и накалов в этом случае удобно использовать трансформатор ТПП-322, для драйвера - любой подходящий ТА; например, ТА46. Электролитические конденсаторы Hitachi HP3, HU4; шунтирующие пленочные Rifa PHE 426 и Epcos MKT; резисторы лампового каскада - ПТМН, в выходном каскаде - металлоплёночные. В выпрямителях накала, смещения и выходного каскада - диоды Шоттки, в питании лампового каскада - BYV26C. Для защиты можно применить предохранители на 3-5А в “переменной” цепи питания оконечных транзисторов. Температура радиаторов в этой конструкции при токе покоя 1,1 А - около 60С.

Звук усилителя чистый и ясный, с красивой серединой; усилитель достаточно быстрый и легко справляется с динамичной музыкой. “Играет” именно драйверный каскад, повторители практически ничего не привносят. По приведённой схеме усилители изготавливались неоднократно, и большая часть их до настоящего времени у владельцев работают в качестве основных (некоторые - дополнительных). Улучшения звука можно достичь, увеличивая ток драйверной лампы 6П15П до 50-60 мА или заменой лампы; хорошие результаты были получены при использовании IL861.

Эта идея родилась после многочисленных экспериментов с
однотактными циклотронами, где выходной автотрансформатор
нужно было « передавливать » противотоком для получения
нуля на его выводах. Итак, все по порядку, что же это за зверь
однотактный циклотрон и чем он лучше обыкновенного усилителя
построенного по традиционной схеме? Для начала пользуясь
железным правилом аудиофила: « Нет элемента – нет проблемы »
создадим наиболее короткий тракт от ЦАПа до динамика. Тут
нужна лампа с высокой крутизной и большим усилением, чтобы
на одном каскаде получить около одного ватта выходной
мощности, что вполне достаточно для субъективной оценки
качества звука. В таком коротком тракте будет слышно все:
качество пайки, длина проводов и т.д. поэтому монтажу нужно
уделить особое внимание. Схема на рисунке 1.

Рис. 1.

Нижняя лампа это собственно усилитель мощности, а верхняя
простейший, но эффективный источник тока, достаточно
взглянуть на ВАХ 6Ж52П в пентоде и сразу понятно почему
верхняя лампа стабилизирует именно ток, а не напряжение.
Его задача (источника тока) – « передавить » напряжение на
автотрансе до нуля. Для чего это нужно? А лишь для того, что
по давно устоявшейся традиции считается, что на динамике не
должно быть никакой постоянки, это мол, для него вредно.
У меня другое мнение – это не вредно, это даже полезно, но
об этом чуть ниже.
Настройка схемы проста. Резистором R2 выставляем 150
вольт между катодом и экранирующей сеткой лампы Л2.
Резистором R1 добиваемся нулевого потенциала на автотрансе.
Токи: I1 - ток Л1, I2 - ток Л2, они должны быть равны.
В качестве Тр1 применен тот же транс, что и во втором варианте
схемы, но здесь без зазора 0,12 мм.
Что получаем в итоге от циклотрона:
1. Автотранс можно мотать на ТОРах, т.к. отсутствует
подмагничивание сердечника.
2. Частотный диапазон расширяется до теоретического
предела: снизу – 0 Гц (зависит от индуктивности и
Ri выходной лампы), сверху – до 100 кГц (зависит
от собственной емкости автотранса).
3. Ну и главное, звук, субъективно становится более
резким и прозрачным. Все что терялось в воздушном
зазоре между первичкой и вторичкой при
трансформации, теперь присутствует в выходном
сигнале.
Скептики могут улыбнуться и возразить – зачем нужен весь этот
геморрой с источником тока? В ответ скажу просто и коротко –
это улучшает качество звука.
Теперь переходим к основной части статьи.
Так вот, в процессе экспериментов родилась мысль, а нельзя ли
вообще убрать источник тока, и чем это грозит динамику?
Оказалось ничем, смотрим схему на рисунке 2.

Рис. 2.

В качестве автотранса были использованы два телевизионных
трансформатора ТВ – 3Ш, 1 – это первичка, 2 – это вторичка.
Трансы разбираются, I пластины удаляются, далее стыкуем
их теми местами, где были I пластины с зазором 0,12 мм,
обмотки соединяем параллельно. Схема на рисунке 3.

Рис. 3.

