Это весьма необычное сочетание современной импульсной технологии в усилителях, известных как класс D, и классики электроники – радиоламп, так называемый гибридный УНЧ. В обеих предлагаемых конструкциях используется интегральная микросхема от Texas Instruments TPA3116D2. В первой конструкции применены советские нувисторные лампы 6С51Н (~ 7586) и в качестве визуального отображения миниатюрный “волшебный глаз” DM70 (1M3). Вторая конструкция основана на более легкодоступных лампах, в предварительной аудиосхеме используются китайские лампы 6J1 (6Ж1П, 6F32, EF95, 6AK5, 6069) и китайский волшебный глаз 6E2 (~ EM87, ~ 6HU6).
Все питается от внешнего источника питания низкого напряжения 24 В. Все собрано на одной плате. Необходимое напряжение накала, анодов предусилителя и индикаторные лампы получается от преобразователей, расположенных на печатной плате. Только основной источник питания – это внешнее устройство, что соответствует современной тенденции в электронике.
Чувствительность усилителя была установлена в соответствии со стандартным уровнем (-10 дБм = 316 мВ среднеквадратичное). С дополнительным запасом чувствительности. АЧХ принята в качестве выходного параметра конструкции не хуже 20 Гц – 20 кГц с уменьшением на 0,5 дБ. Ненужные верхние частоты подавляются дополнительными фильтрами нижних частот.
Схема управления волшебным глазом, довольно необычная, основана на советском журнале «Радио» 1960-х годов. Особенностью этой схемы является использование рефлексной техники (которая сегодня кажется древней), которая предлагает высокую входную чувствительность и введение дополнительных отдельных постоянных времени для повышения и понижения индикации уровня. Несмотря на заявленную идентичность данных 6E2 с данными EM87, на практике оказывается что они немного отличаются. Лампа китайского производства требует более чем в 1,5 раза меньшего сопротивления анода контрольного триода по сравнению с EM87. Речь идет о резисторе R36 для лампы EM87, его значение должно быть около 180 кОм, а для китайского 6E2 оптимальное значение близко к 110 кОм.
Возможно, потребуется подкорректировать резистор R33 для обеспечения правильного диапазона регулировки чувствительности указателя уровня в случае использования ламп китайского производства в зависимости от их качества. Для ламп типа ЕМ84 и 6ФГ6, 6Е3П резистор R36 должен иметь большее сопротивление, около 330 кОм или выше, чувствительность индикатора будет вдвое ниже, что вызовет необходимость модификации других элементов, потому что лампы 6Е2 и ЕМ87 имеют более высокую чувствительность, отсюда их выбор на стадии проектирования.
В схеме используется защита входов и выходов чипа TPA3116 от перенапряжения, возникающего при включении питания, когда лампы уже имеют выбросы и когда питание отключено. Это элементы D1, D2 и D3, поддерживаемые резистивными делителями 22 кОм / 56 кОм. Кроме того, усилитель снабжен схемой отключения звука при включении питания.
Сам путь прохождения сигнала не требует подробного описания. Каскады на лампах представляют собой классические резистивные каскады, построенные на триодах (триодно соединенных пентодах). Катодный резистор не заблокирован, т.е. имеется локальный вариатор для каждой из этих ламп. C5, R11 и C7 в левом канале и C6, R12 и C8 в правом канале – это фильтр, ограничивающий частотную характеристику сверху. Дополнительный фильтр нижних частот – это элементы R1 и C1 в левом канале и R2 и C2 в правом. Выходное сопротивление источника сигнала влияет на частоту среза фильтра, чем выше сопротивление источника сигнала, тем ниже частота среза этих фильтров. Современные источники сигнала имеют около 1 кОм или даже ниже.
Чип TPA3116 работает в своем типичном включении. Единственное отличие состоит в добавлении демпферов RC перед выходными LC-фильтрами. На выходе LC-фильтров, конечно же, есть RC-элементы, образующие схемы Зобеля. Тактовая частота TPA3116 составляет 2,1 МГц. Снижение эффективности силовых каскадов незначительно, и более высокая частота переключения благоприятна для передачи самых высоких частот через импульсный силовой каскад.
Теперь конвертеры. Первый – это понижающий преобразователь, который обеспечивает напряжение 6,3 В накала для ламп. На выходе используется дополнительный LC-фильтр (L6, C54) для подавления пульсаций с частотой работы преобразователя. Поскольку целью было получение минимально возможных пульсаций выходного напряжения, используемые конденсаторы C53 и C54 относятся к гибридному типу (OSCON), предлагая очень низкое значение ESR. Низкие пульсации напряжения на выходе требуют соответствующей частотной компенсации контура регулирования выходного напряжения – конденсатора С51. Преобразователь работает стабильно с большим запасом по фазе. Источник питания напряжения накала оснащен схемой регулирования напряжения (LC-фильтр вносит дополнительное падение напряжения, которое трудно определить, поскольку оно зависит от разброса последовательного сопротивления реактора).
