Кривые B – H магнитопровода и расчет сетевого трансформатора

Мне понадобилось намотать сетевой трансформатор. Под рукой есть Ш-образное железо, но я не знаю его параметров. Изрядно покопавшись в интернете обнаружил, что несмотря на то, что есть очень много публикаций на эту  тему, именно четкой методики определения параметров магнитопровода, которые необходимы для расчета трансформатора, по сути нет. Есть только отрывочные данные –  или совсем примитивные наукообразные  рассказы как сделать какой-то трансформатор с по сути непредсказуемыми параметрами на основе простеньких  эмпирических формул начала прошлого века( которые как правило дают неоправданно завышенные  габариты устройства ), или философствования с интегралами и дифференциалами, но ноль на выходе . Постараюсь заполнить этот пробелл, но только пока для Ш-образного сердечника. Хотя если сможете определить сами среднюю длину магнитной линии ls для другого типа сердечников – методика все равно подойдет.

Прежде всего нам нужны кривые намагничивания  B – H  – то есть зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля Н.    Наклон этой кривой даст нам величину магнитной проницаемости имеющегося материала – мю.  Нюанс в том, что  магнитная проницаемость трансформаторного железа – величина не постоянная и она в свою очередь зависит от напряженности магнитного поля Н.  Кривую этой зависимости мы тоже построим. И после этого приступим к рассчету  самого  трансформатора.

Schematic

Для начала собираем простую схему из Рисунка выше.  Понадобится регулируемый  автотрансформатор П ( я взял школьный ЛАТР ), который сначала устанавливают в крайнее положение, чтобы на выходе был ноль вольт. Шунт R1 – это два двухваттных резистора по 1 Ом, включенных параллельно, но точный номинал не важен – просто изменится величина сопротивления, которую подставляем в рассчетную фомулу. Вместо варианта шунт + вольтметр можно использовать просто амперметр. Для трансформатора мощностью 100 – 200 ватт предел измерения должен быть 2 – 3 ампера.  Хотя, конечно лучше и точнее  использовать  все-таки шунт и  тестер – включенный в режиме миливольтметра переменного тока. Конденсатор С  – неполярный, берем емкостью 4- 10 микрофарад, я брал МБГО 10 мкф на 160 Вольт.   Резистор R2 – около 100 КОм.

IMG_20220907_073350_1

Теперь сам трансформатор. Надо хорошо, тщательно  собрать и подогнать железо так, чтобы обеспечить минимальный магнитный зазор.  Я для этого использовал струбцину.  На основном керне я намотал тестовую первичку – 100 витков провода 0.6мм ( можно провод брать и толще ), вторичка у меня тоже 100 витков, можно мотать тем же проводом, но я уже намотал проводом того диаметра, который будет в законченном изделии. Для замеров же это роли не играет.

Обращаю ваше внимание, что вторичка у меня намотана на боковом стержне магнитопровода.  Если вы не собираетесь мотать такого вида трансформатор, а будете вторичку наматывать классическим, обычным способом поверх первички – то мотайте свою тестовую  вторичку в 100 витров  тоже  на центральном стержне. Может быть только положите на всякий случай слой изоляции между обмотками. И не перепутайте – в формулу расчета В в этом случае подставляйте не площадь сечения бокового стержня ( как это делал я ), а площать сечения центрального ( которая обычно в два раза больше ).

Замеры делаем постепенно подавая на первичку напряжение от ЛАТРА,  результаты замеров записываем в два столбика –  Ux  и Uy. Самое большое напряжение, которое можно подавать на превичку примерно соответствует тому моменту, когда первичка начинает заметно нагреваться, тогда замеры заканчиваем. Хорошо, если у вас получится 12 – 15 замеров с примерно равными интервалами.

Excel_table

Приступаем к обработке данных – их удобно сделать в Excel, можно и вручную. Формулы расчета Н ( (1) напряженность магнитного поля ),  В ( (2) –  магнитная индукция ),   и мю ( (3) магнитная проницаемость ):

H= Ux*1.41*N1*/(R1*ls)                         (1)

Ux – измеренное напряжение на шунте R1,  Вольт;

N1 – количество витков первички;

R1 – сопротивление шунта, Ом;

ls – среднаяя длина магниной линии магнитопровода в метрах, для Ш-образного сердечника вычисляется:

Ls_calc

B= Uy* 1.41*R2*C/(N2*S)         (2)

Uy – измеренное значение напряжения на конденсаторе С, Вольт;

R2 – сопротивление R2, Ом,  в нашем случае это 100 000 Ом;

С – емкость конденсатора в фарадах, у меня это 10 мкф или 0.00001 Ф;

N2 – количество витков вторички, у нас это тоже 100 витков;

S – сечение стержня магнитопровода, в метрах квадратных.

mu =  B/( MU0* H )                       (3)

B – магнитная индукция ( вычисленная по формуле (2);

Н – напряженность магнитного поля, вычисленная по формуле (1);

MUo – магнитная постоянная вакуума, равная (   4*3.14*0.0000001 ).

После подсчетов к двум колонкам измеренных значения Ux  и  Uy  ( отмечены желтым в таблице ) мы добавляем  еще три колонки из  вычисленных значений В, Н и мю.   После этого строим графики зависимости  величин В и мю от Н.   Я это сделал очень просто и быстро в том же  Excel.

