Логотип

Лампы или транзисторы. Что лучше для УЗЧ?

категория

Электронные компоненты

материалы в категории

В. КОСТИН, г. Москва
Журнал Радио 1 номер 1998 год

"High-End" разделил любителей высококачественного звучания на два лагеря. Представители одного из них отдают предпочтение транзисторной усилительной технике, другого - ламповой. Стороннику первого направления уже была предоставлена возможность высказать свои соображения на страницах "Радио" (см. №2 за 1997г.). Сегодня редакция знакомит читателей с мнением одного из энтузиастов лампового направления в "High-End'' Валентина Николаевича Костина. Старые подписчики журнала, видимо, помнят его статью "Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ". Тогда она вызвала многочисленные и весьма разноречивые отклики. В. Костин считает, что с помощью ламповой усилительной техники легче удается наиболее полно воссоздать музыкальный образ, задуманный композитором, исполнителем и звукорежиссером. Поскольку схемотехника ламповых усилителей многими уже основательно подзабыта, а молодое поколение ее всерьез и не изучало, автор начинает с рассказа о принципах работы и построения таких усилителей.

Что такое "High-End"? Однозначно ответить на этот вопрос вряд ли кто-то сможет. Дело в том, что это понятие сугубо эмоциональное. Создать такой электроакустический тракт, который бы удовлетворял абсолютно всех, просто невозможно.

Одна из характерных особенностей нового направления в развитии высококачественного звуковоспроизведения -возрождение интереса к использованию электронных ламп в усилителях 3Ч. Связано это с тем, что при проведении сравнительных прослушиваний звучания ламповой и транзисторной аппаратуры эксперты все чаще стали отдавать предпочтение первой из них.

В статье "Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ" автор этих строк впервые попытался установить связь между объективными характеристиками электронных ламп и субъективным восприятием звучания, обеспечиваемого ламповыми усилителями 3Ч. Остановимся на этом более подробно.

способы включения ламп в усилителях НЧПрежде всего напомним читателям об основных особенностях использования ламп в усилителях 3Ч. Известны три схемы их включения: с общим катодом (рис. 1 .а), с общим анодом (рис. 1.6) и общей сеткой (рис. 1,в). Четырехполюсниками U1 и U2 условно обозначены входные и выходные цепи каждого из показанных на рис. 1 каскадов. Причем четырехполюсники должны быть построены таким образом, чтобы через анодные цепи ламп мог протекать постоянный ток, а на сетку относительно катода можно было бы подать необходимое постоянное напряжение смещения.

Наибольшее распространение получил усилительный каскад, построенный по схеме с общим катодом. В простейшем виде он показан на рис. 2. Известно, что свойства лампы, как элемента электрической схемы, определяются зависимостями между токами и напряжениями в цепях ее электродов. При расчете ламповых усилителей принято пользоваться статическими анодно-сеточными характеристиками: ╡a = f(Uc) при Uа = соnst И ╡а=f(Ua) при Uc=const. Семейства этих характеристик взаимосвязаны, так что имея одни из них, можно построить другие. Примеры таких характеристик триода и пентода показаны соответственно на рис. 3 и 4.

Основные параметры лампы легко установить по статическим характеристикам. Коэффициент усиления определяют как отношение приращения напряжения на аноде к приращению напряжения на сетке при постоянном анодном токе: m = ΔUa /ΔUC при la=const.

Внутреннее сопротивление определяется как отношение приращения напряжения на аноде к приращению тока анода при постоянном напряжении на сетке:

Ri= ΔUa/Δla при Uc=const.

Крутизна лампы представляет собой отношение приращения тока анода к приращению напряжения на сетке при постоянном напряжении на аноде: S = ΔIa/ΔUc при Ua= const.

Теперь о работе ламп в реальном усилительном каскаде. Условно различают три режима: А. В и С. В режиме А начальное положение рабочей точки выбирают таким, чтобы при реальной амплитуде сигнала она перемещалась в пределах линейного участка сеточной характеристики лампы. В режиме В рабочая точка находится у нижнего сгиба этой характеристики, а в режиме С - левее сгиба. В результате в двух последних режимах лампа работает как нелинейный элемент.

Начальный режим работы лампы задается напряжениями источников питания цепей ее электродов за вычетом падений постоянных напряжений на элементах этих цепей. Падения напряжений и токи в цепях электродов легко найти, пользуясь характеристиками лампы.

Мы не будем останавливаться на основных особенностях работы лампы в каскаде линейного усилителя и не станем приводить основные расчетные формулы для той или иной схемы ее включения, отошлем читателя к литературе [1, 2]. Отметим только, что свойства ламповых усилительных каскадов, по сути, эквивалентны свойствам аналогичных каскадов на транзисторах. Однако есть и отличия.

