Введение
Источник питания усилителя, которому в многочисленных публикациях, описывающих конструкции ламповых усилителей, часто посвящается три слова “особенностей не имеет”, может оказывать существенное влияние на качество звука. Можно выделить четыре основных фактора, объясняющих это влияние при неудачной конструкции источника:
- Источник питания может способствовать проникновению в питаемое устройство помех из сети и возникновению сетевой мультипликативной помехи.
- Элементы источника питания сами могут генерировать помехи в очень широком диапазоне частот (от звукового диапазона до радио частот).
- Через нелинейные элементы источника питания протекают сигнальные токи.
- В нестабилизированных источниках изменение нагрузки может приводить к значительным колебаниям выходного напряжения, приводящих к нарушению работы усилительных каскадов.
Перечисленные выше причины не являются новостью и давно известны (как и методы их устранения) проектировщикам высокочувствительной и измерительной аппаратуры, но часто не учитываются при проектировании источников питания для аудио аппаратуры.
В High-End аудио технике мелочей не бывает. Поэтому в данной статье я хочу напомнить вам об этой проблеме и попытаюсь показать механизм возникновения искажений и помех, обусловленных источником питания, и методы их уменьшения.
Некоторые рекомендации, приведенные ниже, целиком справедливы и для транзисторных устройств, хотя основное внимание будет уделено ламповым схемам. Рассматривать источник питания мы будем по направлению распространения мощности – начнем силовым трансформатором и закончим выходным фильтром
Требования к трансформаторному изделию
Для того чтобы собрать выходной трансформатор своими руками – в первую очередь потребуется разобраться в следующих вопросах технического характера:
- По какой схеме будет включаться данный трансформатор.
- Какую звуковую мощность планируется получить на выходе усилителя с его помощью.
- Какими должны быть намоточные характеристики этого устройства.
Важно! Лишь при условии правильного выбора всех перечисленных выше параметров удастся сконструировать высококлассный усилитель с прекрасными характеристиками звучания во всем диапазоне частот. Рассмотрим каждое из условий получения качественного усиления более подробно
Рассмотрим каждое из условий получения качественного усиления более подробно.
Особенности расположения обмоток накаливания
Обмотки накаливания с низкой емкостью иногда требуются для высокочастотных цепей. при небольших номинальных напряжениях, например, для усилителей малой мощности. Здесь воздух занимает преимущественную часть пространства между обмотками. При больших номинальных значениях проблема усложняется, поскольку емкость увеличивается непосредственно по мере того, как растет средняя длина витка катушки для заданного промежутка между обмотками.
По мере увеличения напряжения наступает момент, после которого эффекты утечки потребуют обмотки с масляной изоляцией, после чего емкость возрастает. Существует предельное значение емкости, ниже которого анодно-накальный трансформатор использовать невозможно.
За исключением только что упомянутых отличий, намоточные данные трансформаторов питания для ламповых усилителей мало чем отличается от конструкции небольших силовых трансформаторов обычной частоты переменного тока. Нагрузка постоянна и имеет единичный коэффициент мощности. Реактивное сопротивление утечки не играет роли из-за его квадратурного отношения к нагрузке. Тем не менее, входное напряжение должно быть точно рассчитано, чтобы обеспечить надлежащий срок службы нити накала на лампах усилителя.
В мощных ламповых усилителях часто необходимо защищать нити накала от высокого начального тока, который они потребляют при номинальном напряжении накала. Это достигается путем автоматического снижения пускового напряжения за счет использования ограничивающего ток трансформатора, который имеет магнитное шунтирование между первичной и вторичной обмотками.
Важно! При выборе исполнения ламп необходимо помнить: когда трубчатая нить холодная, то сопротивление нити составляет небольшую долю от ее эксплуатационного значения
Цепи накала
Оптимальная организация цепей накала ламп показана на рисунке 17. Такое подключение позволяет снизить уровень фона и помех в предварительных каскадах усиления не только для ламп прямого накала (такое включение обязательно), но и для ламп с подогревным катодом. Аналогичным образом организуются накальные цепи и для мощных выходных ламп.
