Бесплатный фрагмент - Hi-end-усилители на «военных» лампах

Командирам и начальникам, воспитателям и преподавателям Воронежского Высшего Военного Инженерного Училища Радиоэлектроники посвящается

Преждесловие
(пролог по-нашему)

В среде любителей лампового звука не утихают споры о том, какая лампа и (или) сочетание ламп дают наилучший «самый правильный» звук. Очень часто в интернете происходят самые настоящие баталии, иногда с переходом на личности. Причем самые злые спорщики на поверку зачастую оказываются чистыми теоретиками, не собравшими за свою жизнь ни одного усилителя. Особую нишу в спорах занимает вопрос о том, что лучше: пентод или триод. Цель моего скромного труда заключается не в том, чтобы кого-то переспорить, а лишь дать практические рекомендации о том, как собрать из ламп, которые я и несколько моих единомышленников считают лучшими по звуку, достойный усилитель.

Наша концепция в результате почти десятилетних поисков, экспериментов с разными топологиями схем, разными лампами, разными типами пассивных элементов выглядит так:

Пентод (тетрод) должен быть включен штатно т.е. пентодом (тетродом)

Пентод (тетрод) звучит лучше. Если уйти в область субъективных оценок, это значит, что он передает музыку лучше, особенно ее эмоциональную составляющую, что, собственно говоря, и является сутью музыки — непосредственная передача эмоций, чувств. В общем, мы за ПЕНТОДНЫЙ ЗВУК. Но ничего против не имеем, если в схеме присутствуют хорошие триоды. Даже (О, крамола!) если пентод включен триодом, что для некоторых пентодов не является ухудшающим обстоятельством.

Топология схемы усилителя мощности — однотактный (кому нравится — можно двухтактный) усилитель с непосредственными связями и кенотронным двуполярным нестабилизированным источником питания. В среде «ламповиков» такой усилитель часто называют Лофтин-Уайт по Комиссарову. Да не соблазнится никто, что я намекнул на двухтактный усилитель с непосредственными связями. Такие бывают, и я их делал. Да и не только я.

Резисторы, используемые при построении усилителя, только проволочные. Конденсаторы — бумажно-масляные для предельно аудиофильского исполнения, но можно и электролитические для бюджетного варианта. О типах резисторов и конденсаторов будет сказано отдельно при описании практических конструкций. Монтаж всех цепей (кроме накальных у косвенно-накальных ламп) производится только одножильным медным эмалированным проводом.

Для винил-корректоров принципиально нестабилизированный однополупериодный кенотронный выпрямитель с, как минимум, трехзвенным LC фильтром.

Вот, собственно говоря, наши нехитрые отправные постулаты. Приписывать себе изобретение схем я не дерзну, так как все существующие схемотехнические решения были придуманы уже к середине XX века. В книге нет теории по расчету усилителей и частотно избирательных цепей, т. к. нет смысла повторять то, что описано во множестве разнообразной технической литературы. Желающий может воспользоваться ею, либо своими знаниями, полученными в учебных заведениях, или освоенных самостоятельно. Идущий да одолеет путь. Я лишь сложил из этих кирпичей конкретные схемы, провел расчет элементов и режимов под определенные типы ламп и попытался изложить в форме, которую «поймет не только взрослый, но даже карапуз» алгоритм практической сборки усилителя на лампах. А теперь о лампах.

Лампы

Конечно же, речь пойдет, как я говорил ранее, только о тех лампах, ради которых все остальные были задвинуты на дно ящика (иногда, правда, достаются оттуда). Вот список этих ламп в порядке возрастания выходной мощности:

12ж1л (4ж1л) — универсальный маломощный пентод с короткой характеристикой. Эти два пентода отличаются только напряжением накала

12.6 Вольта и 4.2 Вольта соответственно. В остальном они идентичны. Накал косвенный.

4П1Л — усилительно генераторный выходной пентод. Накал прямой 4.2 Вольта.

12П17Л — косвенно-накальный аналог 4П1Л. Накал косвенный 12.6 Вольта.

ГУ-15 — генераторный выходной пентод. Накал прямой 4.4 Вольта.

ГУ-50 — генераторный выходной пентод. Накал косвенный 12.6 Вольта.

Зарубежных аналогов (за исключением ГУ-50) данные лампы не имеют. Существуют прототипы (кроме 12П17Л), выпущенные в фашистской Германии для нужд Вермахта. Но они имеют другой цоколь и вид баллона и практически недоступны. Да и надо ли их искать?

