Содержание

Выбор лампы для оконечного каскада

Так же как и в случае с предыдущими примерами, разработку мощного двухтактного усилителя целесообразно начать с выбора типа выходной лампы. После того, как все соображения относительно безопасности и плавного увеличения напряжения были приняты во внимание, следует учесть, что стоимость высоковольтного источника примерно пропорциональна корню квадратному из его напряжения. Таким образом, снижение величины необходимого высоковольтного напряжения питания приведет к экономии денег, которые смогут быть потрачены на что-нибудь иное, позволяющее достичь лучшего компромисса в решении общей задачи. Характеристики возможных конкурентов среди типов ламп, пригодных для мощного выходного каскада приведены в табл. 7.5.

Примечания: (*) - значение, указанное в технической документации производителем;

(×) - значение, полученное расчетным путем по данным, указанным производителем;

(<>) - значение, полученное по результатам измерений, выполненных автором. Следует иметь в виду, что данные, приводимые в этой таблице, относятся к лампам серии NOS, и могут не совпадать с данными для ламп, которые были изготовлены в последнее время.

Из приведенного списка, лампа типа 845 является чистым триодом, комбинированная лампа типа 813 представляет сочетание триода — и лучевого тетрода, разновидности ламп типа EL34 представляет собой пентод, и только лучевой тетрод 13Е1 действительно состоит из двух параллельных ламп. В дальнейшем будет вестись рассмотрение лучевых тетродов и пентодов строго в триодном включении, что дает выигрыш по искажениям.

Все варианты ламп допускают максимальное значение рассеиваемой мощности на аноде Р_а(max) в 100 Вт, следовательно, с любой из них можно достичь примерно одного уровня выходной мощности. Лампы типа NOS 845 чрезвычайно дорогие, но их современные модификации рассчитаны только на мощность Р_а(max) ≈ 75 Вт, лампы типа NOS 813 очень редкие и требуют точно такого же дорогостоящего высоковольтного источника питания, что и лампы 845 серии (напряжения примерно 1000 В). К сожалению, очень неплохая лампа типа 13Е1 оказывается еще дороже, чем квартет ламп типа EL34. Тем ни менее, когда автор увидел лампу 1ЗЕ1, то страстное желание владеть ею возникло с первого взгляда. Для более рациональных читателей автор советует остановиться на более оптимальном варианте, лампах типа EL34.

Выбор режима лампы 13E1

Режимы работы двухтактного выходного каскада могут быть определены с использованием так называемых комбинированных статических характеристик. Комбинированные характеристики получают зеркальным отражением второго семейства характеристик относительно первого. Они наглядно иллюстрируют работу двухтактного каскада. Для расчетов удобнее пользоваться линейной идеализацией таких характеристик, когда между противоположено расположенными парами кривых реальных анодных характеристик искусственно проводятся воображаемые линии (рис. 7.39). Следует обратить внимание, что статические характеристики соответствуют триодному включению лампы.

Рассмотрим расчет режима каскада, работающего с отсечкой анодного тока, то есть в режиме класса АВ, что весьма характерно для мощных усилителей. Рабочая точка будет расположена на комбинированной характеристике, соответствующей сеточному напряжению V_k = —60 В при анодном напряжении V_a = 250 В для обеих ламп. Поскольку каскад работает в режиме с отсечкой анодных токов, рабочая точка покоя соответствует нулевому анодному току I_а = 0. Для максимальной выходной мощности должно выполняться условие согласования по сопротивлению R_L = 2r_а. Такая нагрузочная (динамическая) линия может быть проведена зеркальным отражением линеаризированной комбинированной характеристики V_gk = -60 В относительно вертикальной линии, проходящей через рабочую точку, как показано на рис. 7.39. Для рассматриваемого конкретного случая R_L = 277 Ом и предсказываемая выходная мощность равна 42 Вт. Следует отметить, что данная конкретная рабочая точка подразумевает работу в классе АВ, а не в чистом В (где теоретически отсутствуют четные гармоники), и экстремально крутая нагрузочная характеристика, полученная описанным методом, соответствует режиму, при котором будут увеличенные искажения по нечетным гармоникам.

Следует заметить, что также комбинированные характеристики представляют теоретический интерес, демонстрируя очень наглядно разницу между классом А и классом В, они предполагают идеальность электронных ламп и предполагают очень кропотливую работу по их построению и подгонке, даже с использованием компьютерных технологий.

Ниже будет показано, что значительно проще анализировать какую-нибудь одну половину выходного каскада, рассматривая его как каскад с несимметричным выходом. После того, как ранее уже была решена задача по определению оптимальной нагрузочной характеристики однотактного каскада с несимметричным выходом, то представляется возможным просто распространить полученные знания для случая двухтактного усилителя. Теоретически при таком подходе снижается точность получаемого решения, так как не используются комбинированные характеристики, но построение абсолютно точных динамических характеристик усилителя мощности представляется бесполезным, так как громкоговорители не имеют чисто резистивной нагрузки, поэтому экономия сил на рисовании характеристик становится вполне оправданной.

