Реальный простой усилитель

В прошлый раз мы с вами поняли, как в принципе работает усиление в лампе: переменное входное напряжение подаётся на сетку, которая управляет большим анодным током, раскачивающим динамик. Но дело в том, что предыдущая схема весьма и весьма отдалена от реальности и совсем уж не эффективна. В ней возникает огромное количество интересных явлений, которых хотелось бы избежать… С вами программа «шаловливые ручки-дрючки», сегодня мы с вами собираем работающий усилитель!

Прежде чем приступать к проектированию усилителя, надо выбрать лампу. А как выбрать лампу? Для этого надо подумать о питании. Действительно, лампу надо как-то питать, и логично предположить, что питать её мы будем от сетевого напряжения 220V/50Hz, т.е. от нашей розеточки. Ну давайте немного покапаемся в интернете. (Сейчас будет не реклама, а суровая реальность) Если у вашего бати или деда где-то в гараже завалялся старый ламповый телевизор, дуйте к нему, снимайте трансформатор и лампы, для вас вопрос решен. Для тех же, кто не знает где достать лампы, стоит найти инфу. По запросу «Купить радиолампы» Яндекс третьей ссылкой выдаёт сайт электроники «Чип-и-Дип». Зайдя на него придётся немного всплакнуть, ведь по 100-500 рублей за лампы как-то неохота… Ладно, тогда стоит посмотреть на радиорынках вашего города. В Петербурге это однозначно Юнона на Автово или Апрашка (Апраксин Двор) на Сенной. В Москве можно поискать на Савеловском рынке или в Митино, у добрых дядичек что-то для вас найдётся рублей за 50-200. Если же так случилось, что в вашем городе подобного нет, открываем всеми любимое Авито и смотрим там. Немного пошерстив сайтик я нашёл такое объявление в Петербурге:

Супер, у кого-то лампы есть, их много, их можно достать за копейки (относительно). Теперь надо посмотреть их характеристики, а точнее анодное напряжение — это первая интересующая нас величина. Загуглив 6Ф1П мы поймём, что это триод-пентод (в одном баллоне сосуществуют триод и пентод), причём у триодной части Uа=100 В. У 6Н1П Ua=120 В. 6Ж1П — это пентод, слишком сложно (как и 6П44С). 6Н5П Uа=220 В. 6Ж38П — пентод. 6Н3П Uа=250 В. 6П6С — тетрод.

Так, ну уже что-то. Для питания таких ламп надо использовать трансформатор. Трансформаторы работают на принципе электромагнитной индукции — переменный ток в первичной обмотке порождает переменное магнитное поле, которое порождает ток во вторичной обмотке. Таким образом выходит, что для питания ламп с анодным напряжением более 220V нам нужен повышающий трансформатор, а для менее 220V — понижающий. Обычно понижающие трансформаторы достать проще, да и меньшее напряжение немного безопаснее, поэтому стоит остановить свой выбор на 6Ф1П и 6Н1П. У меня же в наличии была лампа 6Н3П c Uа=150 В, я выберу её.

Итак, мы выбрали лампу, а значит настало время выбрать под неё трансформатор. У трансформатора обязательно должно быть 3 точки, чтобы с одной обмотки снимать напряжение для анода, а с другой для накала. Накальное напряжение должно быть порядка 6 В. Опять лезем в интернет и ищем подходящий трансформатор.

Подойдёт любой трансформатор, на выходе которого имеются напряжения в ~6 В и не менее анодного напряжения. Разворошив старый блок питания я вытащил трансформатор ТС-26-1. У него есть проблемка: анодное напряжение меньше 150 В, зато есть обмотка на 5,5 В. Такой себе вариант, но ладно, сойдёт. Вам же стоит немного поискать и подобрать нужный трансформатор. Трансформаторы, разработанные для питания ламп называют анодно-накальными, поэтому отечественная серия называется ТАН (трансформатор анодно-накальный), стоит рассмотреть варианты из этой серии.