Второй преобразователь – повышающий, подающий напряжение 52 В для питания ламп 6J1 с использованием LM2585. Более высокое напряжение, необходимое для контрольной лампы 6Е2, было получено с помощью простой хитрости: в точке между L7 и D9 есть периодически изменяющееся пилообразное напряжение от 0 В до 52 В. Их можно рассматривать как источники переменного тока с пиковым напряжением около 26 В. Мы подаем это переменное напряжение на диодно-конденсаторный умножитель. Для уменьшения количества элементов умножителя выходное напряжение «поддерживается» «снизу» при выходном напряжении преобразователя, равном 52 В. На практике для индикаторной лампы было получено 206 В анодного напряжения. Низкие пульсации этого напряжения также важны для источника питания анода. В дополнение к использованию гибридных конденсаторов C59, C60, а также C9 и C10, LC-фильтр (L8, C60), общий для обоих каналов, и дополнительные RC-фильтры пульсаций индивидуально для каждого из каналов (R13 и C9, а также R14 и C10).
Несмотря на применяемую частотную компенсацию (элементы R41 и C57), из-за предполагаемой малой амплитуды токов при одновременно малой токовой нагрузке преобразователя и очень низком значении ESR конденсатора C59, к сожалению, вопреки методике проектирования, предоставленной производителем преобразователь колеблется с частотой около 2 – 5 кГц. Этот резистор дополнительно нагружает преобразователь, улучшая запас по фазе контура регулирования выходного напряжения. Размещение этого резистора в этом месте, а не на выходе, кажется странным, но мы получаем еще одно – непрерывность протекания тока через катушку L7. Этот резистор дополнительно нагружает преобразователь, улучшая запас по фазе контура регулирования выходного напряжения.
Включение и выключение тока в цепях с конденсаторами – задача нетривиальная. Контакт переключателя в потенциометре слишком мягкий. Надо реле использовать. Но будьте осторожны, стандартные промышленные реле на 16 А, даже при высоком пусковом токе, слипнутся после нескольких десятков активаций. Использовалось реле специального типа с предварительно замкнутым вольфрамовым контактом. Эти реле с максимальным номинальным постоянным током контакта 16 А способны выдерживать импульсный импульсный ток более 500 А. Почему такой значительный импульсный ток? Поскольку у нас есть 6 конденсаторов по 330 мкФ, хотя это стандартные алюминиевые конденсаторы, общее результирующее значение ESR не превышает 10 мОм.
Соответствующая компоновка печатной платы важна для минимизации помех от силовых цепей и минимизации перекрестных помех. Использовались четыре отдельных заземления, соединенных друг с другом перемычками 0 Ом. Различались общие массы силового каскада, две ламповых предусилителей и преобразователей. Печатная плата двусторонняя, покрыта паяльной маской с обеих сторон и слоем маркировки. Индикаторная лампа 6E2 была размещена горизонтально, что потребовало использования небольшой платы с патроном лампы, установленным перпендикулярно плате основного усилителя.
Полученный запас чувствительности по уровню -10 дБм составляет не менее 6 дБ. Сопротивление динамика от 4 Ом до 8 Ом. Выходная мощность при коэффициенте нелинейных искажений около 1% составляет 2х 50 Вт и 2х 32 Вт соответственно при напряжении питания усилителя, равном 24 В. Максимальное напряжение питания 26 В, минимальное 18 В. Размеры печатной платы: 190 мм х 110 мм.
В тракте прохождения сигнала используются металлизированные резисторы MiniMELF и MELF (резисторы в цепях Зобеля), а остальные резисторы – толстопленочные SMD с допуском 5% (за очевидным исключением тех, которые используются в делителях напряжения для управляющих входов преобразователя, где резисторы с допуском 1%).
Конденсаторы электролитические. Эффективность фильтрации пульсаций мощности определяется гибридными конденсаторами (OSCON). Это касается конденсаторов: C9, C10, C53, C54, C59 и C60. Остальные электролитические – стандартные алюминиевые конденсаторы.
Конденсаторы неэлектролитические – с металлизированной полиэфирной пленкой THT: C3, C4, C11-C14, C43-C47 и C61-C66. Керамические конденсаторы C0G: C1, C2, C5-C8, C19-C22, C27-C30, C31, C32, C41. Остальные неэлектролитические конденсаторы – керамические X7R.
Схема второй версии гибридного УНЧ
Первая версия, как прототип, проработала практически без перерывов почти пол года. другая также отлично себя зарекомендовала.
