Розрахунок лампових підсилювачів
Підсилювач - один з найпоширеніших елементів радіоелектронних пристроїв, але чому ми починаємо його розрахунок з застарілого лампового підсилювача? Причин кілька, і головна з них в тому, що інтерес до лампової техніки знову відроджується, особливо серед любителів високоякісного звуку. Лампові підсилювачі невибагливі, надійні, і хоча перенапруги можуть викликати короткочасні пробої між електродами, після них найчастіше лампа залишається працездатною. Перевантаження по струму викликають розігрів електродів, але залишається досить часу, щоб побачити розпечений анод і не поспішаючи вимкнути живлення. Транзистори ж виходять з ладу навіть при короткочасних перевантаженнях, моментально, "мовчки" і назавжди. Додамо, крім того, що розрахунки підсилювачів на лампах і польових транзисторах, наприклад, дуже схожі.
Розрахунок будь-якого підсилювача починають з визначення його параметрів виходячи з призначення підсилювача: смуги підсилюються частот, вихідної напруги, струму або потужності, опору навантаження, вхідної напруги і вхідного опору. Для УЗЧ домашнього радіокомплексу, наприклад, вихідна потужність може бути 5 Вт на опорі навантаження (динамічної голівці) 4 Ом, смуга частот - 70 Гц. 12,5 кГц, вхідна напруга - 20 мВ. 1 В при вхідному опорі не менше 500 кОм. Зазначений діапазон вхідних напруг дозволить підключати підсилювач до багатьох джерел програм: радіоприймача, програвача з п'єзоелектричним звукознімачем, лінійних виходів інших пристроїв.
Такий підсилювач доцільно розділити на дві частини: попередній підсилювач напруги, в який обов'язково увійде регулятор гучності (посилення) і, можливо, регулятори тембру (форми АЧХ) і крайовий підсилювач потужності. Останній розраховують на постійний рівень вхідного сигналу, відповідний вихідному сигналу попереднього підсилювача.
Отже, розраховуємо підсилювач на лампах. Схема найпростішого апериодического підсилювача на тріоді показана на рис. 48.
Ламповий каскад хороший тим, що на низьких частотах він практично не споживає потужності від джерела сигналу - анодний струм управляється напругою на сітці. Проте резистор витоку сітки R1 опором 0,5. 4,7 МОм все ж необхідний, щоб рідкісні електрони, що осіли на сітці, що не заряджали її негативно, а поверталися через цей резистор на катод. Цей же резистор зручно використовувати як регулятор гучності.
Конденсатор С1 потрібен для того, щоб постійна складова вхідного сигналу (якщо вона є) не потрапляла на сітку і не змінювала режим лампи. Його ємність розраховують за формулою для частоти зрізу ФВЧ, яка повинна бути менше найнижчої частоти смуги пропускання fн:
Щоб сітковий струм був відсутній, напруга на сітці завжди має бути негативним щодо катода, тому необхідно деяке напруження зсуву. Практично незручно використовувати окреме джерело негативної напруги, тому найчастіше включають в катодний ланцюг резистор автоматичного зміщення R2. Анодний струм лампи ia створює на ньому падіння напруги Uс, прикладена плюсом до катода, а мінусом - до керуючої сітці. Формула для його розрахунку проста:
Залишилося порахувати опір навантаження, враховуючи, що на ньому впаде приблизно половина напруги джерела анодного живлення Е а:
Серед широко поширених подвійних тріодів найбільшим коефіцієнтом посилення # 956; = 100 володіє лампа 6Н2П з параметрами S - 2 мА / В, Ri = 50 кОм, Uc = -1,5 В, Ua = 120 В, ia = = 1 мА (останні два відрізняються від наведених в довідниках 250 В і 1, 8 мА, але ми вибрали їх за характеристиками лампи з міркувань економічності. Прийнявши Еа = 240 В, знаходимо R2 = 1,5 кОм, R3 = 120 кОм. Коефіцієнт посилення каскаду на тріоді обчислюють так:
Посилення не надто велике, і при вхідному сигналі 20 мВ вихідна напруга виявиться тільки 1,4 В, чого може бути недостатньо для повної "розгойдування" вихідної лампи УМЗЧ. Доведеться використовувати або два каскади на тріодах (тоді посилення буде зайвим і його доведеться зменшити, наприклад, за допомогою ООС), або один каскад нв інший лампі, що дає більше посилення, - пентоді (рис. 49).
Він відрізняється лише ланцюгом харчування екрануючої сітки R3C3. Опір резистором R3 визначають за формулою
де Ug2 і ig2 - напруга і струм екранної сітки.
Внутрішній опір пентода велике, тому посилення розраховують за простішою формулою
Виберемо пентод 6Ж1П, як найбільш економічний. Його параметри Ua = = Ug2 = 120 В, S = 5 мА / В, ia = 7 мА і ig2 = = 3 мА при Uc = - 1,5 В, що дає R2 = = 150 Ом. R3 = 40 кОм, R4 = 17 кОм і К # 956; = 85. Практично режими з такою великою анодним струмом у попередніх каскадах не використовують. Вигідно збільшити опору всіх резисторів в кілька разів, істотно зменшивши анодний струм. І хоча крутизна характеристики в такому режимі зменшиться, посилення зросте і складе 150. 200. Для розрахунку нових параметрів при меншому анодном струмі лампи слід скористатися її характеристиками. Втім, лампи мало чутливі до змін режиму і його легко підібрати експериментально.