Допустим вы заимели в своё распоряжение нужную лампу и трансформатор. На этом заканчивается первая сложная часть и начинается вторая. Мы подаём на сетку переменное напряжение, а значит половину периода синусоиды на сетке будет положительный потенциал, а значит электроны будут периодически попадать в сетку и там потечёт сеточный ток. Тогда анодный ток будет равен току эмиссии за вычетом сеточного тока: Ia=Iэ-Ic. Если мы ничего не сделаем, то на выходе заимеем такую картину:

Мы имеем анодно-сеточную характеристику. Синеньким обозначен входной сигнал. Этот входной сигнал положительной своей стороной будет полностью уходить в сетку, а значит анодного тока не будет. Отрицательной же частью он будет управляться и в итоге у нас возникнет такая фиолетовенькая картина, что ток одно время 0, затем нижняя полуволна синусоиды и снова 0. Это весьма прискорбно… Надо ограничить ток сетки причём так, чтобы его почти не было. Для простоты в цепь сетки мы воткнём Rс очень большого номинала — чем больше, тем лучше. Это порядка 0,5-1 МОм. Так мы почти что избавимся от сеточного тока и картинка будет выглядеть лучше:

Как видим, картинка улучшилась, у нас появилась верхняя полуволна! Но всё равно она немного искажена, ведь Из-за наличия сеточного тока верхняя полуволна усиливается хуже, чем нижняя. Выделим сразу одну особенность — усилитель усиливает сигнал весь период. Такие усилители называются усилителем типа А. Т.к. такая схема включения усиливает сигнал с искажениями, мы её назовём «недотип А».

Можно также сдвинуть входное напряжение так, чтобы максимум приходился ровно на 0 сеточного напряжения. Для этого надо узнать амплитудное напряжение входного сигнала (для смартфонов 0,5-0,2 В) и включить в цепь постоянный источник напряжения:

Тут дело обстоит лучше, ведь волна усиливается почти равномерно. Это истинный тип А — наиболее приятно звучащий усилитель, дающий истинно лампово-тёплый звук, характерный для ламповых усилителей. Ну т.к. находить это смещение — задача неблагодарная, пока реализуем «недотип А», ведь учитывая большое сопротивление резистора, он не так уж сильно будет отличаться от типа А)

Отлично! Теперь разберёмся с катодным смещением… Может возникнуть логичный вопрос: «Це, собственно, шо?» Катодное смещение — это нагрузка в цепи катода. Она требуется неиначе как для установления оптимального режима работы лампы. С ней проблем возникнуть не должно, ведь часто она указывается самим производителем, а если нет, то самое время разобраться с расчётом «недотипа А»)

Итак, принципиальная пробная схема выглядит так:

Разберёмся с параметрами такого усилителя. Резистор Rс мы выбрали — 0,5-1 МОм. Сопротивление динамика рассчитывается исходя из того, что на нём должна рассеиваться максимальная мощность (конечно не тепловая, а колебательная, но, как ни странно, в ТОЭ они не разделяются. Мощность есть мощность, так сказать). Давайте узнаем, каким должно быть сопротивление Rн.

Лампу можно рассмотреть как источник тока с некоторым внутренним сопротивлением Ri — собственным сопротивлением лампы. Тогда упрощённо мы будем иметь такую цепь:

Да, собственное сопротивление для источника тока подключается параллельно. Найдём полное сопротивление цепи:

Тогда можно найти напряжение в цепи как U=IaR. Через сопротивление Rн тогда будет течь ток:

И мощность соответственно:

Теперь нам надо определить, при каком значении Rн достигается максимум этой функции. Для этого возьмём производную по Rн и приравняем её к 0:

Отсюда видно, что максимум мощности на нагрузке достигается при Rн=Ra. Ну всё, осталось открыть даташит и увидеть, что собственное сопротивление лампы 6Н3П примерно 6 кОм!… Стоп, а где достать динамик на 6 кОм?

