По мотивам Нобу Шишидо. Двухтактный усилитель на КТ88

Эту схему двухтактного усилителя, входной и драйверный каскад которой выполнены по мотивам этой схемы гения звука Нобу Шишидо (WAVAC audio lab), придумал известный разработчик ламповой звукотехники Михаил Брон, идеи и дельные замечания которого помогли мне воплотить это проект, за что ему большое человеческое спасибо!

Статья откорректирована в 2016м году: исправлены найденные ошибки.

Содержание

• Принципиальная схема лампового двухтактного усилителя
  • Принципиальная схема усилительного каскада
  • Принципиальная схема источника питания
• Расчёт источника питания усилителя
  • Расчёт выпрямителя анодных напряжений
  • Работа выпрямителя на статическую нагрузку
  • Расчёт индуктивного фильтра
  • Расчёт гасящих резисторов для анодных напряжений каскадов усилителя
  • Расчёт цепи задержки подачи анодного напряжения
  • Расчёт выпрямителя фиксированного сеточного смещения
• Расчёт выходного каскада
• Расчёт входного каскада
• Расчёт драйверного каскада
• Перечень деталей усилителя
  • Механические элементы
  • Электромеханические элементы
  • Электроника
• Механические чертежи
  • Размещение элементов усилителя. Вид сверху
  • Размеры и размещение элементов усилителя. Вид сзади
  • Верхняя монтажная панель
  • Нижняя панель. Вентиляционные отверстия
  • Расположение деталей блока питания. Вид сверху
  • Расположение деталей блока питания. Вид сбоку
  • Внутренние монтажные панели
  • Монтажная панель усилительной части
  • Перегородка
  • Монтажная панель накального трансформатора
  • Монтажная панель выпрямителя
• Галерея
• Примечания
  • Стандартный ряд диаметров свёрл по металлу (мм)
  • Как читать дюймовые размеры винтов
  • Соответствие американской и европейской записи диаметра провода

Принципиальная схема лампового двухтактного усилителя

Схемотически усилитель состоит из двух блоков: собственно усилительного каскада, схема которого приведена на рис. 1 и источника питания, схема которого приведена на рис. 2.

Принципиальная схема усилительного каскада

Рис. 1. Принципиальная схема усилительного каскада

Принципиальная схема источника питания

Рис. 2. Принципиальная схема источника питания

Расчёт источника питания усилителя

Расчёт выпрямителя анодных напряжений (Блок "A")

В качестве силового трансформатора был выбран трансформатор МЕ–225 фирмы ISO Танго.

Рис. 3. Трансформатор МЕ–225

со следующими параметрами:

Напряжение на первичной обмотке (действующее значение) U1_AC = 230V
Паспортные напряжения на вторичных обмотках (действующие значения) U2_AC = 400V–360V–0–100V–360V–400V (для питания анодных цепей используются отводы 360V).
Номинальный ток анодной обмотки, протекающий через отвод 400V I2_AC = 0.225A.

Паспортная мощность трансформатора (расчитанная по вторичным обмоткам):

P2 = 2 x 5.0V х 3.3A + 6.3V х 3.3A + 10V x 3.3A + 400V x 0.225A = 177VA

Расчёт потребляемой мощности анодных и накальных цепей

Анодная обмотка

ток покоя выходных ламп: 2 х 65мА = 130мА
ток покоя драйверной лампы: 27мА
ток покоя входного каскада: 3.8мА
ток делителя смещения (bias) накала " верхней" лампы входного каскада: 2.5мА

Суммарный ток покоя (ток, протекающий через половину анодной обмотки трансформатора в течение полупериода): 130 + 27 + 3.8 + 2.5 = 163.3мА ( 164мА ).

Напряжение, приложенное к аноду кенотрона в течение полупериода: U2_AC = 360V

Мощность, потребляемая с анодной обмотки: 2 х I2_AC х U2_AC = 2 х 0.164 х 360 = 118VA.

