Ламповый усилитель звука

   Увлекаясь конструированием усилителей и акустических систем, всегда хотел улучшить те или иные характеристики аппаратуры. Заинтересовавшись ламповой звукотехникой, поставил перед собой задачу повысить экономичность ламповых усилителей. Поставленную задачу решил, о чём свидетельствует данная работа, состоящая из практической части (ламповый усилитель звука с повышенным КПД) и теоретической части (теоретические обоснования на основе знаний законов физики).

   Устройство и принцип действия вакуумного триода аналогичен вакуумному диоду, за исключением наличия у триода дополнительного электрода-управляющей сетки. Поэтому триод используется как усилитель и генератор сигналов различных частот. При полностью запертой сетке ток через лампу не идёт. При определённом напряжении на сетке относительно катода (напряжение смещения), лампа «открывается» и через неё идёт ток. Обычно нагрузка снимается с анода, но есть лампы и схемы, в которых нагрузка снимается с катода (лампы 6Р3С). Накал большинства отечественных радиоламп составляет 6.3В (у большинства ламп от 5.3В до 6.7В). Если лампа работает с перекалом, то нить накала может скоро выйти из строя. Если же лампа слабо накаливается, то происходит старение анода (высокое напряжение вырывает активную массу с поверхности анода). На этом экономить нельзя.

   Напряжение смещения для каждого типа ламп различно. При этом разделяют автоматическое, фиксированное и полуавтоматическое смещение. От типа смещения также зависит режим работы лампы. А от режима зависит потребляемая мощность тока от анодного источника. Класс С означает, что лампа работает в импульсном режиме, кратковременно потребляя значительные токи и отдавая в нагрузку мощность зачастую превышающую номинальную мощность анода, поэтому лампы в этом режиме быстро стареют и выходят из строя (это означает, что советские лампы прослужат не 40-50 лет, а 15-20 лет). 

   Этот режим предназначен только для различных передатчиков. Класс В наиболее экономичен, но в этом режиме достаточно высок уровень гармонических искажений, поэтому для усилителей чаще применялся режим АВ, как альтернатива между потребляемой мощностью и уровнем нелинейных(гармонических) искажений. Режим А раньше практически нигде не применялся, так как усилитель, построенный в этом классе потребляет при номинальной выходной мощности (выходная мощность при номинальных условиях) такие же большие токи, что и в режиме «молчания» (отсутствие сигнала на входе и выходе УНЧ). В настоящее время все западные и отечественные фирмы, выпускающие ламповые усилители используют только режим класса А, так как в этом режиме гармонические искажения минимальны, а чем меньше уровень искажений, тем лучше звучит усилитель при объективной оценке. Считается, что коэффициент гармоник менее 0,1% для определенной мощности на выходе считается небольшим и вполне допустимым для качественного воспроизведения звука. 

   Требования к линейности, то есть уменьшение нелинейных и частотных искажений, выполняются с помощью местной (в пределах одного каскада) или общей отрицательной обратной связи, охватывающей весь усилитель. Но именно наличие и глубина обратных связей, как считают специалисты, придают звуку «резкость и зажатость». Поэтому ламповые усилители строят вообще без обратных связей или с очень неглубокими местными положительными или отрицательными обратными связями. Но при использовании режима А теоретический КПД составляет не более 30%, а на практике редко превышает 15%.

   Раньше КПД повышали только за счёт перевода лампы в другой режим работы, при этом ухудшались многие характеристики усилителя (повышались гармонические искажения, работа усилителя могла быть неустойчивой, сужался реальный диапазон воспроизводимых частот). Известно, что для ламповых усилителей первоочерёдным является величина анодного напряжения и сопротивление нагрузки. А для транзисторных усилителей главным является величина тока источника питания и возможность кратковременно отдавать большие токи (для расширения динамического диапазона усилителя), составляющие десятки ампер.

   Таким образом, можно изменять анодное напряжение, регулируя тем самым ток и выходную мощность. Разумеется, активное сопротивление нагрузки остаётся при этом без изменений. Регулировать напряжение целесообразнее всего при помощи многослойных управляемых диодов: тиристоров (тиристор - полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой p-n-p-n типа, обладающий свойствами электрического вентиля и имеющий нелинейную разрывную вольтамперную характеристику) и симметричных тринисторов (симисторов), выполняющих роль электронных ключей. Напряжение для открывания тринистора должно быть постоянным, можно использовать выпрямленное напряжение накала ламп и регулировать его потенциометром (переменным резистором).

   Следует рассмотреть два основных варианта включения тринистора. 
1. Можно поставить тринистор после силового трансформатора, но до диодного моста. Таким образом регулируется переменное напряжение на входе диодного моста.
2. Можно поставить тринистор после источника анодного напряжения (после диодного моста и сглаживающих конденсаторов фильтра). Таким образом регулируется постоянное напряжение непосредственно самого усилителя.

   В первом варианте после уменьшения тринистором переменного напряжения на входе диодного моста, незначительный промежуток времени напряжение на усилителе остаётся прежним, так как большие ёмкости конденсаторов разряжаются постепенно. В этом случае происходит задержка в уменьшении уровня выходной мощности, но регулирование протекает очень плавно (мощность уменьшается постепенно).

   Во втором случае регулировка непосредственно зависит от типа применяемого потенциометра (бывают с линейной и логарифмической зависимостью сопротивления от угла поворота движка резистора). Но при этом напряжение на диодном мосте и конденсаторах фильтра остаётся неизменным. Это в незначительной степени усложняет дальнейшую настройку (опасность высокого напряжения 300-330В) усилителя. 

   В сборке усилителя использовались полупроводниковые кремниевые диоды (Д226Б), силовой трансформатор (номинальные напряжения вторичной обмотки 230В и 5.8В), электронная комбинированная лампа 6Ф5П (триод-пентод), а также резисторы и конденсаторы различных номиналов. За основу была взята схема усилителя 1967 года, которая подверглась модернизации.

   Ламповый усилитель мощности звуковой частоты с повышенным КПД - схема.

   Таким образом, используя в ламповых усилителях регулируемое анодное напряжение, можно повысить КПД этих устройств в режиме молчания и при эксплуатации с выходной мощностью меньшей, чем номинальная. В дальнейшем я планирую собрать двухтактный (пушпульный) ламповый усилитель с повышенным КПД. Следует отметить, что регулируемый источник питания можно применить и для транзисторного усилителя. По подсчётам, КПД усилителя составляет 6%. При использовании моего блока питания КПД стал равен 8%. Таким образом повысил КПД на 2%. Если учесть, что это третья часть от первоначального КПД, то можно сказать, что поставленная задача решена.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ

Смотреть ещё схемы усилителей

       УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ          УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ  

УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ          СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