Ламповые усилители звука по-прежнему пользуются популярностью. Посмотрите сами, как звук меняет свой характер благодаря использованию старейшего активного электронного элемента в сигнальном тракте, которым является электронная лампа – триод.
Построение полноценного лампового усилителя, несмотря на немногочисленность деталей и кажущуюся простой конструкцию, на практике оказывается сложной и дорогостоящей задачей. Придется иметь дело с рядом проблем и элементов, неизвестных для транзисторных устройств, таких как трансформаторы для динамиков, высокое анодное напряжение, фон, микрофонный эффект…
Для многих начинающих радиолюбителей это серьезная проблема, но каждый электронщик может легко собрать устройство, которое даст хотя бы некую замену «ламповому звуку» в виде буфера (предусилителя), вставленного между источником сигнала и обычным усилителем мощности.
Принципиальная схема предусилителя
Простой ламповый предусилитель, представленный здесь, был разработан для встраивания в классический транзисторный усилитель мощности, питаемый симметричным напряжением. Он не требует дополнительного дорогостоящего высоковольтного трансформатора. Плата может быть вставлена в тракт самодельного или уже существующего УНЧт – главное, чтобы в корпусе было для неё место.
Так же как и транзистор, электронная вакуумная лампа триод может работать в трех схемах: с общим анодом, катодом и сеткой (последняя используется редко из-за низкого входного сопротивления). Принципиальная схема предусилителя с общим катодом представлена на рисунке. Сигнал с входа IN через резистор R11 поступает на сетку радиолампы L1A, модулирующую протекание анодного тока. Усиленный сигнал поступает с анода лампы через конденсатор С12. Выход предусилителя OUT поляризован относительно большим резистором R15. Правильная поляризация лампы необходима для нормальной работы — сетка должна иметь более низкий потенциал, чем катод.
Благодаря анодному току покоя, протекающему в цепи лампы, происходит падение напряжения на следующих элементах: R14 – анодный резистор – нагрузка усилителя, Ra – внутреннее сопротивление лампы и R13 – катодный резистор. Сетка имеет потенциал земли, так как она подтягивается к ней резистором R12, поэтому ее потенциал ниже потенциала катода — это так называемая автоматическая поляризация. Напряжение питания подается через резистор R14, на котором стоят конденсаторы: фильтрующий С13 и антивозбуждающий С14. Резистор R11 предотвращает возбуждение предусилителя со стороны входа.
Схема с общим катодом имеет высокое входное сопротивление, высокий коэффициент усиления и широкую полосу пропускания сигнала, который инвертирован по фазе. Недостатком предварительного усилителя в такой топологии является высокое выходное сопротивление, из-за чего могут возникнуть трудности при взаимодействии с ним следующего каскада усилителя (в нашем случае УМЗЧ). Эти проблемы могут проявляться ограничением АЧХ сверху или неконтролируемым увеличением искажений.
Данного недостатка нет в схеме с общим анодом. Эта схема имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление. Такая схема не усиливает сигнал и даже немного ослабляет его, но часто используется на практике. Из-за своих свойств её называют катодным повторителем, потому что сигнал не инвертируется по фазе — сигнал, снимаемый с катода, следует за подаваемым в сетку. В этой схеме анод замыкается на землю по переменным составляющим (через источник питания). Нагрузкой на этот раз является только катодный резистор R114+R113. Резистор R112 включен необычным образом между R114 и R113 для облегчения подбора катодного резистора R113 (автоматическая полярность). Из-за более высокого потенциала сетки относительно земли на этот раз был использован разделительный входной конденсатор С111. R111 предотвращает возбуждение радиолампы.
Лампа ECC88 — это модель, предназначенная для аудио со средним коэффициентом усиления и относительно низким, как для радиолампы, выходным сопротивлением. Есть у неё и ещё один плюс – достаточно низкое анодное напряжение, для нормальной работы достаточно около 60 В.