Рисунок 17
Иногда, во входных каскадах для ламп с подогревным катодом, среднюю точку накальной обмотки подключают не к общему проводу, а к источнику положительного напряжения (50 ÷ 70 V). Это позволяет разорвать паразитные связи между нитью накала и катодом, что приводит к снижению уровня фона.
При использовании ламп прямого накала во входных каскадах, для дальнейшего уменьшения уровня фона, цепи накала питают постоянным током. Следует отметить одну особенность такого питания накала лампы. Использование постоянного тока приводит к неравномерности распределения потенциалов на катоде и участок катода с более отрицательным потенциалом изнашивается быстрее. В старой аппаратуре можно было встретить специальный переключатель для изменения полярности напряжения накала.
В настоящее время наблюдается тенденция использования мощных генераторных и регулирующих ламп в качестве выходных. Эти лампы требуют большой мощности накала и характеризуются значительным изменением сопротивления нити накала при прогреве. Также, большое изменение сопротивления характерно для ламп прямого накала с вольфрамовым катодом. По данным приведенным в , сопротивление нити накала может измениться в два три раза. Непосредственное подключение цепи накала такой лампы к трансформатору вызовет значительный бросок тока, что приводит к возникновению значительных тепловых деформаций и преждевременному разрушению катода.
Если Вы хотите продлить жизнь своим дорогостоящим выходным лампам, необходимо использовать пусковые цепи ограничивающие бросок тока через нить накала.
Самым простым решением вопроса будет включение дополнительного сопротивления последовательно с нитью накала, которое замыкается после предварительного прогрева.
Схема включения
Для самостоятельного изготовления усилителя на пентодах 6П14П сначала следует подобрать подходящую схему, что при наличии Интернета сделать очень просто. Для этого достаточно набрать в поисковой строке соответствующий запрос и выбрать наиболее понравившееся схемное решение
При этом важно определиться с тем, по какому варианту предполагается делать выходной узел усилителя: на одной или на двух лампах (одно- или двухтактный режим)
Дополнительная информация: Для получения качественного и неискаженного звучания предпочтение следует отдать второму варианту (так называемому «двухтакту»).
При этом исполнении подойдет размещенная слева схема (в нее для удобства включены предварительный каскад на двойном триоде 6Н2П и блок питания с силовым трансформатором Т2).
Литература
- Источники питания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник под ред. Г.С. Найвельта, – М.:Радио и связь, 1986.
- А.К. Шидловский и др. Транзисторные преобразователи с улучшенной электромагнитной совместимостью, Киев: Наукова думка, 1993.
- Д. Андронников, SE на RB300, Вестник АРА № 3.
- В.Ф. Власов, Электронные и ионные приборы, Москва: Радио и связь, 1960.
- Infenion, thinQ!TM SiC Diode Chips.
- И.И. Буданцев, А.Р. Сиваков, Электропитание установок связи, Ленинград 1957
- Л.А. Бессонов, Теоретические основы электротехники, Москва: Высшая школа, 1978.
- Б.И. Терентьев, Электропитание радиоустройств, М.: Связьиздат, 1958.
Основные характеристики
Перед тем как намотать выходной трансформатор для 6П14П следует более подробно ознакомиться с его конструкцией, имеющей следующие характеристики:
- В состав преобразователя входят две обмотки, представляющие его первичную и вторичную многосекционные катушки.
- Трансформатор для лампового устройства наматывается на сердечнике Ш30.
- Толщина набора его пластин составлять 36 мм.
Для размещения обеих катушек выходного трансформатора под двухтакт на 6П14П размеры его рабочего окна необходимо выбрать не менее чем 60 на 30мм.
При таких конструктивных данных преобразователя его намоточные параметры принимают вполне конкретные значения, которые рассматриваются в следующем разделе.
Намоточные характеристики выходного трансформатора
Для того чтобы намотать выходной трансформатор для двухтактного усилителя на 6П14П потребуется изготовить двойной каркас, искусственно разделенный специальной перегородкой.
Расположение намоточных секций на каркасе трансформатора для ламп 6П14П, а также схема подключения первичной и вторичной обмоток изображены на фото.
Каркас первичной обмотки имеет шесть одинаковых по размеру секций, каждая из которых содержит по 300 витков. Вторичная катушка поделена на 4 отделения, содержащие по 44 витка.