Посчитаем мощность, которая падает на динамике:
Р = 0,00017 х 0,02 = 0,0000034 Вт
Ну и что, до сих пор страшно включить динамик в анод?
По-моему этими микроваттами и муху не убьешь, не говоря уже
об акустике. Разумеется, окончательный выбор остается за Вами,
но еще раз хочу сказать – автотранс реально улучшает качество
звука. Тем более, (я так думаю) что небольшая постоянка
не дает диффузору сильно болтаться после одиночного импульса,
чем и объясняется более резкое звучание схемы на низах.
Такой простой переделкой из ТВЗ в автотранс можно улучшить
качество звука любого однотактного усилителя. Но нужно не
забывать, что во втором варианте используется автотранс с
зазором.
Так же необходимо помнить, что между колоночным кабелем
и землей присутствует высокое напряжение опасное для жизни.
Я бы советовал припаять колоночный кабель прямо к автотрансу
без переходных клемм на корпусе, а разъемы на колонке
закрыть небольшим кожухом.
Удачи и хорошего звука.

Максимов Андрей Владимирович. sattelite2006()yandex.ru

Комментарии к статье:

Задача была поставлена следующим образом: построить домашний HiFi-стереоусилитель мощностью ориентировочно 10-12 Ватт из оказавшихся в наличии деталей.
Попытаться оптимизировать имеющиеся схемы, используя измерительные приборы, недоступные в 30-е - 50-е годы прошлого века, и получить коэффициент гармоник меньше 0.5% на максимальной мощности.
Иметь в каждом канале выходы для двух сопротивлений нагрузки - 8 и 16 Ом.

Схема:

Выходные трансформаторы ТПП280-127/220-50, анодный ТА247, накальный ТН46. Напряжения указаны те, что были измерены в реальной схеме без сигнала. В скобках значения для правого канала.
Ток покоя каждой лампы выходного каскада примерно 30-35 миллиАмпер.
Цепи накала, питания пропеллера, зажигания светодиодов и переключения входов мне рисовать было лень. На выходном трансформаторе остались четыре неиспользованные обмотки, которые можно скоммутировать на восьмиомную нагрузку.

При достаточно низком коэффициенте гармоник наблюдался изрядный, на 10-15 Вольт, разнобой напряжений на анодах ламп предоконечного каскада. То есть что-то там балансировать я не стал.

Цирклотрон был выбран только потому, что трансформаторы, применённые в качестве выходных, при традиционном включении не пропускали ниже 70-80 Герц, зато анодный трансформатор позволил получить четыре изолированных источника по 350 Вольт на холостом ходу.

Результаты работы спектроанализатора.
Левый канал:

Правый канал:

измерения проведены, когда оба канала качают в нагрузку мощность, близкую к началу ограничения - напряжение на эквиваленте нагрузки 16 Ом 14 Вольт. Это значение условно принято за максимальную выходную мощность - приблизительно 12 Ватт.
Полоса с завалом -2дБ от 30 до 18000 Герц при уровне -6дБ
Коэффициент гармоник при уровне выхода -20дБ, то есть при мощности одна сотая от максимальной - приблизительно 0.06% (разрешающую способность моей измерительной системы иллюстрирует вот эта картинка:

При увеличении напряжения смещения выходного каскада до -13.5 Вольт коэффициент гармоник на максимальной мощности не меняется, а вот при уровне выхода -20дБ составляет примерно 0.12-0.15%, что ярко иллюстрирует разницу между классом A и классом AB.

Уровень шума/фона приблизительно -75дБ, никаких специальных мер для борьбы с фоном я не применял. Чувствительность примерно полвольта или даже выше - сигнала на выходах компьютерной звуковухи и сиди-проигрывателя вполне хватает для полной раскачки, да ещё с запасом децибел шесть. При этом разбаланс по усилению между каналами примерно 3 дБ.

Ещё несколько картинок:

Я пока не понял, как мне соорудить простой программный двухчастотный генератор для измерения интермодуляционных искажений, но посмотрев на уже полученные картинки, решил, что делать этого не буду. В конце концов, 0.4% гармоник на 12-ти Ваттах от пары 6П14П без обратной связи - это даже лучше, чем я ожидал.
Для получения такого результата пришлось тщательно подбирать лампы и балансировать фазоинвертер. При "неоптимальных" лампах коэффициент гармоник (при условии балансировки) на максимальной мощности возрастает в полтора-три раза, например, при установке в предоконечный каскад 6Н1П он составлял примерно 0.7%.

