Начну с того, что данное собрание материалов не претендует на роль полноценного руководства по ламповым схемам. Все представленные схемы, включая старинные образцы, были отобраны по принципу сочетания технических решений и наличия уникальных особенностей, так называемых ‘изюминок’. У каждого есть свои предпочтения, поэтому не обижайтесь, если подбор не полностью совпадет с вашим вкусом. В более старых схемах некоторые номиналы приведены в соответствии с современными стандартами.
Для увеличения выходной мощности ламповые усилители в 30-х годах начали использовать не только параллелинг ламп, но и двухтактные схемы (push-pull). В этих каскадах для возбуждения необходимы два противофазных сигнала, которые наиболее удобно получить при помощи трансформатора.
Так остается и по сей день: в самых капитальных конструкциях применяют именно трансформаторы с межламповым вассалом, однако влияние этого трансформатора на качество сигнала зачастую сравнительно с собственно выходным трансформатором оказывается значительно сильнее. Поэтому большинство двухтактных схем используют специальный фазоинвертор, который создает требуемые противофазные напряжения.
Основные виды фазоинверторов
- отдельный инвертирующий каскад, встроенный в один из плеч усилителя;
- автобалансный фазоинвертор;
- фазоинвертор с катодной связью;
- с разделенной нагрузкой.
Каждый из этих подходов обладает своими сильными сторонами и недостатками. В эпоху расцвета качественных ламповых усилителей наиболее популярными оказались схемы с разделенной нагрузкой и с катодной связью.
Фазоинвертор с катодной связью обеспечивает некоторое усиление, однако степень схожести выходных сигналов зависит от уровня связи. Глубокая связь достигается за счет использования больших сопротивлений или источников тока в цепи катода, что в некоторых случаях считается не вполне желательным.
Кроме того, сопротивления на выходе таких схем существенно отличаются: один триод работает по схеме с общим катодом, другой — с общей сеткой.
Рассмотрим вариант с разделенной нагрузкой: он дает возможность получать идентичные сигналы с двух плеч, однако при этом они несколько ослаблены. Поэтому приходится увеличивать общий коэффициент усиления или применять двухтактный предусилитель.
Именно эта схема получила широкое распространение и промышленное применение благодаря своей массовой воспроизводимости и удобству серийного производства.
В те годы вопрос экономии был крайне актуален. Радиолюбителям и инженерам было важно сократить число ламп — потому в начале 50-х годов начали появляться схемы двухтактных усилителей без отдельного фазоинвертора. Их выходные каскады функционировали по схеме с катодной связью и работали в классе А, что позволяло упростить конструкцию.
Приведены как новые разработки, так и переделки существующих однотактных усилителей. Однако за пределами нашего региона таких схем долго не получили широкого распространения из-за их низкой экономической эффективности, а за границей они успешно использовались ещё долгое время.
Одна из простых схем такого усилителя, предназначенная для любительских экспериментов, приведена ниже (с благодарностью за предоставленную схему). Обратите внимание на дату её создания.
Дополнительно стоит отметить, что современные ламповые схемы продолжают развиваться и адаптироваться под новые требования. Особенно популярны схемы на базе ламп типа EL84 и 6П14П, которые позволяют добиваться высокой выходной мощности при относительно низком потреблении энергии и хорошей надежности. Также активно используются типы 6П6С, 6Ф3П и 6Н6П, обладающие своими специфическими характеристиками, например, высокой чувствительностью или возможностью работы в узкосигнальных цепях.
Важно помнить, что при проектировании двухтактных усилителей необходимо уделять особое внимание балансировке каналов и точной настройке фазоинвертора для получения качественного стерео- или моноэффекта. Выбор конкретной схемы зачастую зависит не только от желаемой мощности и качества сигнала, но и от условий эксплуатации, бюджета и предпочтений по конструкции.
Простой двухтактный усилитель
Достигнутая выходная мощность — 6 Вт.
Выходной каскад выполнен по схеме с катодной связью. Нагрузка составляет 8 кОм. Конструктивные параметры трансформатора в данной схеме не указаны.
В схеме питания используется двухполупериодный выпрямитель на прямонакальном кенотроне 5Y3GT и LC-фильтр.
Рис. 1. Основная схема двухтактного усилителя на лампах 6C4, EL84 (выходная мощность 6 Ватт).
Обратили внимание на интересную схему регулировки громкости — её реализовали на входе усилителя и использовали всего один переходной конденсатор. Катодная связь в этом проекте слаба, поэтому характер звучания скорее всего будет напоминать однотактный (с отчетливыми гармониками четной природы). Общая обратная связь отсутствует, поскольку запас усиления невелик.