Тут мы сталкиваемся с ещё одной проблемой: динамиков на 6 кОм не бывает… (Может и бывают, но я не слышал, а значит достать их очень трудно, не катит). Всё, сворачиваем проект и расходимся? Не, можно схитрить. Давайте-ка вспомним, что выходное напряжение (и ток соответственно) у нас переменное, а значит необязательно пользоваться активным сопротивлением, нам подойдёт и реактивное) Для этого используют так называемый выходной трансформатор. Он нужен для так называемого согласования сопротивлений. Можно рассчитать индуктивность первичной намотки так, чтобы её реактивное сопротивление как раз равнялось Ri. Со школы мы помним формулу:

Значит, зная ZL и ω можем определить L. В теории музыки так сложилось, что отправной точкой для настройки инструментов является нота ля, частота которой ν=440 Гц. Используя её как отправную точку получим:

Этой формулой можно пользоваться как расчётной, причём индуктивность будет в Гн, если Ri подставить в кОм. В нашем случае L≈2 Гн. Также, зная теперь индуктивность, можно рассчитать кол-во витков:

Вторичную же обмотку рассчитывают исходя из желаемого коэффициента трансформации.

Выходные трансформаторы на нашей родине выпускаются серией ТВЗ (трансформатор выходной звуковой). Чтобы не наматывать всё самим вы можете просто загуглить, какие ТВЗ к какой лампе и динамику подходят. Так, например, на динамик в 4 Ом подойдёт ТВЗ-1-9

Значит наша схема превратится в такую:

Рассчитаем теперь Rк. Rк, как уже было сказано, нужен для задания номинального режима работы, а если точнее, то для задания напряжения сетки. Для этого мы снова открываем даташит и ищем анодный ток Iа. Для 6Н3П Ia=7,7 мА. Значит можем написать:

Соответственно из даташита мы вытаскиваем напряжение сетки (Uc=-2 В). Так Rк=240 Ом для 6Н3П. Супер, мы разобрались с сопротивлениями! Теперь рассмотрим повнимательнее переменный ток.

Т.к. сигнал у нас переменный, то велик шанс того, что будут усиливаться нежелательные частоты: слишком низкие или слишком высокие. Их надо убрать с помощью фильтров нижних и высоких частот (ФНЧ и ФВЧ). Проще всего их реализовать на конденсаторах (хотя можно и на индуктивностях), поэтому именно их мы и рассмотрим. А именно рассмотрим схему параллельного включения конденсатора:

Мы, опять же, помним формулу для реактивного сопротивления конденсатора:

Получается, что при увеличении частоты сопротивление конденсатора падает и в пределе бесконечно большой частоты конденсатор превращается в КЗ, в то время как на постоянном токе кондёр — это разрыв (ХХ). Таким образом чем больше частота, тем больше тока будет течь через кондёр и тем меньше через нагрузку, а значит такое включение будет убирать все высокие частоты:

Так выглядит амплитудно-частотная характеристика данного фильтра. Такой фильтр называют ФВЧ.

Можно подключить конденсатор последовательно:

Работать будет та же логика, но наоборот: чем больше частота, тем больше тока приходит к нагрузке, а чем меньше частоте, тем и тока меньше:

Это АЧХ ФНЧ. Я U писал для пущей наглядности, но точно такие же графики и для тока, поэтому в дальнейшем по оси Oy я буду просто писать АЧХ.

Значит теперь эти фильтры надо куда-то воткнуть. Куда — это чистейший произвол автора. Я воткнул таким образом:

Конденсатор Cc защищает от низких частот, Са — от высоких. Но зачем же тут Cш (шунтирующий конденсатор)? Он тут для перестраховки. Бывает, что напряжение в сети нестабильное и иногда происходят скачки. Если его не поставить, аппарат заработает, но при малейшем скачке выйдет из строя в худшем случае. Бережёного, как говорится, Бог бережёт)

Также я специально сделал конденсаторы переменными, ведь это даёт возможность регулировать срез верхних и нижних частот — простейшая эквализация. Можно их сделать и постоянными, но тогда мы пожертвуем прекрасной возможностью регулировать звук. Давайте прикинем ёмкости этих конденсаторов. Примерные ёмкости рассчитываются из условия, что их реактивное сопротивление при заданных частотах должно быть много меньше активных сопротивлений. Для этого нам нужно знать порог слышимости человека: от 20 Гц до 20 кГц. Так:

Значит Cc должно быть где-то на 80-100 мкФ.

