Достоинства и недостатки ламповых усилителей низкой частоты

НИ Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева 
 

Факультет электронной техники 
 

Кафедра промышленной электроники 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

На тему: 

«Достоинства и недостатки ламповых усилителей низкой частоты» 
 
 
 
 
 

Выполнила:                                                                                 Проверил:

студенка 411 гр.                                                                          Тетюшкин В.С.

Веневидова Л.П. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Саранск 2012

1.   Что такое ламповый усилитель. 
 
Ламповый усилитель это устройство для усиления по мощности переменных электрических сигналов с помощью электровакуумных ламп, или радиоламп. 
Как и у любого усилителя, каскады усиления разделяются на 3 типа: 
- Предусилительные 
- Драйверные 
- Выходные 
Зачастую, у ламповых усилителей предусилительный каскад является так же и драйверным.  
Выходное сопротивление оконечного лампового усилительного каскада всегда слишком высоко для прямого подключения акустической системы (АС). По этому, в абсолютном большинстве ламповых усилителей выходной каскад нагружен на трансформатор, позволяющий снизить выходное сопротивление до приемлемых величин.  
 
1.1   Достоинства лампового усилителя. 
 
Из положительных сторон выделим следующие: 
•   Простота конструкции. В большинстве случаев ламповый усилитель не сложен в изготовлении и состоит из небольшого количества деталей. 
•   Малое количество каскадов усиления и, как следствие, малое количество нелинейных элементов в схеме. 
•   В спектре усиленного сигнала лампового усилителя преобладают чётные гармоники, малозаметные для человеческого слуха, что позволяет даже при низком уровне схемотехнических решений, получить хороший результат. 
•   Красивый внешний вид, модное направление Hi-Fi техники, элемент престижности – тоже немаловажны. 
 
1.2   Недостатки лампового усилителя. 
 
•   Высокое напряжение питания.  
Изучите правила техники безопасности и неукоснительно их соблюдайте. Ламповый усилитель в доме плохо совместим с маленькими детьми и домашними животными. Если они у Вас есть, то однозначно выбирайте надёжные закрытые корпуса.

•   Высокое выходное сопротивление. К сожалению далеко не любой ламповый усилитель может удачно «подружится» с произвольным типом АС. 
•   Ламповые усилители обладают намного меньшей линейностью, чем полупроводниковые. Усиление и КНИ в диапазонах от 10 до 60 Гц оставляют желать лучшего, из-за применения выходных трансформаторов. Они же не позволяют усиливать без искажений сигналы с широкими спектральными характеристиками и с частотой следования импульсов или повторения свыше 10 кГц. 
•   Неудовлетворительные массогабаритные характеристики. Вес ламповых усилителей колеблется между 3 и 20 кг за 1 Вт выходной мощности. 
•   Да, и эта самая выходная мощность тоже есть недостаток лампового усилителя – она слишком мала! У большинства Hi-Fi усилителей она не превышает 10 Вт! И при этом КНИ начинает достигать величин до 10%. 
•   Низкий срок службы усилительных элементов. К сожалению, паспортный срок службы радиолампы около 1000 часов. Конечно, есть модели ламп с несколькими тысячами часов заявленного срока службы, но их меньшинство, и многие из них непригодны для звука. 
•   Высокие требования к качеству трансформаторов, особенно к выходным трансформаторам. 
•   Высокая стоимость изготовления лампового усилителя. Не смотрите на ценник радиолампы – даже если лампа стоит 1000 рублей, это ерунда по сравнению со стоимостью комплекта трансформаторов и конденсаторов блока питания. Иногда случается, что панелька для радиолампы оказывается дороже самой лампы.

•   Высокое тепловыделение вследствие крайне низкого КПД. В большинстве случаев ламповые усилители работают в классе усиления «А», и их реальный КПД не превышает 10%. Колба работающей радиолампы разогрета до температуры более 150 градусов. Иногда и выше. Поэтому и тут необходимо соблюдать повышенную осторожность. 
•  Совсем другие принципы отбора компонентов, экранировки и прочего. 
•  Да, ламповый усилитель более подвержен ВЧ, УВЧ и даже СВЧ наводкам, чем полупроводниковый. Ламповый усилитель прекрасно детектирует сигналы GSM, WiFi, WiMax, и прочие современные источники наведённых помех. А вот транзисторы для НЧ усиления в этих диапазонах уже не работают, что исключает подобные проблемы. 
Но, есть одно противоречие здравому смыслу. Большой КНИ лампового усилителя совершенно не означает то, что он плохо звучит! Идите к друзьям у кого есть такое устройство, или берите паяльник в руки. Когда вы включите усилитель и прогреете лампы, из динамиков польётся голос Эллы Фицжеральд, или Майлз Дэвис прикоснётся к волшебным клапанам своей трубы, Дэвид Бруббек пройдётся пальцами по клавиатуре рояля… Тогда и только тогда вы это поймёте. 
 