Во-первых, крутизна лампы от температуры анода (в разумных пределах) не зависит, коэфициент же передачи тока транзисторов h21э изменяется при колебаниях температуры его кристалла. В результате в ламповых усилителях удается избежать инфранизкочастотной модуляции сигнала и обеспечить хорошее воспроизведение низкочастотного участка спектра звукового диапазона частот. Существующее заблуждение относительно "слабого баса" в ламповых усилителях связано, на наш взгляд, с недостаточной мощностью выходных трансформаторов и трансформаторов питания.

Во-вторых, лампы. в отличие от транзисторов, управляются напряжением, а не током. Это позволяет разгрузить предыдущий каскад в ламповых усилителях и соответственно уменьшить вносимую им нелинейность. Не следует, конечно, забывать о входной емкости последующего каскада, которая может быть достаточно высокой. Так, в каскаде на лампе 6Н2П ее величина при максимальном коэффициенте усиления составляет около 73 пФ. но для зарядки такой емкости требуется значительно меньший ток, чем ток управления транзисторным каскадом.

В-третьих, лампы более индивидуальны, чем транзисторы, по вносимым в сигнал нелинейным искажениям. В качестве примера приведем уровни гармонических искажений выходного сигнала для двух взаимозаменяемых ламп 12АХ7 и 6Н2П в эквивалентных каскадах (табл. 1).

Подобные сведения для транзисторных каскадов были указаны в статье автора, опубликованной в "Радио" ╧ 12 за 1987 г. Следует иметь в виду, что изменение режима в обоих случаях ведет за собой перераспределение уровней гармонических составляющих.

Теперь поговорим о факторах, влияющих на качество звучания, обеспечиваемое выходными каскадами усилителей на электронных лампах. Начнем с источника питания, поскольку, как показывает практика, от него в значительной мере зависит работа любого усилительного устройства.

В связи с тем что установка стабилизатора напряжения в ламповом усилителе неэкономична, повышаются требования ко всем элементам его источника питания.

Чтобы устранить потери в сетевом проводе, его токовая нагрузка не должна превышать 2,5 А/мм2 сечения. Перед первичной обмоткой сетевого трансформатора нужно установить заграждающий фильтр, подавляющий проникающие в усилитель высокочастотные и импульсные помехи. Он, правда, не спасает от "щелчков", проникающих в усилитель при включении и выключении бытовых приборов с реактивной нагрузкой (холодильников, пылесосов и т. д.), но защищает от помех, создаваемых источниками мощных радиоизлучений.

На трансформаторе питания следует остановиться особо. Его конструкция должна обеспечивать подавление помех, прошедших через заграждающий фильтр.

Существуют три основные конструкции трансформаторов — броневые, стержневые и тороидальные. Наиболее широкое распространенно получили броневые трансформаторы на Ш-образных магнитопроводах. Они дешевы, технологичны, но имеют большие поля рассеяния. К тому же на таких трансформаторах очень трудно добиться устранения наводок и помех, а значит, и подавления "щелчков" при работе бытовых приборов. Трансформаторы на тороидальных магнитопроводах не имеют указанных недостатков, однако они слишком дорогие.

Весьма важны выбор сечения магнитопровода сетевого трансформатора и расположение на нем его обмоток. Для повышения качества звучания нужно стремиться к снижению индуктивности рассеяния и собственной емкости трансформатора. Особое внимание нужно обратить на изоляцию, экранировку и расположение сетевой обмотки на магнитопроводе. так как любые паразитные связи способствуют проникновению в усилитель помех из сети. Выбирая сечение магнитопровода и диаметр проводов обмоток трансформатора, необходимо учитывать, что ток, проходящий через вторичную обмотку, нагруженную на мостовой выпрямитель, может достигать трехкратной величины выпрямленного тока. Практика разработки усилителей 34 показывает, что реальный сетевой трансформатор должен иметь двух-трехкратный запас по сечению стали магнитопровода и меди провода обмоток относительно общепринятых методик расчета.

К выпрямителям источников питания ламповых усилителей мощности никаких особых требований, отличных от требований к аналогичным устройствам транзисторных усилителей, не предъявляется. Разве что для ламповых должны использоваться более высоковольтные выпрямительные приборы, поскольку анодное напряжение ламп значительно превосходит напряжение, необходимое для питания транзисторов.

В последнее время, правда, стало модным вместо кремниевых диодов использовать в выпрямителях кенотроны. Действительно, кенотрон открывается более плавно, и выпрямленный им ток содержит меньше высокочастотных составляющих, однако хорошие сглаживающие фильтры и правильно выбранная топология монтажа позволяют сконструировать отличный выпрямитель и на кремниевых диодах. Иными словами, при правильно сделанном выпрямителе на кремниевых диодах у кенотронного выпрямителя нет перед ним никаких преимуществ.

Третьим основным элементом источника питания усилителя является сглаживающий фильтр. В источниках питания высококачественных усилителей 34 желательно применять фильтры на фторопластовых или полипропиленовых конденсаторах. Однако такие конденсаторы имеют малую удельную емкость и недостаточно сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. В связи с этим приходится устанавливать в фильтрах оксидные конденсаторы. Наиболее подходят К50-27. Вместо одного конденсатора большой емкости рекомендуется использовать несколько параллельно включенных конденсаторов меньшей емкости и шунтировать оксидный конденсатор полипропиленовым небольшой емкости. Впрочем, в последнее время появились полипропиленовые конденсаторы К78-12. К78-17 и К78-20 емкостью порядка десятков микрофарад, рассчитанные на рабочее напряжение 500 В.

