Mugen гибридный усилитель

Valinor · April 13, 2022

Чтобы начать разговор о гибридных усилителях хочу представить готовое решение из зарубежной статьи.

Радиолампы переживают ренессанс в мире аудио, что легко в большом количестве коммерческих усилителей и DIY-конструкций, которые появились в последние годы. К сожалению, ламповые усилители относительно дороги по сравнению с транзисторными усилителями, отчасти из-за необходимости высоковольтных питающих и выходных трансформаторов. Данный усилитель пытается исправить этот недостаток заменой выходных ламп и трансформаторов на современные транзисторы. Лампы используются только во входном каскаде.

Драйверный каскад

Спойлер

Усилитель (рис. 1) состоит из каскад напряжения и каскад тока. В каскад напряжения, который является драйверной частью, построен на лампах V1 и V2, и он должен обеспечивать адекватное усиление входного сигнала. Здесь от 20 до 30 дБ – это практическая цифра. Каскад тока, построенный на транзисторах Q4 и Q5, позволяет усилителю работать с 4-омными или 8-омными громкоговорителями. Каскад тока действует как буфер и не имеет никакого усиления.

Каскад напряжения должен подавать стабильные 25 Veff на каскад тока, чтобы вывести усилитель на максимальный выходной уровень. Ключевым фактором здесь является то, что сигнал должен иметь достаточно малые искажения, так как в данной схеме не используется общая отрицательная обратная связь. Схема также должна быть способна управлять сопротивлением нагрузки 10 кОм, так как схема драйвера видит R11 (20 кОм) параллельно с комбинацией Р3 и R16 (20 кОм). Импеданс можно увеличить за счет самозагрузки или использования драйверов МОП-транзисторов, но самозагрузка и драйверы МОП-транзисторов не соответствуют концепции этого усилителя.

В других проектах, полностью реализованных на лампах, автор приобрел опыт работы с драйверными каскадами, которые должны выдавать выходные сигналы с большой амплитудой и малыми искажениями. Схема «long-tailed pair» исключительно хорошо подходит для этой задачи. Эта конфигурация была выбрана еще и потому, что она может действовать как фазовращатель, что позволяет использовать определенный трюк, как описано ниже.

«Long-tailed pair» можно рассматривать как дифференциальный усилитель, усиливающий разницу между сигналами на двух управляющих сетках. Входной сигнал подключен к «левому» входу. «Правый» вход здесь заземлен, поэтому выходной сигнал представляет собой усиленную версию входного сигнала. Преимущество такой схемы состоит в том, что обратную связь можно подключить к правому входу, где она будет вычитаться из исходного сигнала. Эта отрицательная обратная связь уменьшает количество искажений.

Общие катоды двух половинок ЕСС83 (эквивалент в США: 12АХ7} можно рассматривать как третий вход, который здесь обеспечивает 6 дБ локальной отрицательной обратной связи.

Особенностью «long-tailed pair» является то, что она имеет два выхода с противоположными фазами (сдвиг фаз на 180 градусов). Левый анод находится «в фазе», а правый анод «не в фазе».

«Long-tailed pair» обычно имеет общий катодный резистор, что и дало ей название. Вместо этого в этой конструкции используется источник тока. Высокое внутреннее сопротивление источника тока улучшает характеристики схемы, включая искажения, а рабочий ток ЕСС83 легко регулируется подстроечным потенциометром.

Благодаря высокому коэффициенту усиления (100) и отличной доступности ЕСС83 является правильным выбором для этого применения. Необходимость высокого усиления можно объяснить следующим образом. «Long-tailed pair» имеет 6 дБ локальной отрицательной обратной связи. Обычный усилитель катод-резистор или заземленный катод, построенный на ЕСС83, может обеспечить усиление более 35 дБ, а используемая здесь «long-tailed pair» может обеспечить более 29 дБ. Первоначальная цель этого усилителя заключалась в том, чтобы избежать использования общей отрицательной обратной связи. Однако мы включили возможность добавления 6 дБ общей отрицательной обратной связи. Для этого на печатной плате предусмотрена перемычка/штекер. Это позволяет каждому, кто собирает усилитель, решать, что он считает лучшим. Даже при общей отрицательной обратной связи коэффициент усиления все еще достаточно высок (23 дБ), чтобы обеспечить адекватную входную чувствительность.

