Устранение фона переменного тока

Одной из главных проблем, с которой приходится бороться при разработке и создании высококачественных ламповых УНЧ, является фон переменного тока. При этом под фоном переменного тока понимается существующее на выходе усилителя помимо полезного сигнала напряжение, которое имеет

частоту, равную или кратную частоте напряжения сети питания. Наличие рассматриваемого фона переменного тока в любом звуковоспроизводящем устройстве является очень серьезным недостатком, поскольку такой фон сужает динамический диапазон усилителя и резко ухудшает субъективное впечатление от воспроизводимого сигнала.

Основные причины, вызывающие появление фона в ламповых усилителях НЧ, условно могут быть разделены на несколько групп, две из которых являются основными: пульсации питающих напряжений и наводки переменного тока на различные цепи в усилителе. Поэтому устранение фона должно вестись соответственно в двух направлениях, а именно улучшением фильтрации питающих напряжений и снижением влияния наводок.

Одной из основных причин появление фона в ламповых УНЧ являются пульсации выпрямленного напряжения, питающего цепи анодов и экранных сеток ламп. При этом влияние пульсаций тем меньше, чем выше внутреннее сопротивление лампы. Как известно, внутреннее сопротивление пентодов больше, чем у триодов, поэтому с данной точки зрения в первых каскадах лампового усилителя лучше применять пентоды. Помимо этого добиться уменьшения фона, возникающего изза пульсаций напряжения, можно усовершенствованием схемы и улучшением параметров выпрямителя.

При использовании дросселя в фильтре источника питания этот элемент в значительной степени определяет уровень фона. Индуктивность дросселя обычно имеет порядок 520 Гн и должна мало зависеть от тока нагрузки. Для улучшения фильтрации полезно зашунтировать дроссель конденсатором, величина емкости которого выбирается с таким расчетом, чтобы образовался контур, настроенный на частоту пульсаций (100 Гц при двухполупериодном выпрямлении). Принципиальная схема фильтра с контуром такого типа показана на рис. 3.34.

Причины возникновения фона переменного тока могут заключаться и в том, что или экранные сетки ламп питаются недостаточно сглаженным напряжением, или анодный ток излишне нагружает элементы сглаживающего фильтра.

часто питаются напряжением с одинаковыми пульсациями. Однако допустимые пульсации экранного напряжения для большинства оконечных пентодов и лучевых тетродов в 2030 раз меньше, чем пульсации напряжения анода. Поэтому цепи экранных сеток должны питаться через дополнительную сглаживающую цепь.

С целью уменьшения влияния утечки между катодом и нитью накала иногда для первых каскадов усилителя рекомендуется вместо цепей автоматического смещения использовать отдельный выпрямитель с фильтром, с помощью которого формируется постоянное напряжение смещения, подаваемое на сетку лампы. Принципиальные схемы возможных вариантов таких выпрямителей приведены на рис. 3.35.

В качестве источника входного переменного напряжения могут использоваться как обмотка накала (рис. 3.35, а), так и специальная обмотка (рис. 3.35, б) силового трансформатора,

В процессе разработки, создания и налаживания высококачественных ламповых усилителей низкой частоты основное внимание следует уделять выявлению и устранению наводок. Дело в том, что в настоящее время в любительских конструкциях УНЧ обычно применяются схемы источников питания, практически не отличающиеся от промышленных образцов, подробно описанных в литературе и проверенных в эксплуатации. Поэтому при исправных элементах и отсутствии ошибок во время сборки выпрямителя влияние пульсации питающих напряжений значительно снижается, а причиной появления шумового фона на выходе усилителя обычно бывают наводки переменного тока.

Наводимые в цепях усилителя паразитные напряжения чаще всего невелики и обычно не превышают нескольких

Поэтому влияние наводок наиболее ощутимо проявляется в первых каскадах усилителя, где напряжения полезного сигнала соизмеримы с наводимым напряжением фона. Все возникающие в ламповых УНЧ наводки переменного тока условно можно разделить на статические и магнитные.