Накальные обмотки

ток накала кенотрона GZ34: 1.9A (два кенотрона – 3.8А)
ток накала выходной лампы КТ88: 1.6А (две выходные лампы – 3.2А)
ток накала драйверной лампы EL38: 1.4А
ток накала входной лампы 6J5G: 0.3А (в расчёт принимается только одна "верхняя" лампа, поскольку накал "нижней" лампы запитывается от отдельного трансформатора)

Суммарный ток накальных обмоток: 3.8А + 3.2А + 1.4А + 0.3А = 8.7А.

Мощность, потребляемая с накальных обмоток: 5.0V х 3.8А + 6.3V x 3.2А + 6.3V x (1.4А + 0.3А) = 19 + 20.6 + 10.7 = 50.3VA.

Суммарная потребляемая мощность со вторичных обмоток трансформатора: Р₂ = 118VA + 50.3VA = 168.3VA.

Особенности подключения трансформатора

Накальные обмотки 0–5V 3.3А запаралелены для питания накала 2х кенотронов.

Обмотка 0–5.0V–6.3V 3.3A с отводом от 6.3V используется для питание накалов "верхней" лампы входного каскада и драйверной лампы. Нижний по схеме вывод этой обмотки подключен к делителю напряжения, так что половина анодного напряжения входного каскада (постоянное смещение) "поднимает" потенциал накала этих ламп с целью убрать разность потенциалов между катодами и нитями накала.

Обмотка 0–6.3V–10.0V 3.3A с отводом от 6.3V используется для питания накалов выходных ламп.

Поскольку к "нижней" лампе входного каскада не подводится постоянное смещение, то для питания накала "нижней" лампы, а так же схемы задержки подачи анодного напряжения, используется отдельный накальный трансформатор Т2 266JB6 от Хаммонда.

Измеренное активное сопротивление одной половины анодной обмотки трансформатора = 41.3Ω (отвод 400V) или 37.2Ω (отвод 360V), второй половины – 43.3Ω (отвод 400V), или 39Ω (отвод 360V) можно считать среднее значение сопротивления половины анодной обмотки трансформатора R_ТР2 = 42.3Ω (отвод 400V) или 38.1Ω (отвод 360V).

Коэффициент трансформации (отношение числа витков первичной обмотки ко вторичной или отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке) для анодной обмотки 2 х 360V:

n_Р = U_А / U2_АС = 230V / ( 2 х 360V ) = 0.32.

Измеренное сопротивление первичной обмотки трансформатора R_ТР1 = 4.4Ω.

Приведенное ко вторичной обмотке сопротивление трансформатора R_ТР = R_ТР2 + R_ТР1 / n_Р = 90Ω.

Работа выпрямителя на статическую нагрузку

При отсутствии входного звукового сигнала, для выпрямителя усилитель является статической нагрузкой с потребляемым от источника питания анодным током I_Р = 164мА и накальным током I_F = 8.7А.

Рис. 4. Условная схема выпрямителя, работающего на статическую нагрузку

Падение напряжения на анодной обмотке трансформатора.

Потребляемый статический ток I_Р = 164мА, протекающий через половину анодной обмотки трансформатора с активным сопротивлением 90Ω / 2 приведёт к падению напряжения на ней, равному 0.164А х 45Ω = 7.4V. Поэтому напряжение U_Р, подаваемое на анод кенотрона, будет равно U2_АС – 7.4V = 352V.

Падение напряжения на кенотроне.

Предполагается использовать два запараллеленных кенотрона, поэтому через один диод будет протекать только половина тока, т.е. 164 мА / 2 = 82мА. Для лампы GZ34 определяется из паспортных данных (см. рис 5) для тока 0.082А падение напряжения на одном диоде составит 13.5V.

Рис. 5. Анодная характеристика кенотрона GZ34 (описание лампы (by Philips Data Handbook) взято с сайта frank.pocnet)

Таким образом суммарное падение напряжения на активном сопротивлении половины анодной обмотки трансформатора и кенотронах ΔU = 8V + 13.5V = 21.5V.

Прямое напряжение, приложенное к анодам кенотрона на холостом ходу выпрямителя U_P0 = √2 х U2_AC = √2 х 360V = 509V. До этого напряжения должен зарядиться первый конденсатор фильтра при отсутствии нагрузки.