Это подводит нас к упомянутому ранее трюку. С обычной катодно-резисторной схемой было бы невозможно получить общую отрицательную обратную связь, подавая выходной сигнал обратно на катод обычным способом, потому что выходной сигнал находится в фазе с входным сигналом, и это вызвало бы положительную обратную связь. Выходной сигнал Vlb пары с длинным хвостом не совпадает по фазе, что делает возможной общую отрицательную обратную связь.

ООС является предметом многочисленных дискуссий. Автор на собственном опыте убедился, что усилитель с сильной отрицательной обратной связью имеет менее открытое и «приятное» звучание, чем конструкция без отрицательной обратной связи. Значение 6 дБ представляет собой хороший компромисс.

Недостатком ЕСС83 является относительно высокое выходное сопротивление. Следовательно, катодный повторитель включен после ЕСС83, чтобы обеспечить достаточную мощность для транзисторного каскада. Катодный повторитель имеет низкий выходной импеданс (менее 500 Ом) по сравнению с примерно 50 кОм у «long-tailed pair». После долгих экспериментов наилучшие результаты были получены с ЕССВВ в этом положении. Смещение настроено на соответствие максимальному номинальному анодному напряжению ЕССВВ (130 В пост. тока). Однако версия ЕССВВ JJ имеет максимальное номинальное анодное напряжение 220 В, как и ЕССВВ Philips. Большое значение катодного резистора ЕССВВ позволяет ЕСС83 подключаться непосредственно к ЕССВВ. ЕССВВ является самосмещающимся благодаря большой отрицательной обратной связи по постоянному току, обеспечиваемой катодным резистором R7.

Дополнительным преимуществом используемой здесь конструкции катодного повторителя является то, что напряжение на катоде составляет 0 В в холодном состоянии схемы и постепенно повышается до рабочего уровня смещения примерно +194 В по мере прогрева ЕССВВ. Конденсаторы связи заряжаются постепенно во время этого процесса, в результате чего транзисторному каскаду не приходится справляться с какими-либо всплесками.

Исключительно хорошие результаты могут быть получены при использовании источника тока вместо катодного резистора R7. При использовании Ixys IXCP10M45 в качестве источника тока при выходной мощности 45 Вт было измерено искажение менее 0,1 % (без ООС!) в дальнейшем.

По практическим соображениям в описываемом здесь усилителе используются лампы JJ Electronics. Они легко доступны, имеют приятную цену, качественные современные лампы.

Многие считают 6Н1П заменой ЕССВВ, но при такой конструкции искажения при использовании 6Н1П были недопустимы. Простой и интересный вариант - использовать вместо ЕСС83 - 5751. Это непосредственно взаимозаменяемые лампы. Коэффициент усиления немного ниже, но это не проблема. С акустической точки зрения автор предпочитает 5751 (от ECG/Philips или NOS) в сочетании с JJ ЕССВВ. Если вы настроили усилитель для работы с ЕСС83, то при замене на 5751 напряжение на ТР3 автоматически увеличится примерно на 2,2 В.

Разделительные конденсаторы

Спойлер

Каскады ламп и транзисторов соединены двумя высококачественными разделительными конденсаторами. Без них в данной конструкции обойтись нельзя, так как постоянное напряжение на катоде ЕССВВ составляет около 194 В. К сожалению, эти конденсаторы влияют на конечное звучание усилителя. Звуковые характеристики конденсаторов являются предметом жарких споров среди аудиофилов. Прослушивание ясно показало, что эти конденсаторы имеют важное значение. В итоге мы остановились на варианте из серии ClarityCap SA, который имеет очень хорошее соотношение цены и качества. Благодаря высокому рабочему напряжению (600 В) серия SA очень хорошо подходит для использования в конструкциях с высоким напряжением, например, в ламповых схемах. Компоновка печатной платы позволяет также использовать конденсаторы других производителей, в том числе Wima и Solen. Значение 3,3 мкФ было выбрано так, чтобы низкочастотный спад был значительно ниже 10 Гц. Обратите внимание, что емкость связи в сочетании с входным сопротивлением транзисторного каскада образует RC-фильтр с угловой частотой

разделительные конденсаторы должны иметь рабочее напряжение не менее 400 В постоянного тока.

