Расчет однотактного триодного усилителя

Один из простейших методов расчета схемы простого триодного усилителя - это открыть инструкцию на лампу, в которой содержатся данные на триод, который вы хотите использовать. Там должен быть пример использования этой лампы со всеми предрасчитанными (рекомендуемыми производителем) параметрами, такими как Rp, Rk, Rg, Ck, Cg – данными для класса А лампы. Все, что вы должны сделать, это выбрать соответствующий трансформатор с правильным сопротивлением нагрузки и коэффициентом трансформации для согласования с громкоговорителем, и выходной каскад готов.
Базовая схема
однотактного усилителя мощности с общим катодом показана ниже.
Первая схема с автоматическим смещением требует несколько больше пассивных элементов по сравнению со схемой с фиксированным смещением и Ug фиксировано только для режима покоя лампы, в режиме усиления сигнала Eg (Ug) является "плавающим" т.е. зависит от входного сигнала. Достоинство - при правильно рассчитанном Rk ток лампы устанавливается автоматически, лампа менее критична к изменению питающего напряжения. Недостаток – ухудшение артикуляции баса, вследствие ограничения на резисторе мгновенного значения тока
протекающего через лампу.
Схема с фиксированным смещением требует отдельного источника, чтобы обеспечить сетку напряжением -Eg. Недостаток – требует настройки анодного тока лампы, более критична к изменению питающего напряжения. Достоинство – лучшее звучание, чем в схеме с автоматическим смещением.
Вне зависимости от того, какую схему вы выберете, вы должны остаться внутри ограничений по параметру Eg – оптимальному для своего класса.

Если Вам не повезло, Вас не устраивает рекомендации производителя и Вы хотите получить большую мощность, либо уменьшить искажения, то можно попытаться рассчитать однотактный триодный усилитель по графикам. Для этого понадобится семейство вольт-амперных характеристик Вашей лампы, постарайтесь их найти в справочниках.
В ином случае можно самостоятельно получить их путем измерения – это конечно займет некоторое время, да и вряд ли это занятие для начинающих. Итак, если необходимые характеристики найти невозможно, то все, что придется сделать, это измерить ток анода для разных напряжений на аноде при постоянном напряжении на сетке и записать эти значения. С помощью этих данных вы можете построите вольт-амперные характеристики на бумаге, если конечно на это хватит терпения и желания. Ниже Вы увидите, как это должно выглядеть. Моя цель – это упростить все насколько это возможно.
На графике из учебника приведены зависимости выходной мощности, коэффициента гармоник и КПД в зависимости от анодной нагрузки лампы. Можно наблюдать, что уменьшение выходной мощности происходит линейно, коэффициента нелинейных искажений – по экспоненте, и при соотношении Ra/Ri > 5 его дальнейшее уменьшение незначительно. Также, при чрезмерном увеличении отношения Ra/Ri наблюдается ухудшение АЧХ в области ВЧ и снижение динамики каскада.

Определение наклона линии нагрузки
Итак, мы выбрали выходную лампу и имеем семейство характеристик для этой конкретной лампы взятых из справочника. Следующий шаг - это определение Rp этой лампы. Следующая диаграмма сделана мной и не принадлежит никакой конкретной лампе – это пример для прямонакальных ламп типа 2A3, 6B4G, 300B, AD1 и других, используемых в однотактных усилителях.
Для примера эта лампа обладает следующими характеристиками:
Напряжение анода Up 0 = 250В Коэффициент усиления u=4 Максимальная мощность рассеивания анода Pp=15 W Rg1 max= 750 KОм, Rp=800 Ом По вертикальной оси отображен ток анода - Ip,
По горизонтальной оси – напряжение анода - Up,
Черные кривые показывают зависимость Ip и Up для различных значений напряжения сетки - Ug. Синяя кривая показывает максимальную мощность рассеяния лампы – выше этой кривой лампа будет работать с перегрузкой и выйдет из строя.
Желтая вспомогательная линия между точками M-N поможет определить наклон линии нагрузки.
Красная линия между точками Q-S параллельная желтой линии и есть линия нагрузки. Однако любая линия, параллельная желтой линии M-N может быть выбрана как линия нагрузки.
Как же ее нарисовать?

