Описание и анализ новой схемы 50-ваттного усилителя

  • Описание и анализ новой схемы 50-ваттного усилителя    Аудио усилители являются одним из старейших видов аппаратуры на трехэлектродных или многоэлектродных радиолампах, и в настоящее время их очень трудно усовершенствовать. Пожалуй, нет других областей электроники, где было бы сделано столько попыток что-либо улучшить. Одним из основных затруднений при конструировании звуковых усилителей является требование очень широкого частотного диапазона (от 18 Гц до 20 кГц) для верного воспроизведения аудио сигналов. Широкополосность — это, вероятно, самое жесткое требование для любого электронного устройства, независимо от его назначения.

    При разработке аудио усилителя необходимо преодолеть несколько проблем. Для воспроизведения низших частот требуется "достаточный" сердечник трансформатора с определенными магнитными свойствами, что приводит к увеличению веса, размера и стоимости выходного трансформатора. Это увеличение можно снизить путем использования обмоток с большим числом витков, но при этом возрастают индуктивность рассеяния и эффективная шунтирующая емкость.

    На частотах выше 3 кГц эта шунтирующая первичную обмотку выходного трансформатора емкость становится одним из главных лимитирующих факторов, независимо от режима работы выходного каскада. При работе выходного каскада для повышения КПД в режиме класса АВ или В возникает дополнительная проблема, обусловленная переключением плеч двухтактного выходного каскада, проявляющаяся в виде "зазубрин" на осциллограмме сигнала при переключении. Эти впервые описанные в 1936 году [1] переходные процессы стали барьером, делавшим практически бесполезными такие схемы, за исключением случаев, когда уровень гармоник не имел большого значения или частотный диапазон был ограничен. Единственными способами борьбы с искажениями были уменьшение индуктивности рассеяния выходного трансформатора или перевод радиоламп выходного каска-да в режим класса А.

    Описываемая базовая схема явилась результатом попыток удовлетворить многие требования относительно способности уха регистрировать искажения частотного диапазона и громкости речи или музыкальных инструментов, импульсных характеристик звука, вариаций импеданса нагрузки, влияния громкоговорителей и других устройств.

    Разберем упрощенную схему выходной цепи обычного двухтактного усилителя. Аноды выходных ламп традиционно соединены с первичными обмотками выходного трансформатора, а формирующий нагрузку резистор подключен к вторичной обмотке. Межанодный импеданс в этой схеме составляет 4000 Ом. Это верно для пары ламп 6L6 в усилителе "Мсlntosh 50W-1". Обратим также внимание на 1000-омный импеданс между анодом и общим выводом первичных обмоток. Эти импедансы учитывались при разработке новой схемы.

    Предполагается, что каждая из ламп выходного каскада поочередно прекращает пропускать ток во время части периода аудиосигнала, т.е. работает в режиме где-то между классами А и В. Опыт показал, что при работе в промежуточном режиме между классами А и В происходит деформация формы сигнала в виде "зазубрины", для всех частот выше 2.. .3 кГц. Искажения формы сигнала достигают 2... 10% и более в зависимости от частоты и реактивного сопротивления рассеяния между двумя первичными обмотками.

    "Зазубрина" возникает из-за остаточной индуктивности рассеяния в анодной цепи каждой из выходных ламп, которая становится источником напряжения, независимого от напряжения на входе каскада, в тот момент, когда одна лампа прекращает проводить ток, а другая его увеличивает. Эта остаточная индуктивность (реактивное сопротивление рассеяния) работает подобно индуктивности, ток через которую внезапно прекращается, что порождает обратную ЭДС, которая искажает выходной сигнал. Величина этого реактивного сопротивления рассеяния должна быть в любой момент достаточно малой, чтобы искажения формы сигнала на высших частотах не превысили 1%. Насколько мы знаем, от этого эффекта нет панацеи.

    Обычно используемая для борьбы с искажениями отрицательная обратная связь не только не улучшает ситуацию, как можно было бы ожидать, а даже ее усугубляет. Для подавления "зазубрины" в форме сигнала необходимо, чтобы во время начала запирания лампы ток в ней пошел бы в обратном направлении.

    Разберем осциллограмму переходного процесса в выходных лампах. Наличие реактивного сопротивления рассеяния между двумя первичными обмотками обуславливает существование разрыва на осциллограмме. Этот барьер был источником разочарования для многих инженеров в прошлые годы и, пожалуй, основным доводом полагать, что высокий КПД и малые искажения не могут быть совмещены.

    Существует ряд способов уменьшения реактивного сопротивления рассеяния, но возрастающая при этом величина связи между первичными обмотками сводит на нет все усилия или делает выигрыш очень малым. Первичные обмотки разбиты на секции, которые соединены так, как будто все обмотки располагаются в общем пространстве. Это является эффективным средством увеличения связи между катушками и повышает частоту, на которой начинает появляться "зазубрина". Однако этот способ обладает недостатком: наблюдается возрастание шунтирующей емкости между анодами ламп, подавляющей высокие частоты. Кажется, что нет никакого практического варианта секционирования и чередования этих обмоток для уменьшения эффекта реактивного сопротивления рассеяния без роста шунтирующей емкости.

    Другим способом является использование гораздо большего сердечника трансформатора, позволяющего сократить необходимое число витков первичных обмоток. Однако в этом случае для достаточного уменьшения реактивного сопротивления рассеяния потребуется сердечник с массой порядка 57 кг. Для предлагаемой новой схемы выходного каскада с полной индуктивной связью по магнитному потоку при тех же параметрах достаточен сердечник с массой всего лишь 5 кг. Отметим, что использование большого сердечника порождает и другие недостатки, среди которых — увеличенные искажений, особенно при малых выходных сигналах, обусловленные нелинейными характеристиками магнитного материала, и относительно большие потери.

    Обратим внимание на то, что для- ламп 6L6 в режиме класса АВ или В отношение индуктивного реактивного сопротивления первичной обмотки выходного трансформатора к реактивному сопротивлению рассеяния между первичными обмотками должно быть не менее 80000 для обеспечения коэффициента искажений не более 1% на частоте 20 кГц и полной выходной мощности на 20 Гц.

    Исходя из вышесказанного, неясно, как существен но уменьшить реактивное сопротивление рассеяния для работы с высоким КПД. Так что придется вернуться к обычному режиму класса А, в котором не проявляется разрывность переходных характеристик ламп. Для достижения высокого КПД необходима необычная схема, которая будет эффективно уменьшать реактивное сопротивление рассеяния между первичными обмотками.

    Тэги: Усилитель, трансформатор, схема, сопротивление