Обычно статические наводки возникают за счет появления паразитной емкости между какимилибо цепями усилителя, чувствительными к фону, и проводами, по которым протекает переменный ток. Особой чувствительностью к статическим наводкам отличаются, например, цепи сеток ламп входных каскадов. При этом, чем больше сопротивление в цепи сетки, на которую происходит наводка, и чем выше разность потенциалов между этими проводами, тем сильнее наводка. Поэтому наводки переменного тока резко усиливаются, если происходит обрыв в цепи утечки сетки какойлибо из ламп первых каскадов.

Для определения каскада, на который действует наводка, достаточно поочередно замкнуть на корпус управляющие сетки всех ламп усилителя, начиная с первой. Прекращение или резкое уменьшение фона при замыкании сетки одной из ламп свидетельствует о том, что происходит наводка переменного тока на сеточную цепь именно этой лампы. Если наводки в усилителе не обнаружены, но при воспроизведении прослушивается фон, это указывает на то, что напряжение фона поступает на усилитель с устройства, подключенного к его входу.

По сравнению со статическими наводками переменного тока магнитные наводки, как правило, оказывают меньшее влияние, за исключением тех случаев, когда источником наводки является поле силового трансформатора, а объектом какойлибо элемент усилителя, имеющий обмотку.

Довольно часто создателям любительской ламповой звуковоспроизводящей аппаратуры приходится бороться с наводками, причиной которых является наличие общих цепей для переменного тока и сигнала или же использование общих цепей для переменного и постоянного питающего напряжения.

Так, например, не рекомендуется использовать в качестве одного из проводов, подводящих сигнал к входу усилителя, оплетку экранированного провода. Для подведения сигнала лучше всего применить два экранированных провода или двойной провод в общем экране, а общую оплетку соединить с шасси усилителя. При несоблюдении этого правила фон может иметь значительную величину, так как напряжение, наводимое на оплетке, будет подаваться на вход вместе с сигналом.

По этим же соображениям в высококачественных ламповых усилителях НЧ не следует использовать общий минусовой провод или шасси в качестве одного из проводов накала.?

На рис. 3.36 приведены примеры неправильного (а) и правильного (б) монтажа первого каскада усилителя, в котором шасси служит одним из проводов накала.

При использовании в первом каскаде усилителя, например, пентода 6Ж1П, неправильный монтаж цепи накала может привести к тому, что увеличение переходного сопротивления контакта на шасси до 0,05 Ом вызовет появление на выходе усилителя значительного фона, эквивалентного подаче на его вход напряжения 3 мВ.

Одним из самых простых и, в то же время, самым эффективным методом предотвращения наводок является применение экранов. Необходимо отметить, что электрические и магнитные экраны должны быть тщательно заземлены, иначе их использование может привести к противоположному результату усилить, а не ослабить фон. В первую очередь, специальная экранирующая обмотка наматывается между первичной и вторичными обмотками силового трансформатора источника питания. Помимо этого лампы входных каскадов должны размещаться на ламповых панельках со специальными экранами. Тщательно экранировать следует все разветвленные сеточные и анодные цепи первых каскадов, например, какиелибо корректирующие фильтры, помещая все детали данной цепи с монтажными платами в общий экран.

Для подключения источника сигнала к входу усилителя рекомендуется использовать экранированные провода и

коаксиальные разъемы, поскольку обычные штыревые гнезда и вилки, имея довольно большие незащищенные поверхности, могут явиться причиной сильного фона.

Все детали, используемые в цепях, чувствительных к фону, для уменьшения наводок должны иметь как можно меньшие габариты. При этом их металлические корпуса также следует заземлять. Необходимо надежно заземлять и массивные металлические элементы конструкции, расположенные вблизи входных каскадов. Особое внимание следует уделять заземлению корпусов переменных сопротивлений, поскольку чаще всего они не соединены с осью потенциометра.