Каскад тока

Спойлер

Токовый каскад (силовой каскад) выполнен на биполярных транзисторах. Хотя полевые МОП-транзисторы, серии BUZ900P или 2SK1058, также могут быть применены, они намеренно не были выбраны для этой конструкции.

Выбранные транзисторы часто используются в аудиоусилителях. Они обладают выдающимися характеристиками для аудиоприменения и, кроме того, недороги. Выходные транзисторы (2SC5200) имеют отличные характеристики, они специально разработаны для аудиоприложений, легкодоступны (но остерегайтесь подделок!), и очень надежны благодаря большому диапазону SOA (зона безопасной работы). 2SC5200 доступен в двух версиях с суффиксом «О» или «У». Этот код обозначает диапазон hFE. Оба типа работают хорошо, но все транзисторы должны быть одного типа. Тип О использовался в прототипах и окончательной версии усилителя.

Токовый каскад представляет собой стандартную квазикомплементарную выходную конфигурацию, что означает конфигурацию с двумя идентичными выходными NPN-транзисторами. Это контрастирует с распространенной в настоящее время практикой использования дополнительной конструкции с типом NPN и типом PNP. Квази-комплементарные выходные каскады часто использовались в 1970-х и начале 1980-х, потому что комплементарные PNP-транзисторы не были доступны или были слишком дороги. Эта конфигурация приобрела у многих плохую репутацию, но она не оправдана. Очень хорошие результаты могут быть получены при использовании квазикомплементарного дизайна. Основное преимущество в том, что выходные транзисторы идентичны. Транзисторы NPN и PNP никогда не могут быть одинаковыми, только примерно эквивалентны. Вот почему такие производители, как Naim, до сих пор используют только конфигурацию NPN/NPN. Ультрасовременный усилитель Denon РМА1500АЕ также использует квазикомплементарный выходной каскад NPN.

Выбранное напряжение питания ±38 В постоянного тока является оптимальным для этого выходного каскада и позволяет без проблем управлять нагрузкой 4 Ом или 8 Ом.

Рис. 2. Эта схема обеспечивает задержку включения и постоянного напряжения на выход усилителя.

Рис. 3. Источник питания обеспечивает четыре различных напряжения.

Подробности схемы

Спойлер

Резистор R1 является резистором смещения утечки через сетку для V1a. Его значение не критично, но резистор необходим, поскольку в противном случае лампа не сможет генерировать отрицательное смещение, которое задает ее рабочую точку по постоянному току. Резистор R2 совместно с входной емкостью ЕСС83 образует ФНЧ. Это предотвращает любую тенденцию к возбуждению. То же самое относится и к R5 в сочетании с ЕСС88. Анодные резисторы R3 и R4 рассчитаны на получение напряжения чуть более 190 В на анодах V1. Таким образом, V1 имеет правильное смещение при анодном токе 0,8 мА. Рассеиваемая мощность находится в пределах допустимого значения.

«Long-tailed pair» с V1 использует источник тока, построенный на Q6 и Q7. Светодиод обеспечивает опорное напряжение, а ток можно легко установить с помощью P1. Суммарный ток примерно равен 1/P1. Отдельный блок питания на LM377 обеспечивает напряжение -12 В для источника тока.

Общая отрицательная обратная связь подается на управляющую сетку V1b. Как уже упоминалось, здесь было выбрано значение 6 дБ. Это определяется соотношением R8 и R6. Через резистор обратной связи можно подключить небольшой конденсатор (56 пФ) для повышения стабильности. Смещение ЕСС88 выбрано для создания анодного тока около 9 мА с эффективным анодным напряжением около 115 В пост. тока. Рассеиваемая мощность составляет 1 Вт, что положительно влияет на срок службы лампы. Общие искажения были бы немного меньше при более высоком токе, но срок службы лампы значительно уменьшился бы из-за более высокого рассеяния.

