В последнее время наблюдается мода на ламповые усилители для аудио. Такие устройства снова производятся и доступны например на Али. Их также охотно собирают радиолюбители. К сожалению, это недешевые конструкции, и самыми дорогими элементами являются вовсе не лампы. Электронные лампы требуют нагрузки с высоким сопротивлением — порядка нескольких сотен или даже тысяч Ом, в то время как типовые динамики имеют не более 8 Ом.
Следовательно, необходимо использовать выходные трансформаторы, которые подстраивают высокое выходное сопротивление лампы к низкому сопротивлению нагрузки (динамика). Проблема в том, что эти трансформаторы — в отличие от сетевых на 50 Гц — должны передавать широкий диапазон частот. Поэтому их внутренняя конструкция обычно отличается от конструкции классических сетевых трансформаторов. По внутренней конструкции трансформаторы динамиков обычно состоят из множества слоев обмоток, чередующихся первичных и вторичных, с надлежащей изоляцией и, конечно же, хорошим качеством изготовления, что определяет качество звучания усилителя. Отсюда и высокая цена таких трансформаторов.
Наушники имеют чуть более высокое сопротивление — обычно 16 — 32 Ом, что делает их гораздо более легкой нагрузкой для ламп. Но выпускаются и качественные наушники с еще более высоким сопротивлением, до 600 Ом. Таким образом можно сделать усилитель без выходных трансформаторов — OTL (Output Transformers Less).
Схема усилителя OTL
Схема УНЧ для наушников OTL представлена на рисунке. Это почти классическая двухкаскадная схема общий катод — общий анод. Активными элементами здесь являются две трехэлектродные радиолампы — триоды. Первая L1 работает в схеме с общим катодом и имеет относительно высокий коэффициент усиления по напряжению. Тут сигнал со входа через потенциометр Р1 и резистор R2 подается на сетку, а усиленный сигнал снимается с анода. Очень важна правильная поляризация, чтобы сетка имела более низкий потенциал по сравнению с катодом. Катод L1 поляризован из-за падения напряжения на катодном резисторе R4, а сетка имеет потенциал земли (подтягивается резисторами R1 и R2) — это так называемая автоматическая поляризация.
Лампа L2 работает в схеме с общим анодом (также называемой катодным повторителем). Тут коэффициент усиления равен 1 (на практике даже несколько ниже).
Часто в этой схеме с катодным повторителем используются два триода, включенных параллельно, что еще больше снижает выходное сопротивление. Что же касается поляризации лампы L2 — катодный резистор R6 имеет значительно большую величину, чем катодный резистор R4 лампы L1 и падение напряжения внутри него. Падение напряжения на R6 поэтому больше, чем напряжение на аноде лампы L1 (и соединенной с ним сетке лампы L2). Это пример фиксированного смещения.
Падение анодного напряжения для лампы L1 относительно Л2 обеспечивается последовательно включенными резисторами R3 и R5. Элементы R5 и С1 также являются фильтром, дополнительно стабилизирующим анодное напряжение L1. В усилителе нет общей петли обратной связи, но есть локальная обратная связь через катодный резистор R4 в предкаскаде. Если бы этот резистор был зашунтирован конденсатором, коэффициент усиления увеличился бы, но могли возникнуть помехи.
Обе используемые лампы являются двойными триодами — две одинаковые лампы заключены в одну стеклянную колбу, что позволяет использовать каждую из них в обоих каналах усилителя. В предкаскаде L1 использовалась популярная ECC88. Эта модель предназначена для аудио со средним коэффициентом усиления (примерно 33). У этой лампы есть ценное преимущество — довольно низкое рабочее напряжение — примерно от 90 В. Это относительно современный тип лампы. Противоположностью ей является лампа L2 — советская 6Н13С. Её выпуклая колба напоминает легендарный в аудиофильских кругах триод 300B. Вероятно, поэтому он так популярен в конструкции усилителей звука, даже несмотря на то, что был разработан для цепей стабилизации напряжения. У этой радиолампы гораздо более старый тип цоколя – восьмивыводный.