Рабочее напряжение первого конденсатора фильтра должно быть примерно на 10% больше, чем расчётное напряжение, т.е. 509 + (509 х 0.1) = 560V (600V).

Поскольку анодная обмотка и первый конденсатор фильтра включены по отношению к кенотрону последовательно, то в момент отрицательного полупериода напряжения, приложенного к аноду (кенотрон заперт), катод кенотрона находится под положительным напряжением первого конденсатора фильтра Uс. Таким образом, между анодом и катодом кенотрона появляется удвоенное амплитудное напряжение вторичной обмотки (Peak Inverse Voltage) Uобр = 2 х U_P0 = 2 х 509 = 1018V.

Амплитудное значение напряжения на катоде кенотрона:

U_К = √2 x (U2_AC – ΔU) = √2 x (360V – 21.5V) = 479V.

Амплитуда пульсаций напряжения на конденсаторе С1 ёмкостью 47μF:

U_C1~ = Iвых / (2 x f_C x C) = 0.164 / (2 x 50 x 47e^–6) = 35V (p–p).

Выпрямленное напряжение на конденсаторе U_С1 = U_К – U_C1~/2 = 479 – 35/2 = 461V.

При этом можно считать нагрузку выпрямителя активным сопротивлением R_Н = Uвых / Iвых = 461 / 0.164 = 2811Ω. (с учётом активного сопротивления дросселя – 40Ω нагрузочное сопротивление выпрямителя станет равным 2851Ω).

Расчёт индуктивного фильтра (Блок "B")

Для дальнейшего снижения пульсаций использован индуктивный фильтр (см. рис 6), построенный на дросселе LC–3–350D фирмы ISO Танго со следующими параметрами:

L = 3Гн.
I_НОМ = 350мА
I_MAX = 450мА
R = 40Ω

Рис. 6. Индуктивный фильтр

Поскольку дроссель обладает активным сопротивлением, то напряжение на выходе фильтра (U_C2) будет меньше входного напряжения (U_С1) на величину I_Р х 40Ω. Для статической нагрузки 164мА это падение составит 6.6V, таким образом напряжение на конденсаторе С2 при токе нагрузки 164мА составит 454.4V.

Коэффициент фильтрации индуктивного фильтра К_Ф = 4 х π² х f² x L x C2, где

f – частота пульсаций фильтруемого напряжения (для двухполупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна 100Гц).
L – индуктивность дросселя, Гн.
С – ёмкость следующего за дросселем, конденсатора (С2), Ф.
показывает во сколько раз напряжение пульсаций на выходе фильтра меньше напряжения пульсаций на входе фильтра, т.е. К_Ф = U_C1~ / U_C2~.

Таким образом, для выбранного конденсатора С2 = 470μF, К_Ф= 4 х π² х 100² x 3 x 470e^–6 = 556.6 и напряжение пульсаций на выходе фильтра U_C2~ = U_C1~ / К_Ф = 35 / 556.6 = 0.063Vp–p.

Рабочее напряжение конденсатора на выходе дросселя в силу незначительного напряжения пульсаций, может быть выбрано примерно на 5% больше выходного напряжения фильтра = 454.4V + 0.05 х 454.4V = 477V (представляется возможным использование конденсатора со стандартным рабочим напряжением 550V).

Минимальное значение тока, протекающего через дроссель: I_МИН = 2 x √2 x U_C2 / (6 x π² x f x L) = 2 x √2 x 461V / (6 х π² х 100 x 3) = 73мА. Если величина потребляемого нагрузкой тока меньше этого минимально допустимого значения, то сглаживающий конденсатор, включенный после дросселя будет заряжаться импульсами напряжения до амплитудного значения напряжения на катоде кенотрона под нагрузкой (т.е. до 479V).

Расчёт гасящих резисторов для анодных напряжений каскадов усилителя (Блок "B")

Расчётное значение анодного напряжения выходного каскада усилителя U_B1 = 452V при токе I_B1 = 130мА.