Q1 устанавливает ток покоя выходных транзисторов, и он должен быть установлен близко к выходным транзисторам для достижения хорошей температурной стабильности. Минимальный ток покоя достигается, когда движок Р2 полностью повернут к коллектору Q1. Р2 должен быть десятиоборотным потенциометром очень хорошего качества. Пара R11/P3 и R16 обеспечивают стабильность выхода усилителя по постоянному току, а значения этих компонентов также определяют входное сопротивление схемы, которое составляет примерно 10 кОм (20 кОм || 20 кОм). Эти значения можно было бы увеличить, если бы использовались мосфеты, но здесь это невозможно из-за величины базового тока, необходимого для Q2 и Q3. R12/C4 и R20/C8 являются дополнительными развязывающими цепями, и они незаменимы. С4 и С8 также могут быть 220 мкФ или 330 мкФ по желанию. Р3 позволяет обнулить смещение по постоянному току выходного каскада. Активное управление смещением постоянного тока в виде интегратора ОУ здесь намеренно не используется, поскольку автор считает, что это влияет на качество звучания усилителя.

Q2 и Q4 образуют пару Дарлингтона, которая обеспечивает адекватное усиление по току, как и Q3 и Q5. Q3 и Q5 образуют так называемую «пару Шиклаи», которая используется здесь для имитации PNP-транзистора. В дополнительных схемах обычно используется «диод Баксандалла» для улучшения симметрии и линеаризации отклика. Этот подход был использован в усилителе Ekwa, опубликованном в журнале Elektor в 1972 году. В настоящей конструкции вместо обычного диода используется транзистор, выполненный в виде диода Qbax. Измеренное искажение при мощности 1 Вт составило 0,22% при включенном в схему диоде, а значение при использовании 2SC1815 в качестве диода составило 0,08%. Обратите внимание, что здесь следует использовать версию BL 2SC1815. Хотя версии -0, -У и -GR тоже можно использовать, они дают практически такие же результаты, как и с обычным диодом. Разница постепенно уменьшается на уровнях выше 5 Вт. Печатная плата позволяет использовать вместо него 2SC2073 или 1N4007. Это в порядке предпочтения. Очевидно, что на плату можно установить только один из этих трех типов компонентов.

Благодаря встроенной локальной отрицательной обратной связи выходной каскад очень стабилен в отношении температурного дрейфа и тока покоя. Эмиттерные резисторы предпочтительно должны быть типа Intertechnik МОХ. Они неиндуктивны и имеют относительно небольшие размеры. Выход усилителя имеет цепь Цобеля, построенную на резисторах R23 и С7, что обеспечивает стабильность выше 100 кГц.

Базовые резисторы (R13, R17, R14 и R18) используются для всех транзисторов выходного каскада для предотвращения колебаний. Резисторы для управляющих транзисторов (R13 и R17) необходимы.

Профиль радиатора для каждого выходного каскада должен быть рассчитан на не менее 0,7 К/Вт для обеспечения надежной работы.

Схема задержки включения и защиты по постоянному току (рис. 2) построена на основе реле RLY1 и полевого МОП-транзистора Q8. Задержка включения составляет примерно 30 секунд. При наличии на выходе опасного постоянного напряжения реле отключит выход усилителя от громкоговорителя. Используемое здесь реле относится к типу Amplimo со специальными контактами, что делает его особенно подходящим для использования в качестве выходного реле в аудиоусилителях.

Катушку можно опционально установить последовательно с выходом, чтобы сделать усилитель более универсальным в отношении возможной емкостной характеристики динамика. Эта катушка отсутствует в описываемой здесь версии усилителя. При желании здесь можно использовать самодельную катушку индуктивностью 4 мкГн, состоящую из 16 витков эмалированного медного провода диаметром 0,75 мм, намотанных на сверло диаметром 6,3 мм. Резистор 15 Ом/2 Вт должен быть установлен внутри катушки и припаян поперёк катушки.