1.3   Основные типы ламповых усилителей. 
 
Здесь мы рассмотрим два основных вида ламповых усилителей – одно и двухтактные усилительные устройства. Сразу оговорюсь что мы не будем рассматривать бестрансформаторные усилители и усилители типа «циклотрон».  

1.3.1   Однотактные. 
 
Усилитель работающий ТОЛЬКО в классе усиления А1 (возможны варианты А2). 
Главная отличительная особенность однотактного усилителя заключается в отсутствии специальных каскадов  или устройств расщепления фазы и последующего противофазного усиления сигнала. 
Однотактные ламповые усилители считаются самыми «аудиофильскими» из всех устройств звукоусиления, так сказать самая богема.  
 

1.3.1.1   Преимущества и недостатки. 
 
Это самые простые, со схемотехнической точки зрения, усилители. 90% однотактных усилителей имеют всего 2 каскада, то есть всего 2 усиливающих элемента! Есть конструкции всего на одной единственной лампе. Однотакты дают очень чистое звучание, при этом в спектре искажений преобладает вторая гармоника, не сильно заметная человеческому уху, что в сочетании с малым количеством усилительных элементов и даёт этот замечательный эффект «тёплого лампового звука». 
Но точно так же есть и недостатки, вызванные их уникальными конструктивными особенностями. Выходной трансформатор однотактного усилителя работает с постоянными токами подмагничивания. В связи с этим, в сердечник трансформатора вводится немагнитный зазор, исключающий его намагничивание. Но при этом резко снижается индуктивность трансформатора, что отражается на нижней границе воспроизводимого диапазона частот. Чем больший постоянный ток течёт через трансформатор, тем больший нужен зазор, тем больший нужен трансформатор для лучшего воспроизведения басовых регистров. Поэтому, однотактные усилители мощностью свыше 8..10 Вт встречаются редко. Кроме того, низкая мощность и малый постоянный ток покоя не позволяют сделать усилитель с высоким коэффициентом демпфирования АС. По этому для однотактного усилителя очень критично то, с какой АС он будет работать. Категорически не подходят сложные многозвенные кроссоверы. В идеале наилучшие результаты получаются с АС на широкополосных динамиках и импедансом не ниже 8 Ом. Так же великолепный результат выходит при использовании АС типа «линейный массив». 

  1.3.1.2   Тонкие особенности однотактного усилителя 
 
Типичный ламповый однотактный усилитель состоит из 2-3 каскадов. В оконечных каскадах однотактных усилителей в 99% случаев применяют мощные триоды а так же мощные пентоды или тетроды в триодном включении. Тому есть очень конкретная причина.  
Для нормальной работы усилителя с АС нужна более-менее приличная выходная мощность, низкое выходное сопротивление. Так как внутреннее сопротивление триода на порядок меньше чем у пентода, то и качественные показатели триодных усилителей соответственно выше. Низкое внутреннее сопротивление выходного триода позволяет проектировать УМЗЧ без общей отрицательной обратной связи (ОООС).  Кроме того, триод линейнее пентода и тетрода в однотактном включении при прочих равных параметрах.  
Но у триода есть один серьёзный недостаток – большая паразитная миллеровская ёмкость, которая ухудшает частотные характеристики каскада, увеличивает фазовые искажения на высоких частотах.  
Введём для себя следующий критерий: для ламп с экстремально низким внутренним сопротивлением и высокой мощностью рассеивания на аноде требуется специальный мощный драйверный каскад, способный отдать достаточный ток в нагрузку. Параметр этого следующий: Rвых драйверного каскада должно обеспечить  верхнюю полосу пропускания выходного каскада не меньше 100 кГц по уровню -3 дБ. Да, за бешеными мегагерцами полосы гоняться совершенно не нужно. Значение верхней границы должно укладываться в пределы 100…250 кГц.  

1.3.2   Двухтактные усилители мощности. 
 