Заданное значение анодного напряжения драйверного каскада усилителя U_B2 = 320V при токе I_B3 = 27мА, таким образом, величина гасящего резистора будет равна (U_B1 – U_B2) / (27мА + 4мА + 3мА) = 3.9кΩ.
Рассеиваемая мощность на этом резисторе будет равна (U_B1 – U_B2) х (27мА + 4мА + 3мА) = 4.5W

Заданное значение анодного напряжения входного каскада усилителя U_B3 = 250V при токе I_B3 = 4мА, таким образом, величина гасящего резистора будет равна (U_B2 – U_B3) / (4мА + 3мА) = 10кΩ.
Рассеиваемая мощность на этом резисторе будет равна (U_B2 – U_B3) х (4мА + 3мА) = 0.5W

Заданное значение тока через делитель напряжения смещения I = 3мА, поэтому величина общего сопротивления делителя будет равна U_B3 / 3мА = 83кΩ.

Расчёт цепи задержки подачи анодного напряжения (Блок "С")

Постоянная времени цепи задержки τ = C x (R1 x R2 / (R1 + R2)).

при значениях С = 100μF, R1 = 470кΩ, R2 = 680кΩ имеем τ = 28 секунд.

Расчёт выпрямителя фиксированного сеточного смещения (Блок "D")

Диапазон изменения U_BIAS = {–35 ... –70}V, т.е. падение напряжения на резисторе, регулирующем сеточное смещение, составит 30V.

Входное переменное напряжение выпрямителя U_~ = 100V.

Выпрямленное напряжение U₌ = √2 х 100V – U диода = 141V – 1.0V = 140V.

Резистор фильтра выпрямленного напряжения R_F = 10кΩ.

Общий ток двух делителей I₀ = 6мА, поэтому падение на резисторе фильтра U_R = 10кΩ x 6мА = 60V.

Таким образом, напряжение, подаваемое на два делителя, U₀ = √2 x 100V – U_диода – U_R = 141 – 1.0 – 60 = 80V, а общее сопротивление одного делителя R = U₀ / (I₀ / 2) = 80V / 3мА = 27кΩ.

Ток через каждый делитель I₁ = I₂ = 6мА / 2 = 3мA.

Нижний по схеме резистор делителя выбирается из условия ограничения нижнего значения напряжения смещения –35V: 35V / 3мА = 11.7кΩ (используется стандартное значение 12кΩ, при этом нижнего значения напряжения смещения составит –36V).

Потенциометер делителя должен обеспечивать изменение напряжения от 36V до 70V, поэтому падение напряжения на нём составит 70V – 36V = 34V, что при токе 3мА определит его сопротивление равным 34V / 3мА = 11.3кΩ. (использован потенциометр на 10кΩ, при этом диапазон регулировки напряжений сеточного смещения составил 10кΩ х 3мА = 30V).

Верхний по схеме резистор делителя равен 27кΩ – (12кΩ + 10кΩ) = 5кΩ (выбрано стандартное значение 5.1кΩ).

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении фильтра R_F составит 10кΩ х 6мА² = 0.36W.

Расчёт выходного каскада

Поскольку выходной каскад включен по ультралинейной схеме на трансформатор с известными параметрами - XE-60-5 фирмы ISO Танго, то расчёт сведётся к определению тока покоя и мощности рассеивания каскада.

Рис. 7. Графический расчёт режима работы лампы КТ88 в двухтактном выходном каскаде (описание лампы (by The General Electric CO. LTD of England) взято с сайта frank.pocnet)

Первая точка линии нагрузки I_{А (UА = 0)} = E_А / R_А, где R_А определяется по заданному сопротивлению R_А–А выходного трансформатора Tango XE–60–5 (5кΩ), пересчитанного для одного плеча: R_А = R_А–А / 4 = 1.250кΩ. Тогда I_{А (UА = 0)} = 452 / 1.250 = 362мА.

Вторая точка линии нагрузки U_{А(IА = 0)} = E_А = 452V.

Точку "Р" определим на пересечении линии нагрузки с характеристикой при U_С = 0, при этом I_{А макс} = 328мA, U_{А мин} = 42V.

Ток покоя лампы I_А0 = ~(1/3 ... 1/5) I_{А макс} / 2 = 65мА (точка "Т") находится на пересечении линии нагрузки с характеристикой при U_С примерно равном -43V это и будет напряжение смещения лампы в режиме холостого хода.