На графике зависимости В от Н  обычно есть выраженный излом – когда насыщается сердечник, и быстро растущее вначале значение В начинает расти заметно медленнее. Это и есть то  оптимальное значение В, которым нужно задаваться при проектировании трансформатора. В моем случае это было примерно   1.3 Тесла, что обычно и рекомендуют.   Большинство промышленных трансформаторов  в целях экономии материалов обычно работают в области  более высоких значений В, но платой за это будет  повышенный коэффициент гармоник и более высокий ток холостого хода, приводящий к нагреву и гудению трансформатора.

 

B_H_curve

mu_curve

 

Второй график – зависимости мю от Н.  Как видим, есть выраженная зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, причем выше того же значения  Н  = 350 А/м  магнитная проницаемость резко снижается ниже 3000.    Для дальнейших расчетов принимаем мю равным 2500, что будет примерно средним значением в рабочей точке. Правда, мю нам понадобится только для расчета выходного трансформатора.   Для сетевого достаточно только В – магнитной индукции.

Теперь сам расчет.   Первый шаг – определить ЭДС одного витка первичной обмотки, используем всем известную формулу из интернета:

E = 4.44 * f * B *  S * К / 10000  где

f – частота сети, берем 50 Гц;

В – полученное из графика В – Н значение индукции,   подставляем 1.3 Тл ;

S – сечение магнитопровода в см квадратных, у нас это 12.5 ;

К – коэффициент, учитывающий неплотность заполнения центрального стержня магнитопровода железом, принимается обычно около 0.9 ;

После подстановки данных получаем 0.325 вольта на виток, или 1/0.325 = 3.08 витков на вольт.

Количество витков первички определяем перемножением 3.08 на напряжение в сети ( 235 Вольт в нашем случае, берем с запасом, потому что 230 бывает далеко не всегда ) и получаем 723 витка.   Диаметр первички d  в мм вычислял по формуле

d= 0.02 * SQRT ( I )

где  I –  ток в обмотке в милиамперах.  Как его посчитать ?  У нас нагрузка – две лампы ГМ-70 с напряжением накала 20 Вольт и током  3 ампера,  то есть 60 ватт одна, то есть всего  – 120 ватт.  При КПД трасформатора около 0.85,  берем  с  некоторым запасом мощность 150 ватт, тогда ток будет 150/230 = 0.65 А.  Подставляя 650мА в формулу получаем диаметр провода 0.51мм.  Я взял с небольшим запасом провод 0.55 мм по меди.

Далее –  вторичная обмотка. Принимая во внимание, что вторичка у меня  намотана на боковых стержнях магнитопровода, там количество витков на вольт увеличивается вдвое – то есть 3.08 * 2  = 6.16 витков на вольт.   Отсюда, чтобы получить 10 вольт на одной  вторичной обмотке ( напомню, их всего в моем трансформаторе четыре –  и они потом соединяются попарно, давая две обмотки по 20 В ), нужно  примерно 62 витка.  Диаметр  провода считал по той же формуле, получается 0.02 * SQRT ( 3000 ) = 1.095 мм,  я взял  провод 1.25 мм ( вместе с лаком ).

На самом деле я намотал 715  витков первичку и по 60 витков вторичные обмотки, сознательно немного снизив напряжение накала ГМ-70, что на мой взгляд благотворно сказывается на звуке и немного продлевает срок службы лампы.   Эта генераторная лампа создана для работы в очень жестком режиме с импульсами тока до 0.8 ампера, что в случае моего  УНЧ совершенно не требуется.   Вячеслав, мой знакомый из Израиля уже постоил похожий каскодный усилитель на ГМ-70, так он снизил питание накала даже  до 15 вольт и вполне доволен результатом.

Что получилось после сборки.    Ток холостого хода – 47 мА.     Стендовые испытания трансформатора показали его отличные нагрузочные характеристики и способность долго работать без перегрева – его максимальная температура не поднималась выше 50 градусов. При напряжении на первичке 235 вольт, на вторичках под полной нагрузкой было 19.4 вольта,  теоретически должно быть 19.71  –  то есть “проседание” напряжения всего  1.5 %.

После испытаний трансформатор был под вакуумом  пропитан лаком и затем высушен при 120 градусов в сушильном шкафу в течение 3 часов.  Даже под полной нагрузкой нем как рыба.

Спасибо за внимание, успехов вам !

 

***********************************************************************************************

 

 

 

 

 

 

 

 

Этажерка однотактного каскодного усилителя на лампах 6Ж4 – 6550 – ГМ-70.

Как и собирался, помаленьку доделываю  начатые проекты, под которые уже были куплены (  или изготовлены ) компоненты.

Сразу оговорюсь, что этот проект в полном смысле этого слова еще не закончен, поэтому по мере продвижения к завершению информация может изменяться и дополняться. Однако не закончена только отделка и некоторые вспомогательные блоки. Основной звуковой канал и блоки питания смонтированы и усилитель  уже поет  !

И как всегда – предупреждение для тех, кто не имеет опыта работы с высокими напряжениями – помните, что полтора киловольта – это очень опасно как для вашего здоровья и даже жизни, так и для окружающих. И я котегорически  не советую новичкам строить что-либо подобное. Да и более опытных товарищей должен предупредить –  эта статья – не руководство к действию, и все эксперименты с описанными здесь схемами и  лампами вы делаете на свой страх и  риск !