Кенотроны можно применять любые, подходящие по токам и напряжениям. Но в книге описаны те, которые были использованы в практических схемах. Как театр начинается с вешалки, так усилитель начинается с источника питания. Поэтому начнем по порядку, сначала с описания кенотронов, а затем блока питания винил-корректора. Итак,

6Ц4П — двуханодный кенотрон косвенного накала. Напряжение накала 6.3 В. Лампа пальчиковая семиштырьковая. Существует разновидность этого кенотрона с буквой Е (повышенной надежности). Так вот, при выборе, какой кенотрон использовать 6Ц4П, 6Ц5С или 6Ц4П-Е, предпочтение следует отдать последнему по двум причинам:

а) выше надежность,

б) звук с ним лучше, чем при применении первых двух.

Существует импортные аналоги — например, 6Х4.

6Ц5С — двуханодный кенотрон косвенного накала. Напряжение накала 6.3 В. Лампа имеет октальный восьмиштырьковый цоколь. А значит, занимает больше места. Но зато смотрится солиднее, эдакий пузанчик. Иногда внешний вид является значимым фактором. Имеются импортные аналоги 6Х5GT, EZ90. 6Ц5С- двуханодный кенотрон косвенного накала. Напряжение накала 6.3 В. Лампа имеет октальный восьмиштырьковый цоколь.

5Ц4С — двуханодный кенотрон косвенного накала. Напряжение накала 5 В. Лампа имеет октальный восьмиштырьковый цоколь. Баллон лампы бывает трех типов: «кобра», обычный цилиндрический и цилиндрический уменьшенного размера. В последнем случае лампа маркируется как 5Ц4М. Обладает великолепным звучанием. Импортные аналоги: 5Z4,5Y4,5W4.

5Ц3С — двуханодный кенотрон прямого накала. Напряжение накала 5 В. Лампа имеет октальный восьмиштырьковый цоколь. Имеет существенный недостаток — ухудшает динамические характеристики усилителя. Проявляется это в «вялом» звучания быстрых мелодий, рока. Импортные аналоги: 5U4G, GZ32,GZ34.

5Ц9С — двуханодный кенотрон косвенного накала. Напряжение накала 12,6 В. Лампа имеет баллон и цоколь как у ГУ-15. Обладает великолепным звучанием. Импортных аналогов не имеет.

Источник питания винил-корректора

Источник предназначен для питания винил-корректора собранного на лампах 12Ж1Л (4Ж1Л). Описание и схема будут предоставлены в следующей главе (Рис.1). Поскольку лампы взаимозаменяемы, предусмотрен переключатель напряжения питания накала 4 или 12 Вольт. Потребление тока по цепи анода у данного винил-корректора не превышает 15 мА, по цепи накала 300 мА для 12 Вольт, и 880 мА для 4 Вольт. Накал кенотрона источника питания потребляет 450 мА для 6Ц4П-Е. и 600+-60 мА для 6Ц4П и 6Ц5С. Исходя из этих данных, выбираем готовый промышленный трансформатор. Вполне подходит достаточно широко распространенный на просторах нашей Великой Родины ТАН16—127/220—50. Главное, чтобы высоковольтная обмотка имела 270 — 280 вольт переменного напряжения. Можно, конечно, потрудится и намотать трансформатор самому, предварительно рассчитав его параметры. На страницах этой книги позволю себе этим не заниматься. Ниже приведены справочные данные на ТАН16—127/220—50.

Трансформаторы ТAН16 на 220 В выпускаются начиная с 1979 г., они имеют одну первичную обмотку и такую же нумерацию выводов, как у трансформаторов на 127/220 В.

Напряжение на отводах первичных обмоток трансформаторов ТAН16 на 127/220 В:

между выводами 1 и 2, 4 и 5 — 110 В;

между выводами 2 и 3, 5 и 6 — 7 В.

При использовании трансформаторов ТAН16—127/220 на 127 В необходимо:

соединить выводы 1 и 4, 3 и 6, при этом первичные обмотки 1 — 3 и 4 — 6 соединяются параллельно;

подать напряжение 127 В на выводы 1 и 3 или 4 и 6.

При использовании трансформаторов ТAН16—127/220 на 220 В необходимо:

соединить выводы 2 и 4;

подать напряжение 220 В на выводы 1 и 5.

В трансформаторах ТAН16 возможно последовательное и параллельное согласное соединение вторичных обмоток. Накальные обмотки можно соединять параллельно для увеличения тока накала.