Предположим, что лампа будет нагружена на приведенное сопротивление нагрузки Rl=2.4 KОм. Например, мы решаем запустить лампу с анодной нагрузкой Rl=2.3 K, чтобы достигнуть немного большей мощности (на несколько процентов) и хотим посмотреть, как это отразится на семействе характеристик.
Самый быстрый путь определить наклон линии нагрузки это нарисовать вспомогательную линию М-N. Я выбрал ток анода 100 mA (0.1A) и сейчас найду соответствующее Ua для Rl (импеданс первичной обмотки трансформатора).
Rl = Ua/Ia - Rl должно равняться выбранной нами нагрузке 2300 Oм, что соответствует только одной прямой линии (либо линии параллельной ей) – можно рисовать от Ua=230 V до Ia=0.1 A (100 mA)
(причина по которой я выбрал Ia=0.1 A - более наглядный расчет, можно выбрать другой ток, наклон или нагрузку)
Rl = 230В / 0.1A = 2.3KОм
После этого берем Ua0=250В и строим вертикальную линию (Rl = 0) до пересечения с кривой предельной рассеиваемой мощности (голубая кривая) и таким образом определяем необходимое напряжение смещения сетки Ug (Eg). После чего мы рисуем линию Q-S (красную) параллельно вспомогательной линии M-N.
Для максимальной мощности Q-S должна иметь ту же точку пересечения с синей кривой при Ua=250V. Держите линию Q-S в контакте с синей кривой, это позволит получить максимально возможную мощность при конкретной нагрузке. Итак, линия Q-S – это линия нагрузки для нашего триода при Rl=2.3K.
Если линия Q-S пройдет выше синей кривой – это значит, что мы превысим мощность рассеяния для данной лампы и должны выбрать другие параметры - Rl, Up, Ug. Если мы мы придержим красную линию ниже синей кривой, мы можем безопасно продолжать конструирование и дальнейшие расчеты. Если она значительно ниже синей линии – вы получите меньшую мощность. Поэтому держите их в контакте без пересечения – это и будет оптимум без сжигания лампы.
Можно использовать этот быстрый метод для расчета линии нагрузки также и для предусилителя.
Верхняя точка пересечения очень важна для рабочего режима лампы. Для класса A ток покоя анода Ip0 должен быть около половины максимального тока лампы. Нарисуем горизонтальную линию от точки пересечения до вертикальной оси (Rl = ~) – это будет ток покоя лампы Ip0=60 mA (or 0.06 A). Максимальный ток анода Ip max=120 mA (0.12 A) мы получим, проведя горизонтальную линию до вертикальной оси от точки Q, пересечения линии нагрузки с кривой при Ug=0. Теперь из точки Q проведем вертикальную линию до горизонтальной оси для Ip max (ток анода при максимальном сигнале) мы увидим. что Up min = 110В.
Достигнутая выходная мощность будет Pout max=(Ip max - Ip0)х(Ua0 - Up mi/2
Для данных, взятых с нашей диаграммы Pout max = (0,12-0,06)х(250-110)=0,06х140/2 = 4.2 Watt
Ug получим из точки пересечения диаграммы при Ua0= 250В - оно равно Ug= - 45В. Это значит, что потенциал между сеткой и катодом составляет – 45В. Для фиксированного смещения сделайте отдельный источник питания – 45В.
Ввиду отсутствия дополнительного источника питания при автосмещении мы не можем подавать на сетку отрицательное напряжение, поэтому мы запитаем катод положительным потенциалом, относительно сетки. Падение напряжения на резисторе Rk будет примерно на 45В.
Рассчитаем резистор Rk. При отсутствии тока утечки сетка-катод Ik0=Ip0=0.06 A.
Тогда Rk=Uk/Ip0 Rk = 45В /0.06A = 750 Ом