Часто задают вопрос – а почему этажерка, а не, скажем, обычный настольный вариант компоновки, скажем, в виде моноблоков  ? Все объясняется просто –  вес и безопасность.  Во-первых – хотелось сделать многофункциональный аппарат,  в котором накал ламп ГМ-70 мог бы питаться не только от постоянного выпрямленного тока ( как это делается обычно ), но и переменным током или от двух автомобильных аккумуляторных батарей. И во-вторых, каскоду на высоковольтной лампе ГМ-70 нужно довольно высокое анодное питание ( более киловольта ), блок которого трудно сделать компактным не жертвуя качеством и безопасностью в эксплуатации.

Еще в начале 2018 года был собран каркас пятиэтажной этажерки, собрана она из ламинированного ДСП и белых мебельных ножек, а вся конструкция катается на колесиках.  В задней части  во выфрезерованные в полках углубления установлен вертикальный стальной профиль, который также приобретен в мебельном магазине – на нем обычно крепятся кронштейны для настенных стеллажей.   У меня этот профиль использован как канал для укладки проводов между этажами, а также  для увеличения общей жесткости конструкции.

IMG_20180209_193715_res_35pct

Сам каскод на лампах КТ88 – ГМ-70 еще ранее был отмакетирован  в комбинации  с пентодным выходным трансформатором с Ra=10K/8Ohms, который я сам намотал на железе от ОСМ0.63 ( процедура намотки описана в проекте   11 | November | 2012 | Sergei Klimanski  , проект этот  к сожалению был закрыт ). На макете удалось получить выходную мощность при Кг менее 10% на уровне 50 ватт в однотакте !  Конечно, такая выходная мощность выглядит совершенно излишней для помещения реальных размеров, и я вовсе не стремился в законченном изделии к такой высокой выходной мощности ( оттого в финальном изделии КТ88 была заменена на чуть менее мощную 6550 ), однако хочу заметить, что отчего-то транзисторный усилитель мощностью в 400 ( а тем более – 100 ватт ) никому не кажется излишеством.  Лишней мощности не бывает. Любой аппарат, можно слушать тихо,  для этого есть логарифмический РГ.

Сейчас,  4 января 2021 года этажерка уже начинена  большинством основных узлов – блок анодного питания, блок питания накала ГМ-70 от переменного и выпрямленного тока,  блок оконечного каскодного усилителя 6550 – ГМ-70, блок стабилизированного питания второй сетки 6550 и предварительного усилителя на лампе 6Ж4 с пультом ДУ.   Пока недостает блока управления и защиты от перегрузок ( будет размещен сверху, на последнем  верхнем  5-ом этаже ) и блока питания накала от АКБ и ЗУ для них ( 1-й этаж ).

IMG_20201029_134918_res_20pct

Несмотря на недоделки, конструкция уже работает, и пробные прослушивания, как мной индивидуально, так и в присутствии знакомых показали очень хорошее  звучание, что позволяет мне взяться за перо и описать этот усилитель немного подробнее. После более чем 15 лет увлечения ламповым звуком мне наконец удалось сделать однотактный усилитель на лампе ГМ-70, пение которого  меня  очень даже радует  ! Как видите, путь к освоению этой лампочки оказался долгим.

В кратце описание принципиальной схемы и конструкции.  На втором этаже размещен высоковольтный блок анодного питания собранный по схеме удвоения на лампах 6Д22С с раздельным питанием для каждого канала ( общие – только батарея из дорогостоящих  электролитов, каждый на 1200мкф и 500В и дроссель LL1673 ), выходные трансформаторы и некоторые элементы управления напряжением на сетке ГМ-70 ( повторитель на лампе  ГИ-3 ) – то есть на этом этаже собраны ВСЕ узлы, где используется анодное напряжение около 1400 вольт, то есть на другие этажи высокое напряжение не поступает, за исключением, наверно анодов лапмы ГМ-70, да и то, панелька этой лампы утоплена в “подвале” третьего этажа, который, разумеется, сообщается со вторым.  В высоковольтном блоке искпользован сетевой анодный трансформатор фирмы ANTEK  AS 4T-650, который содержит две вторичные обмотки по 650 вольт и две накальные по 6.3 вольта ( использованы для питания накалов 6Д22С ). На третьем этаже находится специальной конструкции  накальный трансформатор, намотанный на железе ОСМ-0,25, который через систему переключательных реле нагружен или непосредственно на накал ГМ-70 ( питание накала переменным током ), или через выпрямитель на диодах Шоттки.  Третья альтернатива питания накала – от двух автомобильных 12 В АКБ расположенных на первом этаже, через импульсный step-up 12 В – 20 В преобразователь напряжения.   На этом же, третьем этаже в передней части – сам каскод на лампах 6550 и ГМ-70 с четырьмя газовыми стабилизаторами СГ3С и СГ4С. На четвертом этаже –  readymade ( приобрел  на е-Вау ) ламповый стабилизатор напряжения  с отдельным сетевым трансформатором и дросселем, схема на лампах 5Ц4С, СГ15П, 6Ж4, 6080. Это блок обеспечивает питанием вторые сетки пентодов 6550, а также питает предварительный каскад на лампе 6Ж4 для  раскачки каскода. На этом же этаже находится блок входов, блок дистанционного управления регулятором громкости с моторизованным переменным логарифмическим резистором в 50К.   Всего в  этом усилителе – ровно 20 вакуумных электронных ламп.   Более подробное отдельное описание каждого из блоков будет дано ниже.