Анодные обмотки можно соединять последовательно для получения необходимого выходного напряжения, а также параллельно для увеличения нагрузочной способности обмоток.

При последовательном соединении обмоток с разными допустимыми токами нагрузочный ток не должен превышать минимального допустимого. Параллельное соединение может осуществляться тех анодных обмоток, напряжение на зажимах которых одинаковое.

В авторском варианте источник питания сделан отдельным блоком, конденсаторы использованы в анодных цепях бумажно- масляные типа МБГО, в цепях выпрямителя накала, естественно, электролитические. Их марка не имеет принципиального значения. Для уменьшения габаритов никто не воспрещает использовать электролитические конденсаторы в анодных цепях, но, как говорил один персонаж из кинофильма «Напарник», это — не наш метод. В смысле, что не для маститого аудиофила.

Ниже представлена таблица, в которой, по мере убывания их положительных характеристик с точки зрения звука, расположены типы конденсаторов. Таблица составлена на основании специально проведенных тестов.

Вместе с этими конденсаторами тестировался конденсатор JENSEN с медными обкладками. Габариты большие, по звуку едва отличим от КБГ-МН. Разница заметна только если сравнивать их между собой быстрым переключением. Выигрыш при этом на стороне JENSEN. Только вот цена… При сравнительном прослушивании конденсаторов одной марки сделано следующее наблюдение: конденсаторы 40-50-ых годов звучат лучше, чем их собратья более позднего выпуска. Естественно, этот ряд субъективен. С данными одних источников он совпадает, с другими разнится в некоторых пунктах. В любом случае — выбор за Вами.

Провод, используемый в кабеле, соединяющем винил-корректор с источником питания, типа МГТФ. Для получения 270 Вольт переменного напряжения на силовом трансформаторе соединяются перемычками выводы 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13. Напряжение 272 Вольта снимается с выводов 7 и 14. В качестве дросселей питания можно использовать первичные обмотки трансформаторов ТВЗ1—9, ТВЗ-Ш и ТВК-90, ТВК-110 и т. п. Причем никакой переделки этих трансформаторов не требуется. Существуют промышленные унифицированные дроссели индуктивностью не менее 5 Генри. Например, Д7, Д40 и т. д. Главное, чтобы дроссели Др3 и Др4 (см. схему) были одинаковыми.

Переключение напряжения накала ламп корректора производится двухсекционным переключателем SA1.Одна секция переключает переменное напряжение 6.3—12.6 в, вторая изменяет сопротивление в цепи регулирования микросхемного стабилизатора. Благодаря такому решению облегчается тепловой режим стабилизатора. Микросхему стабилизатора необходимо установить на радиатор, либо использовать в качестве такового корпус блока питания, если он металлический.

Винил-корректор

Винил-корректор (Рис.2) представляет собой двухкаскадный усилитель с сосредоточенной классической цепью коррекции по стандарту RIAA. Цепь коррекции находится между каскадами, собранными на лампах 12Ж1Л (4Ж1Л), причем в первом каскаде лампа имеет штатное пентодное включение, а во втором — триодное. Особенность данной лампы — практическое отсутствие микрофонного эффекта и фона. Звуковая сигнатура великолепна как в пентодном так и триодном включении.

Некоторые рекомендации по монтажу корректора. Общие провода, экраны ламп соединяются в одной точке вблизи входных гнезд. Если корпус корректора сделан из изоляционного материала, то никаких особенностей нет, если же корпус металлический, то входные гнезда должны быть изолированы от корпуса. Точка соединения металлического корпуса корректора с общей шиной питания подбирают экспериментально. В случае применения ламповых панелей в виде стакана она образуется автоматически контактом стакана с шасси.

Соединительный разъем для подключения источника питания может быть любой, главное, чтобы в нем было не менее 5 контактов (два для накальных цепей, один общий и два для анодных цепей каналов).

При триодном включении 4Ж1Л (12Ж1Л) Соединить между собой анод, сетки вторую, третью и внутренний экран!!!

При пентодном включении — активное сопротивление в цепи первой сетки не должно превышать 100 кОм во избежание появления токов утечки.