Один из методов, часто используемых для уменьшения фона переменного тока, нередко называют компенсационным. Его сущность состоит в том, что к управляющей сетке одного из каскадов усилителя подводится переменное напряжение, равное по величине напряжению фона, действующему на этой сетке. В результате, если фазы напряжений фона и добавочного сигнала будут точно противоположны, то суммарное напряжение будет равно нулю, а фон окажется скомпенсированным. Главным недостатком этого метода является то, что со временем вследствие старения могут изменяться параметры ламп и других элементов, что приведет к нарушению компенсации. Поэтому применение подобных методов устранения фона в высококачественных усилителях нежелательно.

Компенсационный метод может применяться и для уменьшения пульсаций переменного тока в блоках питания. Так, например, при большом выпрямленном токе сердечник дросселя фильтра значительно намагничивается, что вынуждает увеличивать его сечение для сохранения прежней индуктивности. Однако для уменьшения пульсаций можно намотать на дроссель компенсационную обмотку. Принципиальная схема фильтра с компенсационной обмоткой приведена на рис. 3.37. К сожалению, полной компенсации получить таким способом не удается, однако уровень фона заметно снижается.

Одним из вариантов уменьшения компенсации фона переменного тока в оконечном каскаде лампового усилителя НЧ с трансформаторным выходом является использование дополнительной обмотки дросселя сглаживающего фильтра выпрямителя. Эта обмотка подключается последовательно со звуковой катушкой и вторичной обмоткой выходного трансформатора. В результате фон переменного тока компенсируется вследствие того, что на звуковую катушку низкочастотного динамика акустической системы подается переменное напряжение, фаза которого противоположна фазе напряжения фона, наводимого во вторичной обмотке выходного трансформатора. Принципиальная схема выходного каскада с подключением дополнительной обмотки дросселя приведена на рис. 3.39.

Рис. 3.39. Принципиальная схема выходного каскада с подключением дополнительной обмотки дросселя сглаживающего фильтра

Количество витков дополнительной обмотки дросселя зависит от сопротивления звуковой катушки динамика и обычно составляет от 20 до 40 витков медного лакированного провода

диаметром 0,81,0 мм. Фаза снимаемого с этой обмотки напряжения подбирается опытным путем с помощью изменения порядка подключения выводов.

Естественно, такой способ компенсации можно применять только в том случае, если в схеме источника питания используется сглаживающий дроссель. К тому же с помощью рассмотренной схемы компенсируется лишь та составляющая фона, которая возбуждается в выходном каскаде. Поэтому данный способ компенсации фона переменного тока широкого распространения не получил.

3.6. Особенности схемотехники отдельных каскадов ламповых УНЧ

Помимо общих особенностей построения схем предварительных и оконечных усилителей низкой частоты, обусловленных конструктивными особенностями электронной лампы и необходимостью обеспечения оптимальных режимов ее работы для обеспечения требуемых параметров УНЧ, вполне определенная специфика существует и при разработке отдельных каскадов, блоков и узлов ламповых усилителей. Данное замечание, в первую очередь, относится к фазоинверсным каскадам, узлам с катодными повторителями, а также к цепям обратной связи. Поэтому некоторые особенности построения указанных узлов будут кратко рассмотрены ниже.

Фазоинверсные схемы в ламповых УНЧ

В промышленной и радиолюбительской высококачественной звуковоспроизводящей ламповой аппаратуре широкое распространение получили усилители мощности, выполненные по двухтактной схеме. Такие усилители вносят сравнительно малые нелинейные искажения, мало чувствительны к помехам разного рода (в том числе и к фону переменного тока) и обладают повышенной стабильностью. Помимо этого, в таких усилителях возможно использование высокоэкономичных режимов, а также сравнительно малогабаритных трансформаторов.