Источник питания

Спойлер

В источнике высокого напряжения (рис. 3) используется микросхема стабилизатора напряжения типа TL783. Входное напряжение TL 783 должно быть около 360 В постоянного тока для правильной работы. Используемый здесь тороидальный высоковольтный трансформатор Amplimo обеспечивает это напряжение, возможно, несколько необычным образом. Обмотка на 250 В имеет такую мощность, что почти не нагружается за счет ECC83 и ECC88, поэтому вторичное напряжение намного выше номинальных 250 В. Это следует иметь в виду, если вы используете другой трансформатор. TL 783 оснащен небольшим радиатором и должен монтироваться изолированно.

Делитель напряжения R39/R40 устанавливает выходное напряжение около 315 В. Резистор R41 включен для разрядки электролитических конденсаторов, когда усилитель выключен. R40 и R41 должны быть 3-ваттного типа. R42/C27 и R43/C28 — дополнительные RC-фильтры для левого и правого каналов соответственно. Высокое напряжение для V1 и V2 составляет приблизительно 310 В постоянного тока.

Если вы не можете найти Wima FKP1 для С23, как указано в списке компонентов, вы должны его не ставить.

Обмотка 30 В трансформатора Т1 используется для схемы задержки включения и защиты.

Напряжение накала АС подключено к земле через конденсатор. В этом случае он не может быть подключен непосредственно к земле. Это связано с тем, что катод ЕСС88 здесь не близок к потенциалу земли, а имеет +195 В. Расположение конденсаторов позволяет соблюдать максимальное номинальное напряжение катода-накала. Эта плавающая подача нити хорошо работает на практике. Значение 0,47 мкФ можно использовать вместо 1 мкФ с такими же хорошими результатами.

Значение R36 должно быть определено экспериментально. Этот резистор определяет значение напряжения накала, которое должно быть близко к 6,3 В.

Показанный здесь блок питания подходит для использования в стереофоническом режиме, но его также можно использовать для оконечного монофонического усилителя. Если он используется для стерео версии с одним трансформатором и однополярным питанием печатной платы, то R37, R38 и С15 должны быть установлены только на одной из двух плат усилителя, хотя их установка на обе платы не повредит.

Источник питания ±38 В прост, но эффективен. Тороидальный трансформатор с вторичным напряжением 2 х 28 В переменного тока дает наилучшие результаты по выходной мощности. Если здесь использовать другой тип трансформатора, можно использовать тип с более традиционным номиналом 2 х 25 В, но максимальная выходная мощность будет несколько меньше. Конденсаторы Wima FKP-1 емкостью 2,2 нФ обеспечивают дополнительную развязку.

sova · April 13, 2022

Зачем столь каскадов непонятно. Ламповой части хватило бы одного каскада, транзисторного аналогично.

Слушаю сейчас усилитель с выходным транз каскадом прилично звучит.

В раскачку межкаскадника лампу и будет имхо прекрасно

Valinor · April 13, 2022

Параметры усилителя:

Рис. 4. Плата усилителя может быть разделена на две части в зависимости от того, как она расположена в корпусе.

Рис. 5. Плата питания рассчитана на полноценный стереоусилитель.

Конструкция

Спойлер

Печатные платы усилителя и блока питания показаны на рисунках 4 и 5. Плата, показанная на рисунке 4, предназначена для монофонического усилителя, поэтому вам понадобятся две платы усилителя и плата блока питания для стереофонической версии.

В списке компонентов есть несколько специфических компонентов. Исходя из опыта автора, вы получите наилучшие результаты от усилителя, если будете использовать эти компоненты. Однако вы, естественно, можете экспериментировать с аналогичными компонентами.

Сборка платы блока питания проста. Используйте качественные соединители для различных клемм питания и заземления. Это значительно упрощает подключение усилителя. После того, как плата блока питания готова, можно собирать платы усилителя.

Плата усилителя сконструирована таким образом, что ее можно разделить на две части для установки силового каскада на радиаторе, а драйверного каскада в другом месте, например, на основании корпуса. Однако проводка между двумя частями должна быть как можно короче.