Однако внедрение обратной связи в пентодные усилители очень желательно: без нее их выходное сопротивление становится чрезмерно высоким. Такой подход хорош только для среднечастотной полосы, поскольку уменьшает интермодуляционные искажения, но для использования на других частотных диапазонах не рекомендуем. Достичь глубокой ООС в таких схемах можно только при прямом соединении каскадов.
Двухтактный усилитель класса А
Работающие в классе A усилители отличаются высоким качеством звука; однако при тех же размерах мощности переход к режиму AB позволяет получить чуть ли не в два-три раза больших выходных мощностей. В каскадах режима AB катодная связь уже не применяется, и без отдельного фазоинвертора обойтись нельзя.
Выходная мощность составляет 6 Вт (эффективность менее 1%). Входное напряжение — 0,1 В.
Рис. 2. Принципиальная схема двухтактного лампового УНЧ класса А на лампах 6C4, EL84 (выходная мощность 6 Ватт).
Усилитель собран по схеме с прямой связью между каскадами и использует глубокую ООС (-30 дБ). Выходной каскад, работающий в классе А, выполнен на катодной связи и не требует отдельного фазоинвертора.
Сетка VL3 заземлена по переменному току. Часть напряжения с катодов выходных ламп подается на управляющую сетку VL1, что стабилизирует режим по постоянному току.
Настройка схемы сводится к подбору сопротивлений R1 и R3 так, чтобы напряжение на управляющих сетках выводных ламп было около -12 В относительно их катодов.
Выходной трансформатор выполнен на сердечнике Ш-22х50. Обмотки состоят из 2000 витков провода диаметром 0,18 мм на первичной стороне и 42 витков провода диаметром 1,25 мм на вторичной, причем секционирование обмоток и расположение слоев обеспечивают стабильность режима.
Для повышения эффективности и снижения искажений рекомендуется использовать качественные материалы для трансформатора, а также точно подбирать параметры сопротивлений в цепях управления лампами. Дополнительно, установление правильных сопротивлений R1 и R3 крайне важно для достижения оптимального режима работы.
При создании усилителя важно учитывать теплоотдачу ламп и трансформатора, обеспечивая достаточную вентиляцию корпуса. Использование хороших электролитических и керамических конденсаторов поможет снизить уровень шумов и повысить качество воспроизведения звука.
Для настройки звука рекомендуется провести коррекцию по громкости и тональному балансу, а также убедиться в правильности заземления и отсутсвии паразитных пеленг. В итоге, такой усилитель демонстрирует характерный ламповый ‘теплый’ звук, что ценится аудиофилами за его мягкость и естественность воспроизведения.
Двухтактный усилитель на триод-пентодах
Для сокращения количества ламп или хотя бы баллонов был разработан проект усилителя на двух триод-пентодах. Такие лампы специально созданы для низкочастотных ламповых усилителей в приемниках и ТВ, где триодный элемент применяли в драйвере, а пентод — в выходном каскаде.
Рис. 3. Общая схема двухтактного лампового УМЗЧ на триод-пентодах (6BM8, 6Ф3П, мощность около 10 Ватт).
Фазоинвертор реализован по схеме с разделенной нагрузкой, связь с первым каскадом организована напрямую. Выходной каскад — пентодный с постоянным смещением. Есть варианты схем с ультралинейным включением, автоматическим смещением и другими модификациями трансформатора, хотя их параметры в проекте не указаны.
Цепь R3C2 обеспечивает устойчивость схемы с обратной связью по замкнутой петле.
Ультралинейный усилитель
Несмотря на превосходные технические характеристики, схемы на триод-пентодах не всегда успешно использовались. Представленная ниже схема имела множество вариантов исполнения. В том числе, применяли ультралинейное включение, которое впервые было реализовано в книге Гендина ‘Высококачественные любительские УНЧ’ (1968 г.).
Выходная мощность — около 12 Вт (эффективность менее 0,5%).
Кстати, приставка «ультралинейный» для выходных пентодов в двухтактных схемах означает дополнительное сглаживание гармоник в выходном каскаде. Такой подход в большинстве случаев стал стандартом у любителей, стремящихся к превосходным звуковым характеристикам.
В отечественной промышленной практике ультралинейные усилители пришли в упадок из-за сложности изготовления трансформаторов с необходимой симметрией и разделением обмоток. Массовое применение таких решений в этих условиях было затруднено из-за трудностей в производстве.