В отличии от однотактного усилителя, работающего исключительно в классах усиления А1 и А2, двухтактный усилитель мощности может работать в режимах усиления А1, А2, АВ1, АВ2, В1, В2. Из этого многообразия мы сразу же отбросим классы В1 и В2 как мало совместимые со стандартом Hi-Fi, но, справедливости ради замечу, что каскады в классах В1 и В2 применяются в гитарных усилителях мощности. 
Для человека, только что познакомившегося с ламповой техникой, следует останавливаться на конструкциях, выходной каскад которых работает в классах А1 и АВ1.

Особенности фазоинверсных каскадов, о которых почему-то всегда умалчивают. 
Главная фишка любого двухтактника – это фазоинверсный каскад. В случае если у Вас этот каскад сделан не на трансформаторе, а на радиолампе или паре радиоламп, то в этом случае: 
- Ламповый фазоинверсный каскад сохраняет свою линейность во всём диапазоне амплитуды сигнала только в случае если он работает на нагрузку НЕ выходящую за пределы класса усиления А1.  
Эта особенность определяет некоторые тонкости схемотехники двухтактных усилителей.  
Как Вы помните, до этого мы говорили с Вами о том, что в ламповых УМ применяют не более 2-х каскадов. Но тут, в данном классическом усилителе, мы видим 4 каскада! Зачем так много? Давайте разберёмся, что бы понять, почему тут нет «лишних» деталей. 
Усилитель Вильямсона состоит из следующих основных частей:  
-   предусилительный каскад на лампе V1 (1/2 6SN7) 
-   фазоинверсный каскад на лампе V2 (1/2 6SN7) 
-   драйверный каскад на лампах V3 и V4 (6SN7) 
-   оконечный каскад на лампах V5 и V6 (KT66) 
Раз уж мы начали разговор об усилители Вильямсона с темы фазоинвертора, то им и продолжим. 
Усилитель Вильямсона – изделие промышленное. В связи с этим, кроме требований выполнения условий линейности характеристик, у разработчика была задача сделать технологичное устройство. Из всего обилия схем фазоинверсных каскадов, пожалуй, только каскад с разделённой нагрузкой не выдвигает жёстких условий по отбору ламп. При этом, данный каскад обладает отличными показателями по параметру КНИ и фазовым искажениям, так как весь он охвачен глубокой 100% обратной связью. В результате, подбора требуют только резисторы R7 и R5. Что существенно дешевле отбраковки радиоламп. При установке любой радиолампы с нормальными значениями параметров (в пределах паспортных допусков), симметрия плеч фазоинвертора и усиление предусилительного каскада остаются неизменными, незначительно изменяется лишь величина напряжения сетки фазоинвертора относительно катода, в пределах ± 0,5 В, что вполне допустимо в данной схеме. 
Но у данного фазоинвертора есть существенный недостаток. Его усиление недотягивает до 1. Эту проблему Вильямсон решил, применив двойной триод 6SN7, половинка которого была включена линейным усилителем с общим катодом, а вторая половинка выполняла роль фазоинвертора. Каскады были непосредственно связаны между собой (по постоянному току, без применения разделительных конденсаторов). 
Для понимания необходимости наличия отдельного драйверного каскада, необходимо рассмотреть выходной каскад. 
Выходной каскад усилителя Вильямсона выполнен на мощных лучевых тетродах КТ66. По своим параметрам они близки к Г-807 или EL34, но совершенно не идентичны им. Для достижения максимально возможной линейности, выходные тетроды были включены в триодном режиме, то есть экранная сетка через небольшой резистор подключена к аноду. Именно в этом режиме достигается максимальная линейность характеристик тетродов и пентодов, а не в ультралинейном, как многие ошибочно думают.  
КТ66 в триодном включении требует без малого 50 В амплитуды сигнала на управляющей сетке. При том, что предусилительный и драйверный каскад могут выдать амплитуду сигнала не больше 5..10 В. Вот тут во весь рост и встаёт необходимость применения отдельного драйверного каскада, на ещё одном двойном триоде 6SN7. Кроме того, так как выходной каскад усилителя может выходить из чистого класса А1 в режимы АБ1 или АБ2, драйверный каскад позволяет сохранить линейный режим работы фазоинвертора до определённых моментов. 
И так, мы видим, что каждый каскад усилителя Вильямсона является продолжением предыдущего. К слову замечу, что у данного усилителя (или данного схемотехнического решения) есть один недостаток – он склонен к самовозбуждению на высоких частотах. 
 
Совершенно иной подход демонстрирует нам усилитель Quad II. Вместо «лобовых» решений Вильямсона, инженеры Quad применили пару элегантнейших схемотехнических приёмов.