Последовательность намотки
Последовательность их намотки своими руками выглядит так:
- В первую очередь наматываются витки в секциях каркаса, обозначенных на фото номерами 1,8,2,7,3.
- После этого частично намотанная конструкция снимается со станка и разворачивается на 180 градусов.
- На следующем этапе работ продолжается намотка оставшихся секций, пронумерованных цифрами 4,9,5,10,6.
Все отделения первичной обмотки выходного трансформатора для лампового усилителя на 6П14П соединяются между собой по последовательной схеме. В отличие от нее вторичная катушка состоит из двух половинок, включенных последовательно, каждая из которых содержит в своем составе две параллельно подсоединенные секции.
Последнее означает, что при секционном построении вторичной обмотки упрощается ее согласование с нагрузками различной величины.
Кроме того, данный подход к намотке катушек своими руками позволяет получить симметричную схему с малым коэффициентом индуктивного рассеяния. Благодаря этому собранный каскад отличается прекрасными АЧХ и ФЧХ характеристиками.
Можно ли собрать ламповый усилитель на торе
Силовой трансформатор выбирают для лампового усилителя, но делается это с учетом определенных технических характеристик. Принцип работы тороидального устройства состоит в том, что оно преобразовывает переменный ток с одними показателями напряжения в другое. При этом возможно нескольку схематических решений: однотактный или двухтактный.
Тороидальные тс в любом случае имеют идентичные конструктивные особенности. В частности, устройства состоят из:
- диска из металла с определенным радиусом (обычно используется качественная сталь);
- прокладки для изоляции прибора;
- вывода первичной обмотки;
- вывода вторичной обмотки;
- инструментов, обеспечивающих изоляцию вторички и первички;
- экранирующей обмотки;
- изоляции сердечника трансформатора;
- предохранителя;
- приборов для крепежа элементов;
- изоляции основной части;
специального тороидального сердечника.
Именно последний — тороидальный сердечник — отвечает за специфику работы тс. Обмотки соединяются при помощи магнитного провода, технологические характеристик его различаются в зависимости от вида трансформатора.
Требования к качеству электрической машины
Самый простой тороидальный трансформатор представляет собой устройство из двух обмоток со стальным сердечником. Предъявляются определенные требования к электрический машине
Обратить внимание следует на то, что:
- первичная обмотка подключается к источнику тока;
- вторичная примыкает к потребителю энергии.
Магнитный провод усиливает индукцию, поэтому его коэффициент подбирается в строгом соответствии с техническими характеристиками обмоток. Витки обмотки определяют, какую силу имеет электромагнетизм. Изменяя число обмоток можно создать систему для лампового усилителя, которая бы преобразовывала любое напряжение.
При самостоятельном изготовлении используйте специальный станок для намотки — он упрощает процесс. Латры берутся одинаковыми, между листами не должно быть зазоров. Если будут щели, то непременно их заполнить железными листами. Выводы обязательно закрепляются при помощи сварочных точек.
Плюсы и минусы использования тороидального трансформатора в качестве выходного
Если трансформатор тороидального типа собираются использовать для работы с ламповым усилителем, то сначала оценивают целесообразность этого поступка. Обычно сравнивают тс такого типа со стержневыми или броневыми вариантами, которые обладают похожей спецификой действий. В сравнении с ним у трансформаторов тороидальных имеются такие преимущества:
- нет зазоров и стыков в сердечнике;
- сталь используется прямым методом, так как направляющие проката и магнитного поля, образуемого элементами, идентичное;
- использоваться могут варианты стали марок Э-340, Э-370 и другие.
Поток рассеяния катушки, которая использоваться в тс, должен быть равен нулю. Только использование пластинки из стали позволяет достичь этого показателя. В отличии от оборудования стандартного вида в этих типах магнитное поле, вызываемое внешними раздражителями, практически не влияет на работу.
Использование тороидального трансформатора в качестве выходного для лампового усилителя соответственно позволяет уменьшить влияние окружающих помех. Тороидальный сердечник, если сравнивать его с обычным, показывает гораздо большие экономические и электрические показатели. Его использование более целесообразно.
Сталь в составе позволяет устранить нелинейные искажения. Кроме того, так как напряжение не колеблеться, величина индукции максимальная, то вес и объем сердечника уменьшается, следовательно устройство само весит меньше.