Питающее устройство
В полупроводниковых усилителях мощности для питания обычно применяют трансформаторы с двойными симметричными вторичными обмотками (не менее 2х20 В). Именно это напряжение с трансформатора используется для питания анодной цепи предусилителя. Схема блока питания представлена на рисунке. Напряжение увеличивается двухкаскадным симметричным умножителем, построенным на элементах D1-D4 и C1-C2. После фильтрации напряжения на конденсаторе С3 оно составляет в зависимости от вторичного напряжения трансформатора от 90 В до 120 В, что вполне достаточно для питания усилителя. В цепи питания есть еще два резистора R1 и R2, которые вместе с элементами С13 и С23 (С113 и С123) составляют CR-фильтр, устраняющий помехи, поступающие от сети. Параллельно конденсатору С3 подключен резистор R3, задачей которого является разрядка конденсаторов С1-С3 при отключении питания.
Для радиолампы требуется напряжение накала 6,3 В, которое создается трансформатором TR1 (7,5 В/3 Вт). Его напряжение после выпрямления и фильтрации конденсатором С4 поступает на линейный стабилизатор типа 7806. Он стандартно соединен с элементами С5-С7, а диод Шоттки D5 включен между средней ногой стабилизатора и землей. Назначение этого диода – увеличить внутреннее опорное напряжение стабилизатора, и как следствие поднять выходное напряжение до 6,3 В, что как раз и нужно лампе для накала.
Напряжение с трансформатора ТР1 также используется для питания схемы задержки включения анодного напряжения. Благодаря этой задержке лампа получает анодное напряжение только после прогрева нити накала, что предотвращает деградацию катода. Эта схема работает так – после включения питания напряжение на конденсаторе С8 (заряженном через резистор R4) будет постепенно увеличиваться, а подключенный к ним MOSFET-транзистор Т1 будет постепенно открываться, открывая протекание тока через катушку реле PR1. Это реле в какой-то момент включит напряжение с конденсатора С3 на фильтры анодного питания: R1-C12 и R2-C22. Диод D6, включенный параллельно катушке реле, защищает транзистор Т1 от напряжения самоиндукции. Время, через которое сработает реле, зависит от номиналов и типов элементов R4, C8, T1 и PR1. В данном случае около 8 секунд. После сбоя питания конденсатор С8 разряжается через резистор R5. Реле быстро переключает конденсаторы С12 и С2, разряжая их через резисторы R1 и R2 на землю.
В блоке питания также имеется индикатор работы в виде двух светодиодов. Когда трансформатор TR1 включен, а транзисторы T1 и T2 закрыты, через резистор R7 протекает ток, открывая транзистор T3. Затем загорается красный светодиод, подключенный к цепи эмиттера. Резистор R7 в основном используется для ограничения его тока, R8 только поддерживает протекание тока через T3. После открытия транзистора Т1 через резистор R6 открывается и Т2, а Т3 закрывается. Таким образом, в коллекторной цепи транзистора Т2 гаснет красный светодиод и загорается зеленый. Благодаря необычному подключению красного светодиода (эмиттерная схема) можно использовать один двойной красно-зеленый светодиод с общим катодом, вместо двух обычных.
Монтаж и наладка УНЧ
В зависимости от выбранного варианта усилителя следует использовать соответствующую плату. Помимо печатной платы УНЧ потребуется блок питания (одинаковый для обоих вариантов), плата которого показана на рисунке. Элементы на обеих платах должны монтироваться стандартно, начиная с самых маленьких и заканчивая большими.
Резисторы R13 и R14 (и R23, R24 или R113, R114, R123, R124) следует припаять на несколько более длинные ножки, благодаря чему к ним будет проще подключаться для измерения, а также заменять их на другие номиналы для точно выбрать рабочую точку лампы.