Схема питания анода и накала
В блоке питания применили несколько нестандартных решений. Радиолампы требуют двух отдельных источников питания. Низкое напряжение необходимо для нити накала, нагревающей отрицательный электрод — катод. Нагретый катод испускает электроны, которые устремляются к положительному электроду – аноду. Между анодом и катодом необходимо высокое постоянное напряжение, которое сможет вызвать это движение электронов. В ламповых усилителях обычно применяют специальные сетевые трансформаторы, которые имеют не менее двух вторичных обмоток: одну для накала — обычно 6,3 В и вторую высоковольтную обмотку, не менее 150 В, которая используется для питания анодов. Накалы ламп могут питаться переменным напряжением прямо от трансформатора, однако анодное напряжение должно быть выпрямлено и отфильтровано.
В усилителе использовался трансформатор на 40 Вт с анодной обмоткой на 170 В. После выпрямления диодным мостом постоянное напряжение достигает 260 В. Необходимо снижение более чем на 100 В происходит в трехкаскадном RC-фильтре. Схема анодного источника питания представлена на рисунке. Падение напряжения происходит на резисторах R17, R18 и далее — независимо для каждого канала — R19 и R20.
Обратите внимание на необычно соединенные фильтрующие конденсаторы, образующие три пары (С11-12, С13-С14 и С15-С16), дополнительно зашунтированные резисторами (R11-R12, R13-R14 и R15-R16). Последовательное соединение этих конденсаторов должно увеличить их сопротивление пробою. Конденсаторы от 220 мкФ до 400 В просто довольно дороги, и использовались доступные всем конденсаторы 470 мкФ/200 В от поврежденных компьютерных блоков питания.
Шунтирующие резисторы достаточно высокого номинала предназначены для их правильной балансировки, а дополнительно для разряда после окончания работы (конденсатор, заряженный высоким напряжением, несмотря на отсутствие питания, может быть источником электрического тока). Вот так выглядят первые две ступени фильтра CR — последняя ступень, отдельная для обоих каналов.
Между второй и третьей ступенью фильтра RC расположены секции С3 и С4 переключателя. Это выключатель питания, в роли которого выступает трехпозиционный четырехсекционный поворотный переключатель. Его секции С1 и С2 включают сетевое напряжение. В первом положении (с пометкой «Выкл») питание отключено. Во втором положении («Накал») сетевой трансформатор и контуры накалов ламп уже работают. Конденсаторы в анодном блоке питания тоже активны, но напряжение до анодных цепей ламп доходит только в третьем положении переключателя — «Вкл».
Подключение высокого анодного напряжения к ненагретой лампе приводит к тому, что электроны «принудительно вырываются» из еще холодного катода. Это вызывает деградацию катода и ускоренный износ. Лампа ЕСС88 прогревается довольно быстро, а вот у 6Н13С на это уходит около двух минут. Раньше в ламповых схемах выпрямитель был построен на ламповом же диоде и тоже нуждался в прогреве, плавно увеличивая ток в анодных цепях. Используемые в настоящее время кремниевые выпрямители работают сразу. Именно поэтому большинство современных конструкций имеют автоматические или ручные — как в данном случае — схемы включения с задержкой. Поэтому УНЧ должен включаться в два этапа — сначала «Накал» и только через 2-3 минуты «Вкл». Выключать его следует в обратном порядке, также выжидая в положении «Нагрев…», пока не разрядятся конденсаторы С1, С1б, С19, С20 через резисторы R19 и R20, закороченные на массу переключателем. Резисторы R21 и R22 служат для симметрирования накала. Благодаря этой процедуре гул от источника питания 50 Гц не передается на ламповую схему. Кроме того, симметризация выводит потенциал 0 В на катодную нить, защищая от возможного пробоя катода. Часть блока питания — диодный мост и конденсаторы — размещена на отдельной плате.