Следующая схема стала классической и широко использовалась в массовых конструкциях.
Рис. 4. Принципиальная схема двухтактного ультралинейного лампового усилителя на триод-пентодах (6Н2П, 6П14П, мощность около 12 Ватт).
Выходной трансформатор размещен на сердечнике Ш-19х30 мм. Первая обмотка включает 2х(860 + 1140) витков провода диаметром 0,18 мм, а вторичная — 176 витков диаметром 0,83 мм. Для нагрузки 4 Ом используют 90 витков провода диаметром 1,3 мм. Обмотки секционированы, вторичная расположена между слоями первичной.
Данная схема практически не требует настройки, что объясняет её популярность как среди радиолюбителей, так и в промышленных ценностях. Фазоинвертор выполнен по схеме с разделенной нагрузкой.
Усилитель с комбинированной ООС
Несмотря на повышенные характеристики, зачастую даже ультралинейные или обычные пентодные усилители не обходились без использования общей обратной связи. Это снижало выходное сопротивление и делало работу низкочастотных динамиков более стабильной.
Для уменьшения выхода сопротивления можно применить не только отрицательную, но и положительную обратную связь. В следующей схеме реализована комбинированная обратная связь, сочетающая оба типа.
Рис. 5. Принципиальная схема ультралинейного лампового усилителя, использующего 6Н2П, 6Н1П и 6П14П.
Главная особенность — комбинация обратных связей по напряжению и по току, что способствует лучшему согласованию усилителя с акустической системой в области его резонансных частот.
Обратная связь по току снимается с датчика тока, установленного на ‘земле’ выходного трансформатора. Глубина обеих обратных связей регулируется синхронно, что исключает возможность самовозбуждения устройства.
Первый каскад усиливает напряжение. В фазоинверторе использована схема с катодной связью. Выходной каскад — ультралинейный, дополнен устройством балансировки, что обеспечивает более точное настроение режима. Также во второй части схемы добавлен микрофонный предусилитель.
Выходной трансформатор изготовлен на сердечнике Ш25х40. Общий объём витков составляет 2х(1100 + 400), провода диаметром 0,18 мм. Вторичная обмотка содержит 82 витка провода диаметром 0,86 мм и предназначена для нагрузки 6 Ом.
Триодный усилитель
Триодные выходные каскады имеют низкий уровень искажений и очень малое выходное сопротивление, даже без использования общей обратной связи. Характеристики таких усилителей мало зависят от сопротивления нагрузки, что упрощает их проектирование.
Это позволяет уменьшить индуктивность выходных трансформаторов. В результате приводится два варианта схем с выходной лампой на двойном триоде.
Рис. 6. Общая схема триодного лампового усилителя на 6Ф1П, 6Н6П (выходная мощность 2-3 Ватта).
- Мощность = 2,5 Вт при +250 В;
- Мощность = 3,5 Вт при +300 В.
Первый каскад усиления основывается на пентоде с коэффициентом усиления Ку, равным либо 280, либо 350. В схеме используется фазоинвертор с разделенной нагрузкой. Выходной ступень реализована с постоянным смещением тока. Для уменьшения уровня фона на обмотке накала подается потенциал +40В.
Выходной трансформатор собран на железном сердечнике типа Ш12, размером 12×30 мм, при этом толщина набора магнитопровода составляет 20 мм. Обмотка первичной цепи содержит 2×2300 витков провода диаметром 0,12 мм, а вторичная — 74 витка с проводом диаметром 0,74 мм.
Мощностной трансформатор изготовлен на сердечнике Ш16 с размером 16×40 мм, толщина магнитопровода — 32 мм.
- Обмотка для сети — 2080 витков провода диаметром 0,23 мм,
- анодная обмотка — 2040 витков провода диаметром 0,16 мм,
- обмотка накала — 68 витков провода диаметром 0,84 мм,
- обмотка для смещения — 97 витков провода диаметром 0,12 мм.
На рисунке 7 показана электрическая схема ультралинейного лампового усилителя, выполненного на лампах 6Ф1П и 6Н6П, с выходной мощностью около 2–3 ватт.
Максимальная выходная мощность достигает 2,5 Вт при коэффициенте усиления Кг равным 0,7 и при точности сигнала 1%.
В данном выходном каскаде используется комбинированное смещение, реализуемое за счет накальной обмотки. Трансформатор выходного каскада создан на сердечнике типа Ш12 с размером 12×26 мм и толщиной набора 18 мм.