А пока – принципиальные  схемы самого усилителя, сначала – звуковой канал:

Cascode_GM_70

И  высоковольтный блок питания:

Blok_pitanija2

 

 

Сама стойка уже начала  приобретать  тот внешний вид, который был задуман – установлены защитные металлические экраны, которые заземлены и защищают от поражения электрическим током, а также экранируют элементы конструкции от локального перегрева излучением ламп.   Даже в таком, еще окончательно не законченном виде, этажерка  стабильно, без перерыва работала  6 часов. Никакого перегрева деревянных ( и других ) конструкций замечено не было.  Причем что интересно, все эти 6 часов мы на Рождество слушали музыку в режиме накала ГМ70 переменным током !  Никто на нормальном для прослушивания расстоянии никакого фона не слышал, хотя акустика ( временно, конечно, просто ничего дроугого небыло рядом )  была с весьма высокой чувствительностью – это были обратные рупоры на 4А28 ( около 95 дБ ).   Конечно, в штатном режиме с этим усилителем планируется  другая акустика с даже более низкой чувствительностью.

Нижние милиамперметры пока зывают величину тока анода каждого канала, верхние – анодное напряжение, конечно на них не подается полное, а от делителя.  По-прежнему пока нет верхнего блока управления и защиты.

IMG_20201206_195159

Буду дополнять по мере продвижения этого проекта к завершению.

Добавлено 10 августа 2022 года. Делаю последний, пятый этаж этажерки – это система контроля и включение усилителя. К сожалению этого монстра нельзя просто так включить одной кнопкой – нужен контроль состояния батарей и вспомогательных узлов – например необходима проверка наличия накала на ГМ-70 до подачи анодного напряжения, нужен контроль напряжения на второй сетке нижнего пентода и состояние батарейки смещения в сетке этого же пентода.

Чтобы упростить сбор этой информации и контроль за ней в процессе работы усилителя, я сделал этот узел на процессоре Ардуино, к которому подключен через интерфейс I2C жидкокристаллический экран LCD1602.  Вот скетч для последовательного контроля  наличия напряжения накала, напряжения батарейки смещения и напряжения на второй сетке лампы 6550, а также анодного питания ГМ-70. Как видим, сдесь большая часть программы выпоняется только один раз при включении усилителя, и если все этапы контроля успешны, то в цепи loop  происходит только контроль анодного напряжения с периодом 500 миллисекунд.

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void setup() {

pinMode(9, OUTPUT); // Ug2 swich
digitalWrite(9, LOW);
pinMode(10, OUTPUT); // HV swich
digitalWrite(10, LOW);

// pin 3,4,5 – relay switch

pinMode(7, OUTPUT);
digitalWrite(7, LOW );
pinMode(8, INPUT_PULLUP);

delay(2000);

// switching Left channel input
pinMode(5, OUTPUT);
digitalWrite(5, LOW );

pinMode(4,OUTPUT);
digitalWrite(4, HIGH );
delay(100);

// supply -3V to control relay
pinMode(3, OUTPUT );
digitalWrite(3, HIGH );
delay(300);

// switch to measurement
digitalWrite(4, LOW );
delay(300);

// vr and vl – bias battery voltage values, Left vl and
// Right vr channels

int vl = analogRead(2);

if ( vl > 145 ) {
lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Left ch bat low !”);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(“Replace battery”);
delay(10000);
// lcd.noBacklight();
// lcd.setCursor(0,0);
// lcd.print(” “);
// lcd.setCursor(0,1);
// lcd.print(” “);
// while(true);

// switching off Right channel control relay by grounding
digitalWrite(4, HIGH );
delay(100);
digitalWrite(3, LOW );
delay(500);

while(true);

}

else {
lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Left ch bat OK !”);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(” “);
delay(3000);
lcd.noBacklight();
// lcd.setCursor(0,0);
// lcd.print(” “);
// lcd.setCursor(0,1);
// lcd.print(” “);
// while(true);

}

// switching to Right channel
digitalWrite(5, HIGH);
// supply -3V to Right channel control relay
digitalWrite(3, HIGH );
delay(500);

// switch to measurement
digitalWrite(4, LOW );
delay(300);

// vr and vl – bias battery voltage values, Left vl and
// Right vr channels

int vr = analogRead(2);

if ( vr > 145 ) {
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Right ch bat low !”);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(“Replace battery”);
while(true);
// lcd.noBacklight();
// lcd.setCursor(0,0);
// lcd.print(” “);
// lcd.setCursor(0,1);
// lcd.print(” “);

// switching off Right channel control relay by grounding
digitalWrite(4, HIGH );
delay(100);
digitalWrite(3, LOW );
delay(500);

//switching off all other relays
digitalWrite(5, LOW );

digitalWrite(4, LOW );
//while(true);
}

else {
lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Right ch bat OK !”);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(“CheckingFilament”);
delay(3000);
lcd.noBacklight();
// lcd.setCursor(0,0);
// lcd.print(” “);
// lcd.setCursor(0,1);
// lcd.print(” “);
// while(true);
}

//Checking filament voltage
if (digitalRead(8) == HIGH)
{
lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“NO FILAMENT VOLTAGE !” );
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(” “);
delay(5000);
//lcd.noBacklight();
while(true);

}
else {
lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Filament Volt OK”);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(“Switching ON Ug2″);
delay(3000);
//lcd.noBacklight();
// lcd.setCursor(0,0);
// lcd.print(” “);
// lcd.setCursor(0,1);
// lcd.print(” “);
// while(true);

}
// switch ON 6550 Ug2 board
digitalWrite(9, HIGH);

//amplifier warm-up
delay(60000);