Краткое отступление по поводу воспроизведения грамзаписей

В настоящее время считается, что основную массу грамзаписей (после 1967) года составляют носители, записанные в стандарте RIAA. Однако, многие фирмы продолжали записывать пластинки в форматах отличных от указанного. Так Deutsche Grammofon Geselschaft (DGG) и после 1967 года делала записи в стандарте TELDEC. Записи, сделанные в Великобритании, имеют формат TELDEC (основная масса записей БИТЛЗ), LONDON LP M33 или BBC. А в 60-ые годы 20 века, когда во множестве имелись пластинки для проигрывателей со скоростью вращения 78 оборотов, количество разнообразных форматов доходило до двух десятков. С 1955 года в нашей стране, Великобритании и США для 78-оборотных пластинок действовал в основном стандарт IEC N78 (ГОСТ 5289—50). Поэтому, для любителей старинных записей имеет смысл собрать винил-корректор, как минимум, с двумя типами коррекции: RIAA и IEC N78. Чтобы при многословии не впасть в ошибки, ниже приводится таблица наиболее распространенных стандартов.

Стандарты грамзаписи

Если не предполагается прослушивание пластинок 30-40-ых годов, то для мультиситемного винил-корректора следует выбрать следующие шесть стандартов: IEC N78, Columbia LP M33, London M33&M45, NARTB до 1953, TELDEC, RIAA.

То есть потребуется Переключатель на 6 положений и 3 направления. Для того, чтобы во время переключения типов коррекции не было громких щелчков, переключатель должен быть с перекрытием соседних контактов во время переключения (такие применялись в магазинах сопротивлений и разнообразной измерительной технике). Но чаще встречаются такие переключатели на пять положений. Поэтому, в случае применения переключателя на 5 положений, каким- то из стандартов придется пожертвовать. Лично я склоняюсь пожертвовать Columbia LP M33, но сохранить IEC N78, так как долгоиграющие пластинки на 78 оборотов достаточно широко распространены, и очень много в нашей стране пластинок шестидесятых и начала семидесятых годов прошлого века диаметром 17 см, с записями, перенесенными с 78-оборотных пластинок. А они как раз и были записаны в этом стандарте. В этом случае понадобится переключатель на три направления.

Вообще, Columbia LP M33 и NARTB стандарты американские. И весьма похожи. Существенно отличаются они друг от друга только в низкочастотной области (на частотах ниже 200 Гц). Поэтому, прежде чем решить, какой стандарт не включать, надо провести статистический анализ на предмет, какого стандарта записи пластинки у вас встречаются чаще. И, исходя из полученного результата, определить стандарт, подлежащий забвению. В случае, если будет отвергнут NARTB, достаточно иметь переключатель на два направления, упрощается схема коммутации.

Принципиальная схема винил-корректора на 6 типов коррекции приведена на рис. 4.

Принципиальная схема двух вариантов винил-корректора на 5 типов коррекции приведена на рис.5 и 6.

Безусловно, никто не мешает собрать корректор на 2, 3 или 4 стандарта грамзаписи. Каждый да определит сам, чего он желает и воплотит свои идеи в жизнь.

Методика расчета цепей коррекции для винил-корректоров без обратных связей

Отдельной строкой стоит пропеть дифирамбы двум одесским парням, написавшим великолепную работу по расчету усилителей-корректоров для воспроизведения грамзаписи. Называется эта чудная работа:

Евгений Бабиченко, Игорь Гапонов. Усилители RIAA- коррекции на вакуумных триодах для «скоростных» (электродинамических) звукоснимателей. Некоторые принципы построения схем без обратных связей. Расчёт и настройка корректирующих цепей.

На просторах Интернета она имеется. В этой статье на высоком уровне проработаны математическая модель расчета и практические советы по созданию винил-корректоров. Язык изложения может кому-то показаться странным, но, в конце концов, это не диссертация и не учебник для ВУЗов и техникумов. Лично меня порадовало в этой работе и то, что среди первоисточников авторы указали труд начальника кафедры ТЭРЦ Воронежского Высшего Военного Инженерного Училища Радиоэлектроники полковника Змия Бориса Федоровича. «А причем тут Воркута? А я сидел там». Точнее, я там учился, в смысле в ВВВИУРЭ. Но моя задача, как оговаривалось ранее, состоит в том, чтобы предоставить методики расчетов и построения усилителей, доступные даже призывнику из Узбекистана. Обвинять меня в расизме не надо, лучшие армейские повара, как правило, были узбеками. Ну, когда еще был СССР. Посему ниже будет представлена методика упрощенного расчета для нескольких типовых видов цепей коррекции без обратных связей. Поскольку методика упрощенная, объяснений, что откуда берется, в ней не будет. Чисто практическая методика, рассчитанная на человека, владеющего арифметикой и знакомого с законами Ома (в пределах школьной программы), дающая удовлетворительный результат на практике. Будут рассмотрены:

1.Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в классической схеме усилителя-корректора

2. Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в схеме усилителя-корректора с непосредственными связями

3.Расчет усилителя-корректора с формированием постоянной времени t1 на собственной индуктивности головки звукоснимателя.