Обмотка первичной цепи содержит 2×1800 витков провода диаметром 0,1 мм, а вторичная — 95 витков с проводом диаметром 0,59 мм, обеспечивающая сопротивление около 13 Ом.
Автор проекта — И. Шихатов, также известен как Железный Шихман. Связаться можно по адресу: iron.shikhman@yandex.ru (с комментариями и описанием процесса сборки).
Дополнительные советы по настройке и эксплуатации
Для достижения наилучших характеристик рекомендуется тщательно подобрать параметры цепей обратной связи и коэффициента усиления, чтобы снизить искажения и повысить звукопередачу.
Периодически проверяйте состояние ламп и трансформаторов, чтобы обеспечить стабильную работу усилителя. В случае возникновения шумов или посторонних звуков рекомендуется проверить соединения и качественность компонентов.
Также важно следить за температурным режимом устройства, чтобы не допустить перегрева ламп и компонентов, что может негативно сказаться на долговечности и качестве сигнала.
Правильный подбор и настройка питающего напряжения помогают оптимизировать работу схемы и повысить выходную мощность без искажений.
Выбор компонентов и их влияние на характеристики усилителя
Ключевые элементы электрической цепи определяют уровень усиления, динамический диапазон и качество звука прибора. Правильный подбор номинальных значений и типов компонентов существенно улучшает параметры устройства.
Трансформаторы выходные должны иметь достаточный запас по мощности и низкое сопротивление обмоток для минимизации потерь энергии и снижения искажений. Например, при использовании ламп с выходной мощностью около 5 Вт рекомендуется подбор трансформатора с сопротивлением первичной обмотки в пределах 4-6 кОм.
Катушки катодной цепи осуществляют контроль за токами ламп, стабилизируя работу и предотвращая перегрев. Оптимальные значения резисторов – 10-25 кОм, а качество спекания и стабильность сопротивления существенно влияют на уровень гармоник и общую чистоту сигнала.
Конденсаторы в фильтрах блока питания должны выдерживать напряжение не ниже 1,5-кратных рабочих значений, чтобы обеспечить стабилизацию питания и уменьшить шумы. Полиэстеровые или танталовые элементы предпочтительнее в цепях с низкими уровнями искажений, а электролитические – для фильтрации высокого напряжения.
Резисторы стоит выбирать с учетом изменения сопротивления при рабочих температурах. Медь-оксидные или медь-нить с низким термическим коэффициентом обеспечивают стабильность параметров и снижают уровень шума.
Мельчайшие компоненты, такие как стабилитроны и диоды, играют роль в фильтрации пиковых перенапряжений и обеспечении защиты ламп. Их параметры – высокая стабильность при работе в диапазоне температур и короткое время отклика.
При сборке необходимо уделять внимание качеству пайки и использовании компонентов с минимальной паразитной индуктивностью. Это уменьшает влияние паразитных резонансов и вызывает меньше искажений на выходе.
Параллельное соединение резисторов позволяет увеличить стабильность и снизить уровень тепловых искажений. В цепях питания рекомендуется использовать многослойные фильтры с конденсаторами большой емкости для повышения КПД и понижения уровня помех.
Общая стратегия выбора компонентов – это баланс между качеством и стоимостью, поскольку качественные детали помогают добиться предсказуемых характеристик и долговечной работы устройства без необходимости серьезных корректировок и повторных настройок.
Практические советы по настройке и эксплуатации
Перед началом работы убедитесь в исправности электропитания и надежности заземления схемы питания. Для точной установки рабочего тока применяйте миллиамперметр с точностью не хуже 1 мА, подсоединив его в цепь смещения накаливания и анодного питания. При этом регулируйте сопротивление цепи лампы в соответствии с рекомендациями производителя, избегая перегрева и перерасхода электроэнергии.
Оптимальные параметры яркости и выходной мощности достигаются при стабилизации сетевого напряжения в пределах ±1% от номинала. Используйте стабилизированные трансформаторы питания и фильтрующие конденсаторы с емкостью не менее 4700 мкФ в фильтрующих цепях. Проверка состояния вентиляции и удаление пыли из зон охлаждения предотвращают перегрев компонентов.
Для точной настройки баланса по току применяйте переменные резисторы в цепях смещения сетевых ламп. Измерения выполнять при полном прогреве устройства, избегая изменений в течение первых 15 минут после включения. Регулировки следует выполнять аккуратно, поочередно, подключая измерительные приборы для контроля показаний.