Для нормальной работы двухтактного лампового оконечного каскада на его вход следует подать два переменных напряжения одинаковой амплитуды и частоты, но сдвинутые друг относительно друга на 180°, то есть противоположные по знаку. При этом каждое из указанных напряжений подается на сетку соответствующей лампы в одном из плеч каскада. Такие два напряжения невозможно получить на выходе обычного предварительного усилителя, выполненного по реостатной схеме, в котором нагрузочное сопротивление включено в анодную цепь лампы. Поэтому для формирования напряжений с требуемыми характеристиками применяются специальные схемы, называемые фазопереворачивающими, фазоинверсными или просто инверсными.

Простейшим фазоинверсным устройством является усилитель с симметричным трансформаторным выходом, в котором вторичная обмотка трансформатора имеет вывод от среднего витка. Упрощенная принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. 3.40.

Формируемые на обеих половинах обмотки напряжения Uj и U2 равны по амплитуде, но противоположны по знаку относительно средней точки, соединенной с корпусом, то есть сдвинуты по фазе на 180°.

Необходимо отметить, что обычно такое схемотехническое решение применяется в тех случаях, когда оконечный каскад лампового усилителя мощности работает в режимах с токами в цепи управляющей сетки. В других случаях эту схему применять не рекомендуется.

В фазоинверсном каскаде можно использовать и трансформатор, вторичная обмотка которого не имеет отвод от середины. Упрощенная принципиальная схема такого каскада приведена на рис. 3.41.

В данной схеме средняя (нулевая) точка формируется искусственно с помощью двух резисторов R1 и R2, которые одновременно являются сопротивлениями утечки для ламп выходного двухтактного каскада. С помощью двух диодов Дій Д2 формируются два одинаковых по амплитуде напряжения (Uj и U2), фазы которых отличаются на 180°. Эти напряжения являются входными для ламп оконечного каскада. Необходимо отметить, что для нормального функционирования рассматриваемого фазоинвертора диоды должны иметь обратное сопротивление, в несколько раз большее, чем сопротивление резисторов. Подобную схему фазоинверсного каскада целесообразно использовать в усилителях, выходные каскады которых работают в режимах А или АВ.

В настоящее время разработчики промышленной аппаратуры и радиолюбители стремятся не применять в УНЧ трансформаторы, если в них нет особой необходимости. Это объясняется, в первую очередь, тем, что обмотки трансформатора обладают значительной реактивной составляющей, что ограничивает применение трансформаторов в широкополосных высококачественных УНЧ. Поэтому для согласования источника входного напряжения с симметричным входом двухтактного усилителя мощности, работающего без сеточных токов, применяются другие схемные решения.

Широкое распространение в качестве фазоинверсного получил каскад, представляющий собой однотактный усилитель низкой частоты на сопротивлениях с симметричным выходом. Необходимо отметить, что в настоящее время в промышленной и радиолюбительской аппаратуре широко применяется несколько вариантов схемотехнических решений таких каскадов. Упрощенные принципиальные схемы усилителей на сопротивлениях с симметричным выходом приведены на рис. 3.42.

В схеме, изображенной на рис. 3.42, а, сопротивление нагрузки разделено на две части. Одна его часть (RM = RA/2) включена в анодную цепь лампы между ее анодом и плюсом источника анодного питания. Другая часть (R^ = RA/2) включена в цепь катода лампы между минусом источника анодного напряжения и катодом лампы. Следует заметить, что при строгом подходе в состав сопротивления нагрузки, подключенного к катоду лампы, следовало бы включить и величину сопротивления резистора Rj^j, однако сопротивление этого резистора и подключенного параллельно ему конденсатора С К1 для переменных токов полезного сигнала ничтожно мало.