Са, соответственно, 13-20 мкФ. Если поставите больше — ничего страшного, главное не меньше) Конденсатор Cш лучше поставить поменьше, чтобы он избавлял от коротких импульсов напряжения. Его выбираете по принципу «меньше ёмкость, больше напряжение». Исходите из примерного напряжения в 200-300 В, точно не ошибётесь.

Ухты, ничего себе, да мы с вами поняли, как собрать усилитель! Теперь займёмся цепью питания. Лампа питается постоянным напряжением, а с трансформатора выходит переменное, а значит нам надо соорудить выпрямитель. Наилучшая схема для этого дела — это мостовая схема выпрямления (МСВ):

Давайте поймём, как она работает в принципе. Предположим, что сначала у нас наверху +, а внизу -. Тогда ток потечёт таким образом:

А если мы поменяем полярности?

Как видим, ток через нагрузку течёт всегда в одном направлении, а значит сигнал с нагрузки будет такой:

Такая схема просто развернула синусоиду. Пока что это не сильно похоже на постоянное напряжение… Как быть? Можно, оказывается, вспомнить, что кондёры и катушки обладают свойством заряжаться и разряжаться, а значит надо поставить либо катушку, либо конденсатор (или всё сразу). Тогда мы получим индуктивный фильтр, ёмкостной и индуктивно-ёмкостной.

Работают они по одному принципу. Сначала кондёр (катушка) заряжаются, затем плавно разряжаются, снова заряжаются и снова разряжаются:

Вот это выглядит уже как что-то, что похоже на постоянное напряжение (ток). Осталось подобрать индуктивность/ёмкость через коэффициент сглаживания:

Т.е. нам надо будет задать коэффициент сглаживания. Я поставил индуктивность на 100 мГн, мне подошло. Также нужны диоды. Диоды подойдут любые выпрямительные. Самые распространённые и дешёвые — 1N4001 по 5р за штуку даже на Чип-и-Дипе (у добрых дядичек и то дешевле, мне вообще бесплатно предлагали). Максимальный ток, который может течь через них — 1 А, а значит исходя из этого надо определить нагрузку:

Но лучше побольше. Я вот что придумал: т.к. у меня не было нужной обмотки, то я брал напряжение с 220V (да, это видно по расчётам, у вас вместо 220 будет напряжение с обмотки). Для понижения до 150 я решил использовать делитель напряжения:

На самом деле не столь важно сопротивление, сколько рассеиваемая мощность. Сопротивление Rн стоит брать с максимально возможной рассеиваемой мощностью (но в пределах разумного, конечно). Далее с него мы хотим получить 150 В. Каким должно быть сопротивление потенциометра? Мы можем посчитать полный ток в цепи, но ведь он же будет равен напряжению с Rн, делённому на Rн, поэтому:

Откуда определяется R. Я сделал его в виде потенциометра, чтобы можно было также регулировать анодное напряжение — по сути громкость.

Я вас сугубо поздравляю, усилитель спроектирован, рассчитан и готов к сборке. Нам осталось только припаять вход. Можно использовать вход для мини-джека (это как в телефоне). Землю мы кидаем на минус, а левый и правый каналы закорачиваем и кидаем на сетку, ибо усилитель у нас моно, а не стерео. Затем собираем такую схему:

И всё, оно заработает) Можно попробовать посчитать коэффициент усиления усилителя K. Анодный ток зависит от анодного напряжения и сеточного, а значит при их изменении изменится и анодный ток. Тогда его можно разложить в ряд Тейлора:

В свою очередь анодное напряжение зависит от величины Rн — при увеличении Rн Ua падает, поэтому можно написать:

Откуда:

Тогда коэффициент усиления:

Для лампы 6Н3П получим K=3 мА/В. Это довольно мало, а значит звук будет не то чтобы громким. Это указывает на то, что наша схема будет работать не совсем как усилитель, а скорее как предусилитель и нужен ещё один каскад усиления. Тем не менее если мы подключим динамик, звук мы услышим, и это уже успех!