Теперь - о факторах, определяющих зависимость звучания от самого усилителя. При выборе однотактной или двухтактной схемы усилителя мощности обычно учитывают следующие их преимущества и недостатки. Гармоники, содержащиеся в выходных сигналах однотактных усилителей, менее заметны при субъективном восприятии; такие каскады обеспечивают более мягкое звучание высокочастотного регистра, они проще по схемотехнике и конструкции. Из недостатков однотактных каскадов можно отметить низкий (15...20 %) КПД и. как следствие, малую выходную мощность, высокие требования к уровню пульсаций и стабильности напряжения источника питания, трудности воспроизведения низших звуковых частот. Последний из названных недостатков связан с наличием постоянного подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора однотактного усилителя мощности. Это приводит к снижению магнитной проницаемости магнитопровода, а значит, и к уменьшению индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора и повышению частоты среза его частотной характеристики.

Попытки повысить индуктивность увеличением числа витков первичной обмотки мало что дают, так как при этом растет подмагничивание и реальное увеличение индуктивности будет незначительным. К тому же при увеличении сопротивления обмотки возрастет теряющееся на ней напряжение и снизится КПД. Улучшить ситуацию с воспроизведением низших звуковых частот можно, увеличивая сечение магнитопровода, на что и идут многие конструкторы однотактных ламповых усилителей.

Двухтактные усилители мощности лучше воспроизводят низшие звуковые частоты, так как постоянное подмагничивание магнитопроводов в их выходных трансформаторах отсутствует. Такие усилители имеют более высокий КПД и выходную мощность, они менее требовательны к параметрам источника питания, им необходим более простой выходной трансформатор. Однако двухтактные усилители с меньшей точностью воспроизводят высшие звуковые частоты и имеют более сложную схемотехнику.

Для получения неискаженного звучания очень важна идентичность характеристик ламп двухтактного выходного каскада. Обычно их подбирают по крутизне и напряжению закрывания, но, как показывает опыт, подбор только по этим параметрам бывает недостаточен. Так, при разбалансе токов выходных ламп возникает амплитудная модуляция гармоник выходного сигнала частотой 100 Гц. т. е., например, при усилении сигнала частотой 1000 Гц на выходе усилителя будут присутствовать составляющие частотой 900 и 1100 Гц. А это приводит к появлению дополнительных и, смеем вас уверить, слышимых искажений. При разбалансе растет, разумеется, и общий коэффициент нелинейных искажений.

Последние исследования показали, что пары памп необходимо подбирать по совладению вольт-амперных характеристик с точностью не хуже 5 % во всем диапазоне рабочих токов.

Вопрос об использовании в усилителе мощности ООС можно решить, учитывая известные еб достоинства и недостатки. Полагая, что достоинства ООС хорошо известны читателям, скажем только, что усилитель без ООС, например, лучше воспроизводит высшие и хуже низшие звуковые частоты. Его характеристики сильно зависят от стабильности параметров как ламп, так и других элементов схемы, а также свойств источника питания. Он требует более тщательного продумывания монтажа.

Параметры выходного каскада усилителя в большой степени определяются работающими в нем лампами. В первую очередь. учитывая особенности ламп, следует решить, какие из них целесообразнее всего применить в усилителе -триоды или пентоды (тетроды). Скажем, по сравнению с пентодами триоды обеспечивают лучшую линейность усиления и имеют меньшее внутреннее сопротивление, однако у них более низкое усиление, и из-за худшего использования анодного напряжения они не позволяют получить большую выходную мощность.

Как уже отмечалось, лампы более индивидуальны с точки зрения обеспечиваемого ими качества звучания. Приведем (табл. 2) спектр гармоник выходного сигнала однотактного усилителя мощности без ООС на лампе EL-34, работающей в режиме А при амплитуде выходного сигнала, соответствующего мощности 1 Вт. Уровень первой гармоники принят за О дБ.

Как видно из таблицы, усилительные каскады на однотипных лампах даже одного производителя имеют различные спектры гармоник выходного сигнала, а значит, будет неодинаковым обеспечиваемое ими звучание.

Выбор режима работы усилителя мощности обычно не представляет затруднений. Целесообразнее всего использовать режим А, как обеспечивающий получение меньших искажений и лучшее звучание.

Гораздо сложнее решить вопрос о схемотехническом построении выходного каскада усилителя, но об этом пойдет речь в следующей статье.

ЛИТЕРАТУРА

1. Войшвилло Г. Усилители низкой частоты на электронных лампах. - М.: Энергоиздат, 1959.
2. Эрглис К., Степаненко И. Электронные усилители. - М.: Наука. 1964.

Почта сайта