// checking 6550 Ug2 voltage
int vg2 = analogRead(3);
if ( vg2 > 290 or vg2 < 250 ) {

lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Ug2 out of range”);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(“Ug2 = “);
lcd.print( vg2 );
//lcd.noBacklight();
//goto swichoff;
digitalWrite(9, LOW);
//delay(10000);
//goto swichoff;
while(true);
}
else {
lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Ug2 = “);
lcd.print( vg2 );
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(“Switching ON HV “);
delay(3000);
//lcd.noBacklight();
// lcd.setCursor(0,0);
// lcd.print(” “);
// lcd.setCursor(0,1);
// lcd.print(” “);
// while(true);

}

//swithching ON High Voltage
digitalWrite(10, HIGH);

// HV board warming up
delay(10000);

}

void loop() {
bool var = true;
while ( var == true )
{
int u_a_Left = analogRead(0);
int u_a_Right = analogRead(1);
if ( u_a_Left < 500 and u_a_Right < 500 ) var = true;

delay( 300 );
}

var = true;
while ( var == true )
{
int u_a_Left = analogRead(0);
int u_a_Right = analogRead(1);
if ( u_a_Left < 500 and u_a_Right < 500 ) var = true;

delay( 500 );
}
digitalWrite(9, LOW);
digitalWrite(10, LOW);

lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(“Ua was too high !”);

lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(“Ual=”);
lcd.print( u_a_Left );
lcd.print(“V”);
lcd.print(“Uar=”);
lcd.print( u_a_Right );
lcd.print(“V”);
while(true);

}

и схема соединения  компонентов  платы 12 В реле ( РЭС60 ) для коммутации линии тестирования.

arduino connection

Работает схема так: когда включается питание Ардуино, он подает высокий сигнал на реле 3, 4 и 5 и они включаются на 500 миллисекунд, подавая тем самым +3.3 Вольта на 3 В реле 6  около тестируемой батарейки. При этом замыкаются контакты S7 и реле уже удерживается включенным за счет батарейки смещения  Bat2. В то время Ардуино подает низкий сигнал на реле 4 и происходит считывание сигнала с линии, этот сигнал зависит от состояния батарейки Bat2, и если он более 145 единиц ( это около 0.7 вольта ), то Ардуино подает сигнал на монитор, что батарейка соответствующего канала разряжена и ее необходимо заменить, и последущий запуск усилителя блокируется. Чтобы вернуть реле 6 около батарейки Bat2 в первоначальное ( отключенное ) состояние, Ардуино на 300 мс заземляет тестируемую линию,  после чего все реле, включая 3, 4 и 5 и 6 отключаются и Ардуино возвращается в первоначальное положение.

Дополнено 18 сентября 2022 года. Переделан трансформатор питания накала ГМ-70.  Бывший на основе ОСМ-0.25 был заменен на другой с Ш-образным сердечником. Причина замены – видимо из-за отличия в магнитных свойствах отдельных подковок ПЛ-сердечника ОСМ-0.25 наблюдались значительные, около 0.7 вольта  различия в выходном напряжении плеч обмоток на боковых стержнях. Это в свою очередь приводило к плохой компенсации емкостей и гудению трансформатора в режиме питания накала ГМ-70 выпрямленным током. На Ш-образном сердечнике такого рода проблемы не может быть в принципе. Описание этого трансформатора есть  здесь.

 

А что у нас в розетке ?

Розетка имеется в виду электрическая. Ну, всем известно, что у нас там –  скажете вы – 220 вольт ( в Европе 230 ) и 50 Герц.  Теоретически все вроде так, но….

К изучению вопроса меня подвигло два факта из моей аудиофильской практики. Первый случай уже описан у меня в блоге http://klimanski.com/2011/01/.   Второй – случился не так давно, когда мне нужно было размять изготовленный еще очень давно динамик 2А12 – я его подключил прямо в розетку через выходной трансформатор 10К на 8 Ом и оставил на ночь. Помню, что тогда меня очень удивило то, что из динамика кроме мне знакомых 50 Гц я услышал целый оркестр ! И не то чтобы был какой-то постоянный призвук. Нет. Из динамика доносилось в общем можно сказать почти музкальное произведение в виде то появляющихся то исчезающих трещоток, завываний,  пищаний и хрипений  – даже было очень забавно полушать. Не додумался записать 🙂

Теперь давайте подключим осциллограф и посмотрим повнимательнее что есть в розетке на самом деле.   Для безопасного подключения осциллографа желательно предварительно проверить фазировку вставленной в розетку вилки и подключить сетевой провод так, чтобы нейтральный провод был подключен к общему проводу осциллогафа, и не в коем случае не наоборот.

220_V

На выходе схемки – а это простой делитель напряжения – получается около 1 вольта, который и подаем на осциллограф.  В самом деле – 50 Герц, но первый небольшой сюрприз – форма кривой напряжения – это далеко не синусоида – она имеет довольно кривой, а местами, скажем прямо – просто устрашающий вид.

sinus

Импульсный выброс слева есть не все время – он появляется на развертке каждые 5 – 10 секунд , видимо, это помехи от куммутации мощных потребителей тока.