Напряжение Uj снимается с сопротивления RA1 анодной части нагрузки и через конденсатор Ср1 подается на сетку лампы одного из плеч оконечного двухтактного усилителя. Напряжение U2 снимается с сопротивления RA2 катодной части нагрузки и через конденсатор подается на сетку лампы второго плеча. При этом напряжения Ul и U2 равны по амплитуде, но противоположны по знаку. Мгновенная полярность переменных напряжений указана на схеме. Если в какойлибо

момент времени мгновенное значение переменного напряжения, подаваемого на сетку лампы одного из плеч оконечного усилителя, будет положительно, то в этот же момент мгновенное значение переменного напряжения, подаваемого на сетку лампы второго плеча, будет отрицательным. Таким образом, разделение сопротивления анодной нагрузки позволяет получить на выходе каскада переменные напряжения, сдвинутые на 180°. Амплитуды этих напряжений равны, если равны эквивалентные сопротивления частей разделенной нагрузки.

На принципиальной схеме усилителя на сопротивлениях с симметричным выходом (рис. 3.42, а) конденсаторы Ср1?

и Ср2 являются разделительными, а сопротивления RC1 и RC2 сопротивлениями утечки ламп последующего двухтактного каскада. Напряжение смещения формируется на резисторе R^, являющемся частью катодной нагрузки, и через сопротивление Rc подается на управляющую сетку.

Как уже отмечалось, сопротивление резистора RKl и подключенного параллельно ему конденсатора СК1 для переменных токов полезного сигнала ничтожно мало, поэтому их можно исключить. В результате принципиальная схема фазоинверсного каскада на сопротивлениях с симметричным выходом примет вид, изображенный на рис. 3.42, б.

При использовании рассмотренных фазоинверторов необходимо помнить, что такие каскады охвачены глубокой отрицательной обратной связью в цепи катода. Поэтому коэффициент усиления в фазоинверсном каскаде с разделенной нагрузкой всегда меньше единицы, что является существенным недостатком данной схемы.

Иногда для выравнивания паразитных емкостей, шунтирующих анодную и катодную части нагрузки, необходимо принимать специальные меры. Поэтому для устранения асимметрии на высших частотах, вызываемой неравенством емкости участка «катодкорпус» лампы (через нить накала) и выходной емкостью Свых лампы (С^ обычно больше, чем Свых), между анодом лампы и корпусом включается выравнивающий конденсатор Свр.

Фазоинверсный каскад на сопротивлениях с симметричным выходом может быть выполнен и на пентоде, применение которого целесообразно в тех случаях, когда входная емкость каскада должна быть небольшой, например, в широкополосных усилителях. При использовании пентода в таком каскаде следует учитывать некоторые особенности, обусловленные конструкцией этой электронной лампы. Так, например, необходимо иметь в виду, что вследствие протекания в катодной цепи пентода тока экранной сетки 1э нагрузочное сопротивление, включенное в цепь катода, должно быть меньше нагрузочного сопротивления RA1, включенного в анодную цепь лампы, во столько раз, во сколько катодный ток (1К = 1Л + 1Э) больше анодного тока 1д. Иными словами, должно выполняться следующее соотношение:

(^ + Ли)/Дл1 = /л/(/д + /з).

Несмотря на то, что коэффициент фазоинверсного каскада на сопротивлениях с симметричным выходом меньше 1, данное схемотехническое решение довольно часто применяется в высококачественных широкополосных усилителях низкой частоты. Это объясняется тем, что по сравнению с другими фазоинверсными устройствами данная схема обеспечивает лучшую частотную характеристику.

Помимо схем однотактных фазоинверсных схем с разделенной анодной нагрузкой в ламповых УНЧ широкое применение получили двухтактные самобалансирующиеся инверсные схемы. В этих схемах используется два триода, один из которых обеспечивает изменение фазы сигнала на 180°. Поскольку на практике в таких каскадах обычно применяются двойные триоды, рассматриваемая схема часто называется фазоинверсным каскадом на двойном триоде. Существенным отличием фазоинверсного каскада на двойном триоде от каскада на сопротивлениях с симметричным выходом является то, что его коэффициент усиления К больше единицы. При этом можно получить такое же значение коэффициента К, как и в реостатном усилителе, однако за счет использования второго триода.