Отвечу на любые вопросы и померяю что угодно - если смогу:-)

Перед началом работ я поставил перед собой несколько задач, которые хотел бы решить в конструкции усилителя. Первая задача касается его звучания. Есть очень много усилителей, обладающих впечатляющими параметрами, но звучание, которых отталкивает, а прослушивание сопровождается утомляемостью. Наиболее серьезной технической проблемой таких усилителей является наличие тепловых искажений - одного из видов нелинейных искажений. Они в разном виде проявляются как во входных цепях, так и в выходных каскадах. Наиболее простым решением является использование компонентов, практически неподверженных изменению режимов работы при изменении рабочей температуры. Вторая задача связана с имеющимся корпусом от усилителя "Эстония УМ-010", в который я хочу встроить разрабатываемый усилитель. Силовой тороидальный трансформатор, установленный в нем, весьма неплох и имеет габаритную мощность порядка 400 Вт и хороший магнитный экран. Трансформатор, после выпрямителя, выдает ±32 В без нагрузки, что позволяет сделать усилитель с мощностью до 50 Вт на канал на нагрузке 8 Ом. С имеющимися небольшими радиаторами говорить о классе "А" работы выходного каскада не имеет смысла. Поэтому усилитель должен иметь выходной каскад, работающий в классе "АВ".

Я стараюсь использовать минимальное количество каскадов усиления звука, исходя из практики, такие решения имеют лучшую слитность и чистоту звучания. Наиболее простым способом получения высокого усиления по напряжению, совмещенного с высокой линейностью и минимумом тепловых искажений, является использование хорошего пентода. Я остановился на лампе 6Ж43П, она одновременно дает высокое усиление, имеет высокую мощность, что позволит работать сразу на выходной каскад, и имеет в ТУ нормировку параметров нелинейных искажений.

Для выходного каскада я выбрал латеральные полевые транзисторы с изолированным затвором. Они практически не имеют зависимостей рабочих режимов от температуры. За рубежом выпускаются комплиментарные пары таких транзисторов. Однако транзисторы в таких парах имеют различные динамические параметры. Гораздо интереснее применить транзисторы одной проводимости. Это можно реализовать двумя способами. Первый - использование архитектуры циклотрона выходного каскада. Он мне не подходит, поскольку потребует четыре независимых источника силового питания, а у меня в распоряжении только два. Второй - это схема с использованием межкаскадного трансформатора.

Структурная схема усилителя представлена на рис. 1. Фазорасщепляющий межкаскадный трансформатор позволяет решить сразу несколько проблем: подача сигналов одинаковой формы, но противоположной фазы на затворы выходных транзисторов, отвязка выходных каскадов от высоковольтного питания входного каскада, развязка от помех по питанию между силовым и высоковольтным питанием. Схема была рассчитана с использованием бесплатной программы моделирования LTSpice. С ее помощью удалось подобрать оптимальный коэффициент трансформации межкаскадного трансформатора, равный 2:1+1. Если поднимать коэффициент трансформации, то повышается глубина ООС, но сужается полоса усиления и, соответственно, качество передачи на высоких частотах. Снижение коэффициента трансформации требует большего размаха напряжения сигнала на аноде и начинает проявляться нелинейность уже самого пентода. Конденсатор в цепи ООС компенсирует фазовый сдвиг в работе трансформатора и обеспечивает общую устойчивость усилителя на ВЧ.

Рис.1. Структурная схема гибридного усилителя

Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2. Петля ОООС разорвана по постоянному току. По этой причине требуется применение сервосистемы для балансировки выходного каскада. Я выбрал схему с интегратором, питающимся от плавающего питания, синхронного с выходным сигналом с управлением верхним транзистором по затвору. Чтобы сервосистема не влияла на качество звучания усилителя, ОУ интегратора должен быть достаточно широкополосным, чтобы сигналы звуковых частот не проходили через интегратор. Поэтому был выбран широкополосный ОУ с полевыми транзисторами на входе и низким напряжением питания. Резистор R31 необходим для работы сервосистемы в отсутствии нагрузки. При его отсутствии петлевое усиление внутри цепи ООС получается очень большим, и сервосистема возбуждается на инфранизких частотах.