На плате блока питания есть место для трансформатора TR1. По краям расположены разъемы: сетевого питания PW, симметричных напряжений от трансформатора TR, напряжения накала, анодных напряжений AN и разъем LED для индикации работы блока питания.
После сборки выполните функциональную проверку. После подключения сетевого питания к разъему PW на разъеме HT должно появиться постоянное напряжение 6,3 В, при этом загорится красный светодиод, подключенный к разъему LED. Через несколько секунд реле сработает, красный светодиод погаснет, а загорится зеленый. При необходимости время включения реле можно изменить другими значениями элементов R4 или С8.
Плату БП следует подключить к плате предусилителя, соединив разъемы HT и AN. В случае выставления радиолампы сверху корпуса или за стеклом на передней панели, можно попробовать установить в качестве подсветки двойной двухцветный 3 мм светодиод. Место для него предусмотрено в центре цоколя лампы (он светит через центральное отверстие цоколя). При таком решении контролем является сама стеклянная колба электронной лампы — при включении лампа имеет красное свечение, а при нагреве — зеленое.
Теперь схема подключения предварительного усилителя к схеме усилителя. Входной сигнал с потенциометра должен выводиться на разъем IN, а разъем OUT — это выход на усилитель мощности усилителя. В случае проблем с гулом можно рассмотреть возможность разрыва цепи заземления, идущей по сигнальному кабелю от предварительного усилителя к усилителю мощности (чтобы избежать так называемого контура заземления). Тогда цепь заземления будет замкнута источником питания.
Возможности изменения деталей
В предусилителе можете попробовать использовать другие типы ламп, например, ECC81, ECC82, ECC85 или PCC88. Использование других ламп повлечет за собой некоторые изменения в схеме. В то время как у большинства двойных триодов выводы анодов, катодов и сеток находятся в одном месте, есть отличия в схеме нагрева.
В лампах ЕСС85, ЕСС88, РСС88 вывод 9 — это экран, который должен быть соединен с землей, в других типах ламп — это центр нити накала. В случае с этими лампами также можно попробовать накал на 12,6 В. В этом случае следует доработать блок питания, применив трансформатор с более высоким напряжением 12-15 В и стабилизатор 7812, а вместо Шоттки D5 используйте простой кремниевый диод, например 1N4001.
Наиболее важным является подбор нагрузки – резистор R14, катодный резистор R13 и сеточный R12. Если ток и напряжение слишком малы, уменьшите анодный резистор (R14/R24) так, чтобы рабочая точка находилась на прямой части характеристики. Будьте осторожны, чтобы не превысить допустимую мощность потерь. В схеме используется автоматическая поляризация – сетка замыкается на землю резистором относительно высокого номинала R12/R22. Отрицательное напряжение относительно катода возникает из-за падения напряжения на катодном резисторе, поэтому Ug = – Uk.
На графике для напряжения при Uан = 80 В и анодном токе Iан = 5 мА,напряжение катода относительно сетки (земли) должно быть около 2 В – если оно больше, уменьшите, а если меньше – увеличьте значение катодный резистор R13/R23. При изменении номинала катодного резистора изменяется и анодный ток, поэтому рабочая точка также может незначительно измениться. Следует помнить, что трубки имеют большой разброс параметров, даже до 20%. Зачастую даже две половинки одного и того же светильника отличаются по параметрам. Поэтому не следует слишком строго относиться к точному подбору резисторов.
Описанный выше алгоритм применим к схеме с общим катодом. В схеме с общим анодом аналогично. Измерьте напряжение питания Uz на выводе AN и напряжение катода Uk и напряжение нагрузки Uo – оба на крайних выводах катодного резистора R113. Анодное напряжение Uan = Uz – Uk.
Анодный ток проще всего определить, измерив падение напряжения на нагрузочном резисторе R114, то есть Ian = Uo/R114.
Представленный ламповый предусилитель относительно дешев и прост в запуске, а его установка в уже существующий приличный усилитель не требует больших усилий.