А уже на графике спектра мы увидим весь масштаб проблемы с сетевым питанием – оказывается, там есть не только 50 Гц

harmonics

Как видим – около 3 % третьей гармоники, но это бы ничего, но там еще и целый лес других нечетных гармоник – все вплоть до 19-ой имеют уровень около 2 %  –  то есть вместе с третьей – в сумме уже 19 % !  Но это еще не все ! Ниже – высокочастотная часть спектра гармоник

hight_f

Если проинтегрировать этот большой от 29 до 50 КГц горб ( который по всей видимости – результат выброса в сеть помех от ставших уже массовыми импульсных блоков питания ), то наверно  получим еще процентов 5.   Итого, очень прикидочно и оптимичтично ( заметьте, мы не считали ВСЕ гармоники скрупулезно  ! ), суммарный Кг сетевого питания уже получается 24 процента.

Ну вот вам, дорогой читатель,  пища для размышлений.    Кстати, дело с замерами было в воскресенье вечером – можно предположить что в рабочий день картина может стать еще хуже.  А мы-то при проектирования блоков питания наивно считаем, то имеем дело с 50 Гц. Увы !  Такие огромные искажения не учитывать при проектировании блоков питания аудиоаппаратуры все-таки нельзя.

И напрасно мы ругаем аудиофилов, которые играются с сетевыми шнурами, а тем более с сетевыми фильтрами и слышат разницу –  такое вот “сетевое безобразие” не услышать может только глухой.

Как сделать усилитель на прямонакальных лампах без лишних затрат ?

Многим лампа 2А3 ( как, впрочем и 300В ) кажется некоей недостижимой высотой, причем не только по цене, но по сложности ее “приготовления”. Вроде бы это триод, с довольно низким внутренним сопротивлением, и реализавция усилителя на нем не должна быть сложной. Однако на самом деле, несмотря на то, что любителей сделавших усилители на этой или схожих с ней лампах (6С4С, например )  немало, мало кто из них может похвастаться хорошим результатом – обычно оказывается, что звук ожидался все-таки немного более живой и интересный…. но…. всегда получается нечто, хотя и красивое внешне и детально и живенько звучащее, но, как говорил А.И Райкин, “… чево-то не хватает… “. А не хватает обычно басов и натуральности звучания ( кроме, разве что верхнего регистра ).  И начинаются поиски узкого места.  Каждый пытается решить эту проблемку по-своему – или ставит навороченные драйвера и перетыкает в них лампы,  кто-то мотает совершенно неуместные по габаритам  выходные трансформаторы, а кто и вовсе вспоминает про Сакуму и начинает ставить еще и межкаскадные (  и входные ! ) трансформаторы….. в результате – звук хотя и несколько улучшается, но даже 3.5 ваттный усилитель на 2А3 ( не говоря уже о более мощных лампах )  становится больше похож на отвес башенного крана, а инвестиции просто зашкаливают.  Где выход ?

Автор этих строк тоже не избежал долгого сидения в канифольном дыму в попытках сделать хороший усилитель на 2А3 и 300В.  Чего я только не перепробовал, но результат был всегда несколько удручающим.  Единственный  более-менее нормально звучащий усилитель на 2А3 с 6Э5П в драйвере,  который был “удостоен” оформления в корпусе в конечном итоге был тоже разобран….. Усилитель на 300В я тоже пытался сделать. И с межкаскадным трансформатором,  и без.   Тоже разобрал как безнадежно скучно звучащий.    ГМ-70 – тоже сделал на ней однотакт – и – тоже разобрал.  Причина – та же.  Отсюда вопрос – неужели скучный одноклеточный звук – это удел прямонакалов ?

Однако все не так плохо.   Последние два года я с большим интересом занимался темой раскачки триодов по катоду ( схемы с общей сеткой ) – на моем блоге есть много различных статей на эту тему и схем. Например, у меня есть в активе уже три  законченных усилителя  на прямонакальных лампах   и звучат они просто великолепно.  Это каскодные схемы, где прямонакальная лампа находится на верхнем этаже и работает в режиме с общей сеткой.

“Черный Дрозд” http://klimanski.com/2015/08/  на лампе 2А3-40;

“Герой”  http://klimanski.com/2016/01/   на старой американской лампочке нр 45

И первый “блин”  –  на 2А3 – http://klimanski.com/2015/02/  – слушаю его больше года, почти каждый день – не надоедает. Слушал его и мой друг – тоже захотел такой же.  Это каскодный усилитель, в которм 2А3 качаем не по сетке, как это пытаются делать все, а….. по катоду.  Это и есть мой рецепт как надо готовить прямонакалы.   И тогда – о чудо !  Не нужны мегатонные выходники, межкаскадники, входные трансформаторы и анодные либо сеточные дроссели и прочие чрезвычайно дорогие детали.  Всего-то три лампочки – 6Э5П и 2А3, кенотрон, и несложная обвязка из копеечных деталей. Самую дорогую деталь – выходной трансформатор – можно намотать самому, можно купить в интернете за очень доступные деньги.  Этот усилитель описан мной в одной из недавних статей.   Того расчетного габарита, который дает любая программа расчета выходного трансформатора вполне хватает и не нужно ничего сверх этого. Например, для 2А3 в триоде расчет дает сечение выходного трансформатора 7 квадратных сантиметров и минимальную индуктивность первички – 5 Генри.   Для 300В – это 12 квадратов и те же 5 генри соответственно. И нет необходимости эти цифры превышать.