Задача разработчиков этого усилителя была совершенно аналогична той, что решал Вильямсон – 20 Вт мощности при минимуме искажений. Но параметры «устойчивости» (этот термин применяется как «отсутствие склонности к самовозбуждению») оказались доминирующими для них, и количество каскадов пришлось сократить до двух. 
В оконечном каскаде разработчики применили те же тетроды КТ66. Но включили их именно в тетродном режиме. Этим они снизили требования к драйверному каскаду усилителя: ёмкость Миллера была снижена на порядок, амплитуда на управляющей сетке снизилась с 50 до 30 В. 
Но при таком решении резко снижается линейность выходного каскада, и резко увеличивается выходное сопротивление. Тогда Quad-овцы применили выходной трансформатор с катодной обмоткой. Соотношение витков анодной обмотки к виткам катодной обмотки – 10 к 1. В результате, выходной каскад оказался охвачен местной обратной связью, повысившей линейность и снизившей его выходное сопротивление. 
Снизив требования к драйверному каскаду, разработчики смогли применить в нём пару малошумящих пентодов с малой крутизной. Предусилительно-драйверный каскад так же является фазоинверсным. И при этом, он так же охвачен локальной ОС в цепи экранных сеток и катодов. Не смотря на очень высокое выходное сопротивление драйвера, тетродное включение выходного каскада даёт более чем приличную полосу аудиосигнала. Кроме локальных ОС, весь усилитель охвачен петлёй ООС. 
Всё это делает усилитель Quad II выдающимся примером элегантнейшего схемотехнического решения среди двухтактных усилителей мощности. Кстати, данный усилитель вполне можно повторить начинающему с минимальными изменениями схемы. Вместо весьма дефицитных и дорогих КТ66 вполне можно применить Г-807, EL34. Там же можно найти фирму или частника которые Вам его намотают. Вместо кенотрона GZ32 можно применить пару демпферных диодов 6Д20П. В качестве анодного трансформатора подойдут следующие модели: ТА-170, ТА-171, ТА-185, ТА-189 и многие другие с напряжением на обмотках 310…320 В и паспортным током не менее 200 мА для моноблока и не менее 400 мА для стереоусилителя. Кстати, оригинальный Quad II выпускался именно в исполнении моноблок. 
Для озвучивания помещения не более 20 кв. м вполне достаточная мощность 5 Вт на канал. С вдвое большим помещением справится усилитель мощностью 10 Вт на канал. И это будет очень громко. В большинстве случаев, даже если у Вас АС с чувствительностью 85 дБ, Ваш усилитель будет работать с выходной мощностью порядка 0,5…1 Вт. 
Для получения выходной мощности усилителя 5 Вт в 1 канале, вполне достаточно радиоламп с мощностью рассеивания на аноде 12…15 Вт включенных триодом и не выходящих из режима усиления А1. 
Для получения выходной мощности 10 Вт в 1 канале, вполне достаточно радиоламп с мощностью рассеивания на аноде 20..25 Вт включенных триодом и не выходящих из режима усиления А1. 
Включение радиолам в триодный режим повысит инвариантность Вашего усилителя по отношению к применяемым Вами АС. 
Работа выходного каскада в классе А1 гарантирует Вам низкий КНИ, и упростит жизнь благодаря возможности применения автоматического смещения выходного каскада.  
В случае применения режима A2, АВ1, АВ2 необходимо использовать фиксированное смещение от отдельного источника отрицательного напряжения питания. 
Соответственно, при вышеописанных условиях (режим усиления А1) мы можем сделать вывод, что в качестве драйвера у нас может выступать фазоинверсный каскад. 
Как подобрать подходящий фазоинверсный каскад? Давайте определим критерии отбора каскада, выполняющего следующие функции:  предусиление сигнала; инверсия фазы сигнала; раскачка выходных ламп. Следовательно, критерии будут: достаточное усиление; линейная АЧХ и ФЧХ; невысокое выходное сопротивление каскада. 
Давайте рассмотрим 3 типичных фазоинверсных каскада с точки зрения этих критериев: 
 
А.   Самобалансирующийся каскад 
 
-   Усиление. Усиление этого каскада равно усилению аналогичного каскада с общим катодом. То есть ставим большой и жирный «+». 
-   Линейность. За счет того, что в подобных фазоинверторах применяют связь по переменному току и делители напряжения, их фазовые искажения оставляют желать лучшего. Кроме того, отсутствие местной ОС усугубляет ситуацию.