Точка "Т" определяет напряжение на аноде в режиме холостого хода U_А0 = 370V, соответствующему току покоя лампы I_А0.

Сопротивление в цепи анодов двух ламп: R_А–А = 22 x (U_А0 – U_{А мин}) / (I_{А макс} – I_А0) = 4 x (370 – 42) / (0.328 – 0.065) = 5кΩ.

Мощность рассеивания на аноде P_A = U_А0 x I_А0 < P_{A макс} = 370 х 0.065 = 24Вт < 40Вт.

Максимальная мощность, отдаваемая двумя лампами в нагрузку при КПД ультралинейного каскада ~60%: P~ = (I_{А макс} x (U_А0 – U_{А мин}) x η) / 2 = (0.328 x (370 – 42) x 0.60) / 2 = 32W.

Амплитуда переменной составляющей анодного тока лампы: I_мА = (I_{А макс} – I_А0) / 2 = (328 – 65) / 2 = 132мА.

Действующее значение анодного тока лампы при максимальной мощности: I_{А0 макс} = (I_{А макс} + 2 x I_А0) / 4 = (328 + 2 x 65) / 4 = 115мА.

Действующее значение анодного тока в общем проводе выходного трансформатора I_макс = 2 х I_{А0 макс} = 230мА.

Рис. 8. Построение сеточной характеристики одной лампы КТ88 двухтактного выходного каскада (описание лампы (by The General Electric CO. LTD of England) взято с сайта frank.pocnet)

Особенностью данного каскада является обратная связь, подаваемая с выходного трансформатора в катоды ламп (т.н. "супертриодное" включение). Подробнее об этой схеме можно прочесть на сайте Menno van der Veen'а.

Расчёт входного каскада

Входной каскад выполнен по схеме параллельно управляемого двухлампового усилителя (SRPP).

Рис. 9. Принципиальная схема входного каскада

Рис. 10. Семейство анодных характеристик лампы 6J5G (описание лампы (by RCA) взято с сайта frank.pocnet)

При заданном токе покоя 4мА через нижнюю лампу, получаем напряжении на сетке лампы = 4V, тогда сопротивление автоматического смещения в цепи катода нижней (а так же верхней) лампы = 4V/4мА = 1кΩ.

Коэффициент усиления каскада при условии, что в качестве "верхней" и "нижней" применяются одинаковые лампы, а так же что катодный резистор нижней лампы шунтирован конденсатором:

А = μ х (r_А2 + R_К2 х (μ + 1)) / (r_А1 + r_А2 + R_К2 х (μ + 1)) = 20 х (8000 + 1000 х (20 + 1)) / (8000 + 8000 + 1000 х (20 + 1)) = 15.7.

Где:

r_А1 – внутреннее сопротивление "нижней" лампы
r_А2 – внутреннее сопротивление "верхней" лампы
R_K2 – сопротивление смещения в цепи катода "верхней" лампы

μ – коэффициень усиления лампы

Усилитель рассчитан на номинальное входное напряжение звукового сигнала ~1.0V_P–P поэтому при таком уровне сигнала, выходное напряжение каскада составит 1.0 х 15.7 = 15.7V_P–P. Поскольку связь между входным и драйверным каскадом непосредственная, то значение напряжения на сетке драйверной лампы составит U_К + 15.7/2 = 125+7.85 = 133V.

Расчёт драйверного каскада

Как было отмечено ранее, напряжение смещения U_К драйверной лампы (падение на катодном резисторе) должно быть не менее 133V. При выбранном анодном токе драйверной лампы I_А0 = 27мА, катодное сопротивление драйверной лампы R_К =133/27 = 5кΩ. Мощность, выделяемая на этом резисторе P_RК = U_К х I_А0 = 133V x 0.027мА = 3.6W.