В процессе эксплуатации важно соблюдать допустимые режимы мощности анода и катода, указанные в технической документации. Регулятор напряжения на сетке управления должен быть настроен так, чтобы ток покоя не превышал рекомендуемые значения, что способствует долговечности ламп и стабилизации звука.
Рекомендуется периодически проверять состояние вакуума внутри ламп и наличие микротрещин. Используйте защитные предохранители, рассчитанные на номинальный ток, чтобы исключить повреждение при коротком замыкании или перенапряжении. Также контролируйте температуру компонентов устройства, чтобы избежать излишнего нагрева элементов высоковольтной цепи.
Очистка контактов и соединений выполняется сухой щеточкой или мягкой тканью без использования химических веществ. Регулярная верификация значения сопротивлений и исправности электроники гарантирует стабильную работу и качественный звук. В случае изменения звука или появления посторонних шумов рекомендуется проверить состояние ламп и провести повторную настройку по показаниям измерительных приборов.
Преимущества и недостатки различных схем
Различные конфигурации усилителей на основе триодных элементов обладают специфическими характеристиками. Некоторые схемы обеспечивают более низкий уровень искажений при повышенной стабильности работы, что критично при необходимости чистого звука. Например, классические односторонние соединения с последовательным каскадом позволяют добиться высокой линейности, однако могут страдать от снижения выходной мощности.
Варианты с применением обратной связи позволяют контролировать нелинейности, увеличивая предсказуемость поведения устройства, но в то же время усложняют конструкцию и требуют аккуратного расчёта. Адаптация к различным нагрузкам зачастую затруднена, что важно учитывать при подборе схемы под конкретное применение.
Архитектуры с применением каскадов с параллельной или последовательной связью отличаются возможностью увеличить выходной ток, что удобно для усиления громкого звука без ухудшения качества. Однако такие решения часто приводят к росту требований к стабилизации и к более сложной коммутации элементов питания.
Некоторые реализации позволяют снизить уровень внутреннего шума и паразитных колебаний за счёт строгого выбора компонентов и точных настроек, но требуют более высокой точности сборки. В результате эти решения характеризуются повышенной надёжностью при использовании высокотехнологичных деталей, в то время как более простые схемы легче настраиваются, но менее устойчивы к нагрузкам.
При выборе схемы важно учитывать баланс между желаемой выходной мощностью и уровнем искажений, а также сложностью реализации. Более простые сочетания подходят для начального уровня, при этом схемы с дополнительными каскадами или обратной связью обеспечивают более широкий динамический диапазон и качество звучания.
Исторический обзор развития двухтактных ламповых усилителей
История развития аппаратуры усиления звука с использованием электронных ламп начинается во второй половине XX века, когда появились первые конструкции с балансированными каскадами. В послевоенное время научное и производственное сообщество активно искало решения для повышения мощности и качества звука при сохранении компактности и надежности устройств.
Первые образцы подобной техники базировались на триодах с низким уровнем гармонических искажений, однако их мощностные возможности были ограничены. В 1950-х годах появились конструкции с использованием параллельных цепей и специальными схемами фазоинверторов, что позволило увеличить выходную мощность, сохраняя низкий уровень искажений. В это время начали широко применять конструкции с двумя трубками в выходном каскаде, достигая балансировки по струмам и напряжениям.
Модуляция силовых элементов, таких как EL84 или 6П14П, стала стандартом в дальнейшем развитии аппаратуры благодаря их высокой надежности и хорошо налаженной технологической базе. В 1960-х годах появились усовершенствованные схемы с использованием односторонних или двунаправленных фазовых инверторов, что снизило уровень гармонических искажений и увеличило динамический диапазон.
Параллельное соединение ламп в схемах второго порядка дало возможность значительно повысить выходную мощность без существенного увеличения размеров и сложности конструкции. В конце XX века на рынок проникли новые типы ламп, такие как 6П6С или 6Ф3П, которые предложили баланс между качеством звука и экономической эффективностью производства. Эти элементы позволили расширить диапазон настроек и оптимизировать работу усилителей в различных условиях эксплуатации.
Активное внедрение в схемотехнику стабилизаторов и автоматических систем регулировки тока обеспечило стабильную работу усилителей даже при высоких нагрузках. Современные конструкции используют такие лампы благодаря их способности сохранять характеристики при высокой мощности, что особенно важно для аудио-систем высокого класса и профессиональных студий. Исторически сложилось, что именно развитие технологий и совершенствование ламповых элементов привели к появлению надежных, мощных и качественных портативных систем звукоусиления.