Отдельно специалисты отмечают простоту использования и удобство приборов. Экранов нет, что позволяет комфортно закреплять их. Но следует понимать, что есть и недостатки. К числу таких относится стоимость намотки — она выходит несколько выше.
Возможные схематические решения
Обычно используются трансформаторы вида с немагнитным зазором. Проблема использования заключается в зависимости сердечника от внешнего поля, показателей индуктивности первички.
Однотактный
Если растет показатель тока на первичной обмотке, то проницаемость будет уменьшаться, а намагниченность увеличиваться. Индуктивность внутреннего слоя понизиться. Это способствует тому, что оборудование начинает работать в режиме насыщения.
Однотактные ламповые усилители дают возможность через тс протекать току, который вызывает намагничивание. Крепеж более мягкого материала невозможен, кроме того, не поможет решить проблему и увеличение витков первички — насыщение сердечника продолжится. Нужные показатели индуктивности достигаются путем смены количества витков и увеличения ширины зазора.
Двухтактный
Проблема создания двухтактного трансформатора идентичная — получить необходимые показатели индуктивности обмотки, но не допустить входа в режим пресыщения.
Для этой цели используется методика создания зазора, а также увеличение твердости магнитной стороны сердечника. Последний помещают в поперечное магнитное поле, которое выступает в роли магнита для середины.
Проведение питания таким образом решает сразу несколько проблем. В первую очередь повышает индуктивность первички. Это означает, что и увеличивается значение магнитной проницаемости. Сердечник не перемещается в режим пресыщения и стабильно работает. Тор наматывается на детали, при этом один является магнитомягким, а другой твердым.
Задачи, решаемые анодно-накальным трансформатором
Электронный трансформатор для питания лампового усилителя отвечает за накал ламп. При наличии некоторых конструктивных недостатков – например, падения выходной мощности и необходимости в прогреве ламп – присутствие устройства в схеме лампового усилителя обеспечивает:
- Снижение чувствительности техники к перепадам питающего напряжения.
- Уменьшаются искажения сигнала, источники которых — каскады лампового усилителя.
- Ликвидируется опасная для человека и элементов схемы усилителя анодная составляющая напряжения (300 В).
- В цепи отсутствует подмагничивание.
- Улучшается качество звучания.
Указанные положительные особенности реализуются на фоне мощности лампового усилителя, которая достигает 4…6 Вт (и более, если используемая акустическая система — с хорошей чувствительностью). Коэффициент усиления варьируется за счёт использования ламп с иными характеристиками. Экранирования анодно-накальный трансформатор не требует, но повышает требования к качеству изоляции обмоток первичной и вторичной обмотки: там присутствует опасное для жизни напряжение.
Для реализации преимуществ потребуется подключение усилителей по симметричной мостовой схеме, что упрощает требования к трансформатору: в частности, не нужно фильтровать анодное напряжение, снижаются требования к синхронности накала ламп. Коэффициент трансформации устройства принимается в соотношении не более чем 1:2. Тогда трансформаторы питания для ламповых усилителей обеспечат не только инвертирование фаз, но и сыграют роль согласующих, гарантируя ту самую гальваническую развязку, отсутствие которой часто становится причиной появления неприятных помех и фона.
Важно! Для прогрева элементов схемы лучше начинать прослушивание музыкальных и звуковых фрагментов через 60 минут
Заключение
В этой статье я попытался обобщить требования и систематизировать сведения по проектированию источников питания для ламповой High-End аппаратуры.
Как Вы видите, проектирование высококачественного источника питания требует проведения достаточно большого объема расчетов (к сожалению, много тонкостей остались за пределами этой статьи в виду специфичности и сложности изложения). По возможности я приводил упрощенные соотношения, позволяющие с достаточной для практики точностью оценить правильность принятых Вами решений. Не следует забывать, что параметры используемых компонентов должны отвечать заданным требованиям.
Использование случайных компонентов и пренебрежение расчетами сможет испортить звук самого лучшего усилителя. Если Вы не можете приобрести соответствующие компоненты или не уверены в своих силах при расчетах, я рекомендую приобрести (или заказать) готовый источник питания.