Рис. 11. Принципиальная схема драйверного каскада

В качестве промежуточного трансформатора был выбран трансформатор NC–14 фирмы ISO Танго. Полное сопротивление параллельно соединённых анодных обмоток трансформатора равно 1.25кΩ (активное сопротивление 82.5Ω), допустимый ток - 30 мА. Полное сопротивление последовательно соединённых анодных обмоток этого трансформатора равно 5кΩ (0.33кΩ), допустимый ток - 15 мА.

Рис. 12. Трансформатор NC–14

Постоянное напряжение на сетке драйверной лампы в режиме покоя U_C0 = 125V, сопротивление в цепи катода драйверной лампы R_К = 5кΩ (напряжение смещения при выбранном токе покоя I_А0 = 27мА, U_К = 133V), таким образом на сетке лампы присутствует постоянное напряжение смещения сетки относительно катода U_C =125 – 133 = –8V (рабочая точка лампы).

Линия анодной нагрузки (см. рис 13) для постоянного тока, определяющую разделение анодного напряжения между лампой (R_i) и сопротивлениями в анодной (R_А) и катодной (R_К) цепях, построена исходя из следующих соображений:
Если анодный ток равен нулю, то напряжение на аноде лампы равно напряжению источника Е_А = 320 V.
Если падение напряжения на лампе равно нулю, то ток через лампу ограничен величиной I_Амакс = Е_А/(R_А + R_К). При заданном R_А = 0.0825кΩ (активное сопротивление параллельно соединённых анодных обмоток трансформатора) и R_К = 5.0кΩ, приближённое значение максимального тока I_Амакс = 320 / (0.0825 + 5.0) = 63мA.

Рис. 13. Семейство анодных характеристик лампы EL38 в триодном включении (по Tom Schlangen)

Перечень деталей усилителя

Механические элементы

Электромеханические элементы

Электроника

Механические чертежи

Размещение элементов усилителя. Вид сверху

Рис. 14. Размещение элементов усилителя. Вид сверху

Размеры и размещение элементов усилителя. Вид сзади

Рис. 15. Размеры и размещение элементов усилителя. Вид сзади

Верхняя монтажная панель

Рис. 16. Верхняя монтажная панель

Нижняя панель. Вентиляционные отверстия

Рис. 17. Нижняя панель. Вентиляционные отверстия

Расположение деталей блока питания. Вид сверху

Рис. 18. Расположение деталей блока питания. Вид сверху

Расположение деталей блока питания. Вид сбоку

Рис. 19. Расположение деталей блока питания. Вид сбоку

Внутренние монтажные панели

Рис. 20. Внутренние монтажные панели

Монтажная панель усилительной части

Рис. 21. Монтажная панель усилительной части

Перегородка

Рис. 22. Перегородка

Монтажная панель накального трансформатора

Рис. 23. Монтажная панель накального трансформатора

Монтажная панель выпрямителя

Рис. 24. Монтажная панель выпрямителя

Галерея

Несколько фотографий с разных этапов постройки усилителя.

Рис. 30. Силовой трансформатор

Рис. 31. Силовой и накальный трансформаторы в сборе

Рис. 32. Дроссель и панельки кенотронов в сборе

Рис. 33. Прокладка цепей накала

Рис. 34. Корпус усилителя

Рис. 35. Усилитель, вид сверху

Рис. 36. Усилитель "изнутри"

Рис. 37. Усилитель с установленными лампами, вид сверху

Примечания

Стандартный ряд диаметров свёрл по металлу (мм)

1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.3, 3.5, 4, 4.1, 4.2, 4.5, 5.0, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5, 9, 9.5, 10, 10.5, 11, 12, 12.5, 13

Как читать дюймовые размеры винтов

Например: #4–40 1/4".

Первая цифра – номер, соответствующий диаметру винта (диаметр = "#" х 0.013" + 0.060").
Вторая цифра – шаг витка резьбы (количество витков резьбы на дюйм): 25.4 / 40 витков = 0.635.
Третья цифра – длина винта: 1/4" = 6.35 мм.

Некоторые соответствия номера винта и его диаметра приведены в таблице.

Таблица 1. Некоторые соответствия номера винта и его диаметра

Соответствие американской и европейской записи диаметра провода

Таблица 2. Соответствие американской и европейской записи диаметра провода

2013 ©Dimitry Lyumet