Выберите ближайшее стандартное значение резистора. Можно использовать несколько резисторов , чтобы получить точно рассчитанное значение. Еще один путь намотать его самому (бифилярно или неиндуктивно) проводом с высоким удельным сопротивлением, если вы умеете делать это. Мощность рассеиваемая на этом резисторе будет P= Ip0 x Ip0 x Rk= 2,7 W. Выберите резистор 5-10W минимум, иначе тепло, выделяемое этим резистором может ухудшить тепловые режимы других элементов схемы.
Rg1 is given as minimum and maximum value by the tube manufacturer. Rg1 is usually between 100 K to 1 M and it is also important for forming the load for the preamp-driver tube. Rg1 should be made as higher as permiible by the grid requirement of the power tube without introducing extra load on the driver tube.
Rg2 – этот резистор может отсутствовать в некоторых случаях. Rg2 защищает сетку лампы от высокочастотной паразитной генерации. Его можно выбрать между 1KОм и 10KОм.
Я видел в некоторых конструкциях очень большие емкости Ck и Cg. Возможно это наследие транзисторных конструкций. Для ламп это не так – реальный выходной трансформатор не может пропускать очень низкие частоты без некоторых искажений. Лампы и большие емкости могут. Это как раз и добавляет дополнительные искажения на всех частотах, которые возникают при перегрузке трансформатора. Будьте осторожны при выборе конденсаторов – емкости не очень большие, но достаточные.
Ck – от 20мкФ до 200мкФ, чем больше Rk, тем меньше нужен Ck. Не забывайте, что при очень
большой емкости ёмкости Ск может наблюдаться перегрузка выходного трансформатора на
сверхнизких частотах, ниже граничной частоты полосы пропускания..
Для нашей конструкции Ck=100 – 200мкФ/ 100В достаточно.
Cg от 0.05мкФ до 0.33мкФ аналогично как и Ck – не перегружайте выходной трансформатор большим количество низких частот. Это может добавить гармонических искажений
В нашей конструкции Cg= 0.05мкФ/400В. Если же вы сможете найти не очень дорогие большие выходные трансформаторы с нижней частотой 10 Hz (-0.5 dB) вы можете увеличить межкаскадную емкость.
Звучание и искажения
После того, как все элементы рассчитаны или выбраны давайте посмотрим как этот усилитель будет работать на бумаге и какого рода искажений стоит ждать от него. Как Вы уже заметили на графике есть два синих треугольника ( с надписью Pout внутри) построенные на красной линии нагрузки. Они представляют выходную мощность для каждого полупериода входного сигнала.
Если они имеют визуально равную поверхность - производимые искажения будут равны нулю. Но этого не происходит в реальной жизни. Поэтому мы должны рассчитать, какие искажения мы получим при максимальной мощности.
Сравним каждый треугольник по токам анода. Чтобы D tot = 0 %, должно выполняться условие
Ip max - Ip0 = Ip0 - Ip min.
В нашем случае Ip max - Ip0 = 120 mA - 60 mA = 60 mA это ток для положительного полупериода входного сигнала и Ip0 - Ip min = 60 mA - 5 mA = 55 mA – это ток для отрицательного полупериода входного сигнала. Здесь мы видим, что токи неравны, значит какие-то искажения будут присутствовать.
Чтобы увидеть % искажений можно посчитать их по следующей формуле:

В результате расчета для нашего примера получилось, что общие искажения для максимальной мощности по нашим диаграммам равны D tot = 4.54 %.
Как это звучит? Постройте и послушайте. Это наилучший способ понять, что это значит. Слишком много факторов влияют на этот процесс и каждый из них одинаково важен. Оцените звук путем прослушивания музыки, которая вам нравится.
Удачи и хорошего Звука! В-)
Авторы: А.И.Манаков и В.Юхневич
Перевод в HTML: Павел Крыницкий






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.