Перейдемо тепер до УМЗЧ. Для них випускають спеціальні потужні вихідні променеві тетроди і пентоди. У нашому прикладі підійде тетрод 6П14П з параметрами Ua = Ug2 = 250 В, S = 11,5 мА / В, ia = 50 мА і ig2 = 5 мА при Uc = - 6 В. Наш вихідний каскад буде однотактний, що працює в класі А . Це означає, що струм спокою лампи буде дорівнює номінальному, 50 мА, а при зміні напруги на керуючій сітці буде змінюватися, в межах від нуля (лампа закрита) до подвоєного номінального 100 мА (лампа відкрита).
Знайдемо необхідну напругу ЗЧ на сітці, користуючись формулою # 916; ia = S # 916; UBX:
# 916; UBx = # 916; ia / S = 50 / 11,5 = 4,35 В (амплітудне значення).
Опір резистора автоматичного зміщення в ланцюзі катода має скласти
Якщо попередній підсилювач на пентоді, розрахований вище, забезпечить До # 956; = 150, то для отримання на сітці вихідного каскаду амплітуди 4,35 В вхідний сигнал повинен бути рівний 4,35 / 150 = 0,029 В (амплітудне значення), або близько 20 мВ (ефективне значення), що відповідає заданим вимогам.
Схемотехнічний розрахунок УЗЧ закінчений, можемо намалювати його принципову схему (рис. 50). Опору резисторів розраховані, залишилося вибрати ємності конденсаторів. Їх розраховують також, як і ємність С1 (див. Вище) для нижчої частоти смуги пропускання, яку треба взяти з запасом, нижче 70 Гц.
Зрозуміло, в формулу треба підставляти опір відповідного резистора. Наприклад, якщо ланцюжок R1C1 має частоту зрізу 16 Гц при ємності 0,01 мкФ, то ланцюжок R2C2 матиме ту ж частоту зрізу при ємності 10 мкФ. Корисно перевірити і верхню частоту смуги пропускання попереднього підсилювача, взявши суму вихідний ємності лампи VL1, вхідний ємності лампи VL2 (береться з довідників) і ємності монтажу СΣ дорівнює 3 + 13,5+ 20 - 40 пФ:
Як бачимо, вона вище необхідної.
Кілька слів треба сказати про призначення розв'язує ланцюжка R5C5. Значні коливання струму вихідної лампи неминуче приведуть і до змін анодного напруги харчування, адже лампові підсилювачі зазвичай харчуються від нестабілізіро-ванних джерел. Щоб вони не позначалися на роботі попереднього каскаду (а нам це абсолютно не потрібно), і встановлена ланцюжок. Конденсатор С5 просто не встигає заряджатися в такт зі змінами анодного напруги. Крім того, ланцюжок додатково фільтрує фон змінного струму при недостатньому згладжування пульсацій в фільтрі випрямляча.
Розглянемо тепер анодний ланцюг вихідного каскаду. Максимальну потужність лампа віддасть, якщо зміни струму від 0 до 100 мА будуть супроводжуватися максимально можливими змінами напруги на аноді, причому максимальному току буде відповідати мінімальне напруження, яке повинно бути, принаймні, 20. 30 В (інакше виникнуть спотворення на піках сигналу) . Врахуємо ще вольт 10 падіння напруги на активному опорі первинної обмотки вихідного трансформатора і отримаємо амплітуду змінної напруги на аноді 250 - 10 - 30 = 210 В. Змінна напруга складається з постійною напругою живлення. Зверніть увагу, що при зменшенні анодного струму до нуля (на негативній напівхвиль вхідного сигналу) миттєве анодна напруга буде підвищуватися до 250 + 210 = 460 В. Як уже згадувалося, лампи легко переносять такі напруги.
Коливальна потужність сигналу ЗЧ в анодному ланцюзі складе
Р = Um · im / 2 = 210 · 0,05 / 2 = 5,25 Вт.
З урахуванням невеликих втрат у вихідному трансформаторі ми виконали поставлену умову (забезпечили 5 Вт в навантаженні). Знайдемо необхідний опір первинної обмотки для струмів ЗЧ RH:
RH = Um / im = 210/50 = 4,2 кОм.
Знаючи RH і опір головки Rг, тепер можна знайти і коефіцієнт трансформації вихідного трансформатора Т1 з огляду на таке: якщо трансформатор знижує напруга в n раз, то в стільки ж разів він збільшує струм в ланцюзі вторинної обмотки, тоді опір трансформується в n 2 разів:
На вищих частотах звукового спектра посилення УМЗЧ зростає, оскільки до активного опору навантаження RH додається індуктивне опір звукової котушки головки, перелічене в первинну обмотку, і опір індуктивності розсіювання самої первинної обмотки трансформатора Т1. Для компенсації підйому паралельно первинній обмотці підключають конденсатор С7, ємність якого важко піддається розрахунку через невизначеність названих параметрів і тому підбирається експериментально, за бажаною формою АЧХ.
Питання для самоперевірки. Може бути, вам вже набридли теоретичні розрахунки? Якщо немає, то розрахуйте підсилювач виходячи із заданих вами самими вимог, а якщо так, то знайдіть, наприклад, непотрібний ламповий телевізор і розберіть його. З дерев'яного корпусу виходить непогана акустична система, якщо з ДСП вирізати передню панель і обтягнути її тканиною. На панелі розмістіть головку, краще не в центрі і краще дві або більше, з'єднані послідовно або паралельно, в залежності від їх опору. Зберіть підсилювач, подібний до описаного, і насолоджуйтеся "ламповим" звуком. Всі деталі, необхідні для реалізації проекту, в старому телевізорі знайдуться.