4.Расчет усилителя-корректора с коррекцией, распределенной по каскадам

1.Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в классической схеме усилителя-корректора

Это наиболее часто применяемая цепь коррекции, позволяющая формировать три постоянные времени коррекции. См. рис.7.

Посмотрев на схему, можно увидеть, что постоянная времени τ₁ формируется цепочкой R1C1, а цепочка R1R2C2 формирует две постоянных времени: τ₂ и τ₃. В качестве примера расчета возьмем стандарт IEC N78 в котором:

τ₁=50 мкс

τ₂=450 мкс

τ₃=3180 мкс

И, вот, мы стоим перед уравнением с четырьмя неизвестными R1, R2, C1, C2. Извечный вопрос русской интеллигенции: « Что делать»? Извечный ответ ей русского народа: «Э-э, интеллигенция… Одно слово, узок их круг и страшно далеки они от народа. Принимаем волевое решение!» Правда, про круг сказал не народ. В общем, волюнтаристски назначаем (исходя из имеющихся в запасе номиналов) емкость конденсатора С2, так как расчет будет вестись от наибольшей потоянной времени t3=3180 мкс, а она связана с С2.

— Вычисляем сопротивление R2:

R2= τ₂ /C2

2.Вычисляем R1: R1= R2 (τ3 -τ₂) (τ₂- τ1) /τ22

3.Вычисляем С1: Если бы цепь R1С1 была отдельной, то С1=t1/R1. Но в реальности она включена в более сложную систему. Поэтому формула расчета С1 усложняется и принимает вид:

С1= τ1 τ3С2 / ((τ3 -τ₂) (τ₂- τ1))

Подставляем в формулы реальные значения элементов:

— Принимаем равным 0.03 мкф (постоянные времени берем в мкс, емкости в мкф), тогда:

R2=450/0,03 = 15000 Ом= 15 кОм,

R1= (3180—450) (450—50) *15/450²=80,88 кОм,

С1=0,00005*0,00318*0,03/ (0,00273*0,0004) =4368пф.

Все было бы хорошо с приведенным выше расчетом, если бы не: цепь коррекции, приведенная выше, представляет собой идеальный случай, когда цепь эта живет сама по себе, не включенная ни в какие другие каскады и цепи. В реальной жизни ее ставят между первым и вторым каскадами усилителя-корректора. См. рис.9.

Первый каскад усиления на лампе Л1 имеет свое выходное сопротивление Rвых, последующий каскад на лампе Л2 имеет входное сопротивление Rвх (это сопротивление в цепи первой сетки Л2), которые становятся неотъемлемой частью узла коррекции и искажают всю, ранее рассчитанную, картину. В принципиальной схеме, учитывающей новые условия, сопротивление, обозначенное на рис.9 как R1, обозначим Rреал. Сделаем это, чтобы не путаться и помнить, что в макете будет впаян резистор с сопротивлением Rреал. См. рис 10.

Чтобы рассчитать сопротивление Rреал, которое необходимо установить в реальный макет усилителя, нужно составить эквивалентную схему цепи коррекции. Разделительный конденсатор Ср имеет сравнительно большую емкость (порядка 1 мкф), т.е. малое сопротивление по переменному току, поэтому при составлении эквивалентной схемы мы его игнорируем, считая, что он замкнут накоротко. См. рис. 11.

Далее полагаем, что цепочки С1, С2R2 сохраняют свои значения и их пересчитывать не надо (по постоянному току цепь разорвана). Значение Rвх мы задаем сами, исходя из имеющихся в запасе номиналов сопротивлений. В нашем случае выбираем Rвх=270кОм.

Выходное Rвых сопротивление первого каскада равно (внутреннее сопротивление лампы Ri соединяется параллельно с сопротивлением в цепи анода Ra через источник питания)

Rвых= Ri Ra / (Ri+ Ra)

Сопротивление Ra в цепи анода Л1 выбирается по нагрузочной прямой построенной на ВАХ лампы и в нашем случае для лампы 12Ж1Л равно 62 кОм. Значение Ri берется из справочника и составляет 800 кОм. Итак, подставляя эти значения в формулу получаем:

Rвых= 62*800/ (800+62) =57.5 кОм.

Для сохранения расчетных характеристик цепи коррекции необходимо, чтобы сопротивление цепочки RвхRвыхRреал равнялось R1