Однако, скажете вы – все эти схемы – это каскоды, которые, как известно,  являются эквивалентом пентода. А как быть с триодами ?  Был такой момент в прошлом, когда я полностью потерял интерес к триодам в выходном каскаде и этой темой не занимался.  Но успешное применение схемы с общей сеткой для каскачки маломощных ламп  при помощи эмиттерного повторителя на маленьком германиевом транзисторе в катоде привело меня к мысли – а не попробовать ли тоже самое сделать в выходном каскаде ?  И я собрал для начала макет усилителя на лампе 300В. Просто потому, что у меня осталась непарная лампочка после давнишних  неудачно закончившихся экспериментов.  Транзисторы, которые были у меня в наличии – кремниевые, потому как германиевых, которые бы выдерживали 200 вольт у меня нет ( возможно, их нет не только у меня :-)).

Приведена только принципиальная схема.

300B_GG

Однако она стоит того, чтобы добавить комментариев.  В блоке питания немного необычно включен кенотрон – анодом на общий провод, причем дроссель тоже поставлен в цепь общего провода  – читайте на эту тему тут – http://klimanski.com/2016/06/ . И самое главное – 300В качаем по катоду, причем если в случае 2А3  драйвером был стоящий на первом этаже пентод 6Э5П, то тут драйвером служит пара эмиттерных повторителей.  Для раскачки всей этой пирамиды нужно примерно 50 вольт полезного сигнала,  но у меня не было ничего готового, а паять было лень и я взял уже готовую плату драйвера к Dynaco ST-70 и приспособил ее.  Сделал также выключатель, чтобы  брать сигнал либо с инвертирующего, либо с неинвертирующего выхода платы.  Слушал сначала на трехполосных колонках от Симфонии, потом попробовал на концертных RCF ART325.  Более детально в описание схемы вдаваться не буду, потому что было важно испытать принцип работы и звук.  А в общем – звук весьма и весьма порадовал.  Наконец я услышал бас и “мясо” у 300В, причем даже на Симфонии !   При классической раскачке по сетке такого не получалось у меня никогда. Ни с каким драйвером и ни с каким трансформатором.  И это притом, что макет-то был собран в общем-то из подручных деталей –  транзисторы, например,   поставлены те, что были в коробочках – по идее их нужно бы тщательно выбрать по параметрам.

Воодушевленный успехом, я собрал немного более тщательный макетик ( правда, при тех же транзисторах ) , в качестве драйвера взяв 4П1Л, включенную в пентодном режиме, за основу для проектирования драйвера я взял материалы своего коллеги по цеху из Владивостока http://easytubeamp.com/%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%82%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D1%83%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C-%D0%BD%D0%B0-%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%B0%D0%BB/

А вот и моя схема

300B_GG_4П1Л

Максимальная синусоидальная мощность в 9 ватт на нагрузке в 8 Ом получается очень легко и  без резкого клиппинга, при этом на вход надо подать всего 1.6 вольта.   Полоса пропускания при 1 ватте на выходе – от 15 Гц до 25 КГц ( -3 дБ )  – это с выходником  Лундал LL1620 с  сечением всего  около 8 кв.см.  Первый каскад усиливает сигнал в 33 раза, а каскад на транзисторах и 300В – в почти 4 раза. Может показаться, что эта цифра сильно завышена, потому что мю 300 В равно 4.2,  а коэффициент передачи эмиттерных повторителей всегда меньше единицы ( к тому же усиление снижает небольшая местная ООС в виде резистора R10 ),  но не забываем, что усиление по напряжению для  каскада с общей сеткой равно не Кус=мю*Ra/(Ra+Ri), как для каскада с общим катодом,  а Кус=(мю+1)*Ra/(Ra+Ri), то есть каскад с общей сеткой работает несколько более эффективно. Это облегчает работу драйвера, так как для раскачки нужно подать меньшее напряжение, чем это было бы нужно для классического варианта раскачки 300В.  Транзисторы напряжения не усиливают, но усиливают ток.

И что самое интересное – хотя схема конечно же имеет свой звуковой почерк,  не 100% похожий на раскачку по сетке, однако транзисторов в нем в явном виде не слышно.  По крайней мере,  характерного для полупроводников “песочка”  и   плохой передачи тихих мест  на ВЧ – нет.   Читателям однако не советую пока собирать именно эту схему –  потому что спектр гармоник мне не очень  нравится и драйвер на 4П1Л нужно подправить.

Ну вот,  выходные заканчиваются.  За эти два дня удалось сделать немало ! Завтра утром в церковь и в понедельник – снова трудовые будни. Продолжение будет позднее, уже в виде законченного усилителя на 300В, я  очень надеюсь, что наконец-то ключик к разгадке приготовления прямонакалов найден !  После 300В берусь за ГМ-70.

Дополнено 27 сентября 2017 года.  Добавлен к макету тумблер, которым можно мгновенно переключить 300В в классический режим управления по сетке при том же драйвере. Тогда сравнение становится более корректным.  Что-ж, разница не в пользу классического варианта, особенно это было хорошо слышно на старых добрых колонках Technics 660.  С управлением по первой сетке тяжелые жанры звучат как-то неубедительно, плосковато, что-ли, особенно разница ощущается в нижнем регистре.

 

 

Не совсем обычный взгляд на блок питания лампового усилителя

О предмете статьи. Здесь пойдет речь о классических схемах БП, на основе 50 Гц трансформаторов.  Импульсные БП пока оставим в стороне. И в основном будем обсуждать питание выходных каскадов усилителей мощности.