Рис.2. Принципиальная схема гибридного усилителя

Сигнал от трех пар входных клемм коммутируется сигнальными реле К1-К3 и далее подается на регулятор громкости на сдвоенном резисторе R1. Резистор R9 ограничивает постоянный ток второй сетки и защищает ее при случайной потери контакта в цепи анода. Стабилитроны VD1...VD4 защищают затворы выходных транзисторов от пробоя высоким напряжением. Для предотвращения появления слишком большого тока в момент зарядки конденсаторов силового питания, сначала питание на силовой трансформатор подается через токоограничивающий резистор R34 через реле К4, а через две секунды срабатывает реле К5, подключающее силовой трансформатор к сети напрямую.

Для управления усилителем сделана схема на микроконтроллере, которая следит за рабочими режимами усилителя по напряжению на резисторе автосмещения R8 и напряжению на выходе усилителя и управляет сигнальными и силовыми реле. Для питания входной части усилителя и микроконтроллера использован отдельный трансформатор Т1. После прогрева лампы появляется смещение на резисторе R8, после чего контроллер включает сначала реле К4, а потом К5. Если постоянное напряжение на выходе усилителя выйдет за допустимые пределы, микроконтроллер отключает силовое питание.

У усилителя получились следующие параметры: выходная мощность на каждый канал при ограничении по коэффициенту нелинейных искажений в 1% на нагрузку 8 Ом - 35 Вт, на нагрузку 4 Ом - 50 Вт; полоса усиления по уровню -3дБ и нагрузке 8 Ом - 7 Гц...50 кГц; глубина ООС в диапазоне частот 200 Гц - 20 кГц на нагрузке 8 Ом - 15-18 дБ.

Для усилителя потребовалось изготовить два вида трансформаторов: питания входного каскада и межкаскадные трансформаторы. Оба вида трансформаторов намотаны на магнитопроводе В43 завода "Комета", который примерно соответствует ПЛР13x25. Межкаскадный трансформатор содержит две катушки, первичные обмотки соединены параллельно, а вторичные использованы раздельно. Первичные обмотки намотаны проводом ПЭТВ-2 0,118, вторичные - ПЭТВ-2 0,18. Намотка каждой катушки выполнена в 9 секций. Первой наматывается секция вторичной обмотки, после чего они идут по очереди. Количество слоев по секциям: 1-3-2-5-5-5-2-3-1. Каждый слой вторичной обмотки состоит из 159 витков, а первичной - из 227 витков. Итого, первичная обмотка содержит 3632 витка, а вторичная - 1749 витков. Между слоями прокладывается один слой конденсаторной бумаги толщиной 0,02 мм. Между секциями прокладывается один слой крафтбумаги толщиной 0,12 мм. Сопротивление пары первичных обмоток около 310 Ом. Сопротивление каждой вторичной обмотки около 64 Ом. Поскольку начальный ток через пентод невелик, то зазора при сборке трансформатора не потребовалось. Трансформатор питания входной части усилителя и цифрового контроллера состоит из двух одинаковых катушек, обмотки на которых соединены параллельно. Надо помнить, что для параллельного соединения катушек трансформаторов на П или ПЛ сердечниках, намотку второй катушки надо производить в противоположном направлении. Первичная обмотка состоит из 3540 витков проводом ПЭТВ-2 0,125 для напряжения питания 240 В с отводом от 295 витка для работы от 220 В. Высоковольтная вторичная обмотка состоит из 2640 витков тем же проводом. На каждой катушке накальная обмотка выполнена из четырех обмоток, соединенных параллельно по 111 витков проводом ПЭТВ-2 0,25. Обмотка для питания цифровой части состоит из 177 витков того же провода. Между всеми обмотками проложена крафтбумага. Эти три трансформатора и имеющийся силовой тороидальный трансформатор пропитаны в церезине, что снижает их вибрации и заметно улучшает звучание усилителя.

Если в конструкции усилителя применить вместо отечественных транзисторов 2П904А (КП904А) импортные транзисторы BUZ900, BUZ901 или 2SK1058, то мощность усилителя возрастет, а искажения несколько снизятся. При этом надо уменьшить коэффициент передачи межкаскадного трансформатора до 4:1 +1 и увеличить значение резистора R18 до 2,2-4,7 МОм.

Константин Мусатов, г. Москва

Журнал "Радиолюбитель" 2008, № 5