Сетевой трансформатор TR1 имеет обмотку на 6,3 В с выходом по току 2,5 А. Это именно то, что нужно самой лампе L2. Если подключить обе лампы параллельно этой обмотке, они бы недогрелись. Это ухудшит их параметры и сократит срок службы. Поэтому был сделан отдельный блок питания только для лампы L1. Ввиду его работы в чувствительной схеме предусилителя, решено питать его стабилизированным постоянным напряжением. Для блока питания использовался небольшой сетевой трансформатор 7,5 В/3 Вт, который вместе с элементами БП был размещен на небольшой плате. Это стандартное применение линейного стабилизатора типа 7806 за одним исключением — вывод GND подключен к земле схемы через диод Шоттки D1. Благодаря этому дополнительное падение напряжения на этом диоде увеличивает внутреннее опорное напряжение стабилизатора, в результате чего выходное напряжение поднимается до 6,3 В, что и нужно радиолампе L1. Собранные платы обоих блоков питания и главного трансформатора TR1 показаны на фото.
Монтаж и наладка УНЧ
В то время как оба блока питания, анодный и накальный, получили отдельные печатные платы, решено собрать элементы самого усилителя используя технику навесного монтажа, характерную для старых ламповых устройств. При этом методе сборки ламповые панельки и крупные элементы, такие как трансформаторы или электролитические конденсаторы, привинчиваются к специальной металлической раме, называемой шасси. Остальные мелкие электронные элементы, резисторы или небольшие конденсаторы, припаиваются к выводам этих элементов снизу корпуса. Современные ламповые усилители обычно имеют гордо выставленные напоказ лампы, поэтому их шасси также является кожухом.
Составные части корпуса представлены на фото. Это деревянные борта, выфрезерованные из паркетных планок, вытравленная алюминиевая передняя панель и согнутый лист с прорисованными и просверленными отверстиями для элементов, монтируемых снаружи. В правом верхнем углу фото элемент, который в конечном счете защищает трансформатор — он сделан из разрезанного металлического стакана. Элементы корпуса были скреплены шурупами, и таким образом получилась устойчивая коробка. Частично собранный усилитель показан сзади. Видны главный трансформатор и розетки: вход RCA, питание и сетевой предохранитель.
—
Тут видны платы блока питания, прикрученные к бокам корпуса, и электролитические конденсаторы С2, С2b, С17 и С18, прикрученные к специальной скобе. Провода на накаливание хорошо скручены между собой, что должно ограничивать индуцируемое ими магнитное поле. Остальные элементы, в основном резисторы, припаиваются непосредственно к цоколям ламп.
Видна специальная пластина с точками пайки, размещенная между цоколями обеих ламп. Она действует как центральная точка массы. Заземление источника питания лампы L2 и ее вывод 9 (экран) также следует соединить с центральной точкой заземления. При установке следует помнить, что резисторы фильтра питания R17, R18, R19, R20 и катодные резисторы R6 и R6b нагреваются до высокой температуры. Они должны быть удалены от чувствительных к температуре компонентов, например, конденсаторов. Также следует обеспечить надлежащую вентиляцию внутри корпуса.
Схема не требует какой-либо специальной процедуры наладки. Просто перед запуском усилителя можете провести тест без ламп и проверить, имеют ли напряжения накала соответствующие значения. Что касается анодного напряжения, то оно падает до должного уровня только после включения нагрузки — ламп. Значения напряжения (измеренные после прогрева) приведены на схеме. Их коррекцию можно произвести, изменив номиналы фильтрующих резисторов блока питания: R17, R18, R19 и R20.
Несмотря на то, что компоновка усилителя предельно проста, звучит он действительно достойно. Музыка динамична, и особенно приятен слегка усиленный низкочастотный диапазон. Кроме того, у ламповых усилителей есть дополнительный шарм – магия светящихся ламп улучшает настроение и косвенно также впечатления от прослушивания. Класс А, в котором работает эта схема, характеризуется низким КПД — около 10%. Это означает, что большая часть энергии преобразуется в тепло, но это даже достоинство — особенно холодными зимними вечерами 🙂