Казалось бы, чем таким особенным отличаются блоки питания для ламповых усилителей ?  Конечно, что первым приходит на ум, это наличие высокого напряжения, что в случае полупроводниковых усилителей не встречается. Но, оказывается, что у ламповых БП есть еще одна особенность, о которой обычно почему-то в литературе не упоминается.  Она связана с тем, что лампа в силу особенностей конструкции пропускает ток только в одном направлении – от катода к аноду. То есть, если полупроводники бывают n-  или p- типов с электронной или  дырочной проводимостью, то  электроны в вакуумной лампе могут двигаться только в одном направлении.

Давайте сначала посмотрим, как обычно устроены БП полупроводниковых усилителей.  В подавляющем большинстве случаев – это  симметричный диодный мост нагруженный на батарею конденсаторов, что-то типа этого:

tranzistornji-usilitelj1

Поставщиком энергии в этом случается является вторичная обмотка сетевого трансформатора.  Но давайте посмотрим, а как “видит” нагрузка ( то есть выходной каскад усилителя )  вторичную обмотку этого сетевого трансформатора ?   Во-первых, ни один полюс питания не связан напрямую с обмоткой. Во-вторых, если само собой, не учитывать различие в поляности подключения, узел питания симметричен – то есть, на пути электронов от вторичной обмотки трансформатора в каждом плече питания ( и в плюсовом и в минусовом ) поставлено одинаковое количество элементов – диодов и конденсаторов. В комбинации с применением в выходном каскаде полупроводникового усилителя транзисторов разной проводимости, мы получаем почти идеальную симметричность в следовании электронного потока от одного полюса БП  через выходной каскад усилителя к другому полюсу.

А теперь давайте посмотрим, а как чаще всего устроены БП ламповых усилителей ? Наиболее распостранена так называемая классическая двухполупериодная кенотронная схема

kenotron

Ее особенностью является то, что она несимметрична. Все вентильные и фильтрующие устройства размещены в анодной ветке питания, а общий, минусовой провод соединен непосредственно с катодами ламп. Получается своего рода “пробка” в  цепи анода всех ламп – электроны, свободно и  эмиттрированные катодом от обмотки трансформатора, проходят через электронную лампу, и уже только тут настигают дроссель и катод самого выпрямительного устройства –  кенотрона. Понятно, что скорость движения электронов по проводам достаточно высока, чтобы такая схема в общем была бы работоспособной. Но вот в нюансах, которые весьма и весьма важно не упускать из виду при построении ламповых усилителей звука,  такая топология выпрямителя логичной уже не выглядит. Лишенная симметрии, она содержит выпрямительный элемент там, где его быть не должно – именно с анода электронный заряд должен стекать к источнику ( вторичной обмотке трансформатора ) беспрепятственно. В подтверждение моих слов упомяну, что не мной замечено, что ламповый удвоитель напряжения

d183d0b4d0b2d0bed0b5d0bdd0b8d0b51

часто  выглядит предпочтительнее классической кенотронной схемы – мне так кажется, что именно из-за более равномерного распределения выпрямительных элементов на пути движения электронов.

Вслед за классической кенотронной схемой питания, в ламповых усилителя часто используют и диодный мостовой выпрямитель. Но по какой-то непонятной традиции последующие фильтрующие элементы ( дроссели, электронные дроссели и т.п. узлы развязки ) ставятся именно в анодную цепь.

На что я намекаю ? А на то, что учитывая конструктивные особенности электронных ламп, их несимметричность и  необходимость обеспечить эффективный отток электронов с анода, было бы логичнее выпрямительные и фильтрующие  элементы ставить в отрицательный полюс БП.  Казалось бы – а конденсатор большой емкости следующий в конце БП ( к нему уже подключаются аноды ламп )  – разве он не обеспечивает отток электронов ? До определенного момента – да. Но когда мы вспомним про неидеальность электролитических конденсаторов и наличие у них паразитной индуктивности, то окажется, что электролит большой емкости в БП   – ничего по сути изменить не может – между ним и источником энергии ( “поглотителем” электронов –  вторичной обмоткой трасформатора ) стоит очень вредная “пробка” из дросселя и кенотрона, сильно замедляющие отток электонов и тем самым вносящие пусть даже незначительные, но негативно вляющие на работу электронной лампы искажения.

Чтобы проверить на практике как это работает, я сделал такой вот БП.

psu_negativ1

Трансформатор Tr2 -Это тор для питания галогенок мощностью 100 Вт у которого перемотана вторичка – две обмотки по 5 вольт размещены в разных половинках тора и тем самым изолированы друг от друга – между ними переменное напряжение достигает 1000 вольт.  Конденсатор С1 – МБГП-1, С2 – полипропиленовый MKP для запуска двигателей. Если сглаживание пульсаций не покажется достаточным, то можно после дросселя поставить и электролит.

У этого рода топологии есть еще одно преимущество – к положительному полюсу питания можно подключать любую дополнительную нагрузку без каких либо развязывающих фильтров, например второй канал усилителя.  Выглядит, что особенно полезна будет такая схематика БП для питания экранной сетки тетродов и пентодов.

Уже сейчас я его послушал с новой схемой  каскода на прямонакалах.  Обнадеживает !  Но подробнее результатах его испытания я сообщу позднее, потому что предмет все-таки требует более детального изучения. А сейчас только хотел поделиться как мне кажется перспективной идеей для тех, кто любит качественный звук.

img_7277_7

Может показаться, что разницы нет куда поставить выпрямитель и поставив его в отрицательный источник питания мы перенесли  проблему неидеальности БП  из одного места в другое.   На самом деле это не совсем так.  Попробуйте.

__________________________________________________________________________________________