Рис. 7.39 Комбинированные анодные характеристики для двухтактного каскада

Рассмотрим расчет режима каскада по обычным статическим характеристикам лампы, с учетом ее триодного включения.

Так как рассматривается выходной каскад, для которого необходимо получить максимальную мощность, то лампы будут работать при максимальном значении мощности на аноде Р_а(max) = 95 Вт, не забывая о некотором запасе по рассеянию на аноде, которое не должно превышать предельно-допустимое. Обычно, подбирая нагрузочные характеристики и рабочие точки для конкретной лампы, приходят к выводу, что максимальная мощность каскада пропорциональна анодному напряжению высоковольтного питания, тогда как искажения зависят обратно пропорционально. Однако с увеличением анодного напряжения стоимость блока питания катастрофически возрастает, поэтому, в рассматриваемом примере, следует остановиться на напряжении высоковольтного питания V_a = 400 В. Так как максимальная мощность на аноде Р_а(max) = 95 Вт (на статических характеристиках нанесена соответствующая кривая максимальной мощности), а величина питающего высоковольтного напряжения составляет V_a = 400 В, то, используя выражение известное P = I×V, можно вычислить постоянный анодный ток I_а = 237,5 мА а затем нанести это значение на графике (рис. 7.40).

Так как рядом с рабочей точкой проходит статическая анодная характеристика (в противном случае, требуется построить дополнительную характеристику), то легко определить эквивалентное сопротивление r_a. Для данного конкретного случая значение r_a = 282 Ом. Не следует опасаться, что полученное при расчетах значение зачастую сильно разнится с приводимым в паспортных данных производителя ламп, так как они приводят значения для вполне конкретных заданных условий измерений (обычно при V_gk = 0 и I_a = I_a(max).) Традиционно предполагается, что для получения максимально мощности необходимо выполнение условия R_L = 2r_a, поэтому можно попытаться провести данную динамическую характеристику. После экстраполирования статических характеристик (достаточно правдоподобно продлив их вверх), можно увидеть, что нагрузочная линия, соответствующая сопротивлению 564 Ом обеспечивает полезную мощность с одной лампы 14 Вт. Так Р_а(max) = 95 Вт, то полученный результат явно не впечатляет; однако, динамическая характеристика, соответствующая 625 Ом предсказывает мощность уже 20 Вт при более низких искажениях и при точно такой мощности рассеяния.

Рис. 7.40 Определение рабочей точки лампы 13Е1

В двухтактном усилителе для каждой выходной лампы нагрузка должна составлять 625 Ом, следовательно, каждая из обмоток трансформатора должна иметь количество витков, соответствующих данной нагрузке. Однако, работа в двухтактном включении делит пополам значение анодного сопротивления нагрузки для каждой из ламп.

Так как вносимые полные сопротивления изменяются по закону второй степени от отношения количества витков, то удваивание количества витков приведет к четырехкратному увеличению импеданса. Таким образом, сопротивление обмоток выходного трансформатора между точками подключения анодов составит по переменному току 4×312 Ом = 1,25 кОм. Если полезный вклад каждой лампы равен 20 Вт, то полная выходная мощность составит 40 Вт.

От взора проницательного читателя не скроется тот факт, что допустимое (согласно справочным данным) значение напряжения на экранирующей сетки рассматриваемой лампы составляет V_g2(max) = 300 В, но в рассматриваемом варианте ее триодного включения, оно увеличено до V_g2 = 400 В, так как экранирующая стека в этом случае соединяется с анодом. Коммутация выводов пентодов и тетродов по триодной схеме и последующее превышение паспортного значения V_g2(nax) неоднократно осуществлялось и раньше в других разработках. Особенно заметно это было у Лэнгфорда-Смитта, использовавших в усилителе Вильямсона комбинированную пару включаемых по триодной схеме ламп типа 807 с напряжениями 400 В (при допустимом напряжении на экранирующей сетке V_g2(nax) = 300 В) для замены лампы типа КТ66. Еще более значительные увеличения напряжения продемонстрировала фирма Филипс, представившая технические (эксплуатационные) данные для лучевого тетрода типа QE 05/40, работающего в триодном включении при напряжении 400 В, и это вопреки тому факту, что они сами (являясь производителем этого типа ламп) ограничили предельное напряжение на экранирующей сетке V_g2(nax) значением 250 В для этой же самой лампы, как лучевого тетрода, предназначаемого для усилителей мощности звуковой частоты. Тем ни менее, у автора сохранились определенные опасения по поводу превышения паспортного значения допустимого напряжения на экранирующей сетке.

Информация

Продолжение