На рис. 6 хорошо видно, как установлены транзисторы силового каскада (все изолированные!). Для достижения наилучших результатов сначала установите транзисторы на радиатор, согните их выводы под прямым углом, а затем прикрепите плату к радиатору с помощью винтов. Не припаивайте транзисторы на место, пока все не будет правильно установлено.

Для прототипа был использован корпус с двумя большими радиаторами по бокам (см. фото полностью собранного усилителя на рис. 7). Он достаточно большой, чтобы вместить всю плату усилителя.

Два питающих трансформатора и мостовые выпрямители для питания ±38 В установлены в середине основания корпуса. Плата питания расположена над трансформатором Т1.

Плата усилителя и плата питания имеют несколько соединений заземления. Все они должны быть подключены отдельно к одной точке звезды, как показано на рис. 8. Во избежание образования контуров заземления заземления источников питания ±38 В, +42 В и +310 В не соединяются на плате питания. Резистор 4,7 Ом (R44) между входной нейтральной клеммой и заземлением цепи является необязательным и может быть заменен проволочной перемычкой, но в прототипе этот резистор оказался необходимым, чтобы не допустить помех в общей схеме.

Обязательно используйте пластиковые стойки для крепления печатных плат. Металлические стойки могут вызвать замыкание между дорожками платы и радиатором или шасси. Сетевой разъем, сетевой выключатель, сигнальная лампа и пара держателей предохранителей для трансформаторов могут быть установлены на корпусе. Ознакомьтесь с правилами электробезопасности!

Рис. 6. Крепление выходных транзисторов.

Рис. 7. Полностью собранный усилитель.

Рис. 8. Заземляющие соединения должны быть расположены в корпусе таким образом. Все они подключены к одной точке заземления, соединенной с корпусом.

Первое включение

Спойлер

Перед включением усилителя проверьте все компоненты и соединения. Убедитесь, что транзисторы изолированы от радиатора и друг от друга, проверьте полярность электролитических конденсаторов и убедитесь, что в гнездах установлены правильные лампы. ЕСС83 и ЕСС88 абсолютно не взаимозаменяемы.

Усилитель имеет три точки регулировки:
• P1 устанавливает рабочий ток ЕСС83.
• Р2 управляет током покоя выходных трансформаторов.
• РЗ регулирует уровень постоянного тока на выходе.

Перед включением усилителя убедитесь, что движок Р2 на конце соединен с коллектором Q1.

Это приводит к минимальному току покоя. Для этого на плате предусмотрены контрольные точки ТР1 и ТР2. Настройте потенциометр P1 на значение примерно 800 Ом, прежде чем припаивать его к плате.

После включения усилителя отрегулируйте P1 так, чтобы постоянное напряжение на ТРЗ составляло +1,6 В. Точное значение не критично, но постоянное напряжение, измеренное на R7, должно быть близко к +195 В (±5%). При необходимости отрегулируйте P1, чтобы сохранить это значение. Анодное напряжение V1b должно быть около +190 В. Эти три напряжения взаимосвязаны.

После этого отрегулируйте Р2 и Р3 при отсутствии входного сигнала и нагрузки. Р3 управляет выходным смещением. Напряжение постоянного тока, измеренное на выходе, должно находиться в пределах от +50 мВ до -50 мВ. Оно незначительно меняется, что является нормальным. Затем регулировкой Р2 установить ток покоя. Напряжение постоянного тока на эмиттерном резисторе R21 или R22 должно находиться в пределах от 22 мВ до 33 мВ (для тока покоя от 100 до 150 мА). После прогрева усилителя в течение примерно 15 минут снова проверьте все значения и при необходимости отрегулируйте настройки.

Вы можете повторить эту процедуру несколько раз в течение первого часа. В промежутках между этими циклами настройки вы можете протестировать усилитель с недорогим громкоговорителем (например, динамиком РС) и включить немного музыки.

Важно!
• Будьте осторожны! В различных местах платы присутствует высокое напряжение. Помните, что остаточное напряжение может присутствовать некоторое время после выключения усилителя.
• Будьте аккуратны с динамиками: никогда не подключайте и не отключайте входы или интерлинки, если усилитель не выключен.

Полный оригинал смотрите в журнале Elektor 10/2007.