Формулы для расчета каскада с общей сеткой

Решил обобщить  в одну публикацию разбросанную по всему блогу информацию по расчету каскада с общей сеткой ( ОС ) на триоде.

На  схеме каскада видим следующие детали:

GG_stage

Обозначения:

  • Ri – внутреннее сопротивление лампы
  • Ra – сопротивление анодной нагрузки каскада. По сути, параллельно ему включено сопротивление утечки следующего каскада Rl.
  • Rs – сопротивление источника сигнала, оно состоит из суммы катодного резистора ( если таковой имеется ) и внутреннего сопротивления источника Gen1.
  • Mu – коэффициент усиления триода.

И теперь сами формулы:

1.  Коэффициент усиления каскада по напряжению:

Кус = ( Mu + 1) * Ra / ( Ra + Ri + (Mu +1)*Rs)

Как видим, формула почти такая же, как и для каскада с общим катодом, но есть отличия.  Каскад с общей сеткой усиливает сигнал  немного более эффективно, чем классический с ОК ( Mu в формуле везде на 1 больше ! ), особенно эта разница заметна для ламп с низким Mu.  Однако, чтобы воспользоваться этим преимуществом, нам нужно, чтобы Rs было пренебрежимо мало по сравнению с Ri.

Тут также важно отметить  еще одну особенность каскада с ОС – он усиливает только напряжение и совсем не усиливет ток. Отсюда еще одно следствие с рекомендацией по применению каскада с ОС – он всегда должен работать в комбинации с эффективным усилителем тока, иначе мы не получим усиления по мощности – а это особенно важно для выходного каскада.

2.  Входное сопротивление каскада:

Zin =  ( Ra + Ri )/ ( Mu + 1 )  + Rs

Интересное следствие из этого уравнения – входное сопротивление каскада с ОС тем больше, чем ниже коэффициент усиления лампы ! То есть в каскад с ОС нет особого резона ставить крутые лампы с большим усилением, если у нас нет источника с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением.

3.  Выходное сопротивление каскада:

Rout = Ra + ( Mu +1 )* Rs

Откуда для практики можем вывести, что для снижения выходного сопротивления каскада с ОС нужно снижать анодную нагрузку, внутреннее сопротивление генератора и снижать Mu лампы ( если внутреннее  сопротивление генератора Rs не пренебрежимо мало ).

4.   В принципе, для триода включенного по схеме с ОС сохраняется почти тем же и фундаментальное триодное равенство (  Крутизна  ) = ( Кофффициент Усиления Mu + 1 ) / (Внутреннее сопротивление лампы ).    Как видим, отличие только в том, что коэффициент усиления лампы включенной в схеме с общей сеткой на одну единицу больше ! Конечно, это совсем немного, но опять же, для прямонакальных ламп, у которых Mu всегда низкий, эта единица  – уже большая разница  !   Например, для 2А3    Mu  составляет 3.5 если лампа работает в схеме с общим катодом, и 4.5, если по схеме с общей сеткой – то есть разница составляет почти одну треть !

И последнее, что очень важно отметить касательно свойств каскада с общей сеткой – он, в отличие от каскада с общим катодом, не переворачивает фазу, и этот факт имеет очень большое значение для точной передачи высоких часотот, и поэтому усилитель с общей сеткой намного чаще, чем в аудио испльзуют в КВ и УКВ технике. Но это уже другая тема.

 

 

Ламповый комбик для флейты

Моя дочка Алиса играет на флейте.  И как-то в разговоре она посетовала, что трудно играть в больших или акустически сильно задемпфированных залах, к тому же, бывает необходимо внести реверберацию ( эхо ) или фонограмму.

Тут и  возникла идея сделать винтажный комбик по аналогии с гитарным, только немного более современный, с несколькими входами и возможностью подключать устройства синим зубом ( Bluetooth ). Сначала была идея ревербератор встроить внутрь комбика, но потом остановились на внешнем варианте педали и по существу остался только усилитель, коммутатор входов и Bluetooth.

Всегда нужно с чего-то начать. Началось все с динамика Philips AD1265 ( 8 Ом ), который у меня был в одном экземпляре и вполне подходил на роль, тем более он по паспорту – широкополосник с высокой 97 дБ чувствительностью. На деле все оказалось немного не так радужно, но об этом позднее.

Подобрал подходящий “винтажный” ящик из пресскартона, пристроил кожаную ручку. Ткань нашлась в закромах у супруги – и вот отправная точка есть.

kombik1

kombik2

Дочке внешний вод ящика очень понравился ( даже просила его не красить ! ) и закипела работа. Сначала усилитель, потом БП, потом Синий Зуб. Но обо всем по порядку.

Какую выбрать схему для усилителя ? Усилитель конечно буду делать ламповый.  Сначала ТЗ ( техническое задание ) – нужна выходная мощность около 3 ватт ( при чувсттвительности динамика 97 дБ этого более чем достаточно ), чувствительность по основному входу 2 вольта, по входу от Bluetooth  300 мВ, оба входа с регулятором громкости и тембра.  Полоса пропускания – даже альт-флейта не имеет в своем спектре тонов ниже 200 Герц поэтому и к выходному трансформатору требования по габаритам невысокие и полосу в 200  – 20 000  Гц обеспечит даже старый телевизионный выходник.

Схема усилителя.  После некоторых колебаний и первых проб с 6П15П на выходе по классической схематике, в конечном итоге я все-таки остановился на своем последнее время особенно любимом каскоде. Но для каскода нужно довольно высокое анодное напряжение, и появлась еще одна статья ТЗ –  обойтись его минимальной величиной. Я счел возможным ограничиться напряжением в 380 вольт, чего для получений 3-х ватт на выходе должно быть достаточно.

Основные детали. Сетевой трансформатор – R-core 44-х ваттный, купленный на е-Бэе, довольно компактный, у него есть обмотка 6.3 вольта и 120 вольт, из которых можно получить нужные 380 вольт постоянки через утроитель.  Чтобы не мучаться с накалом, на второй этаж каскода единственным кандидатом была 6С19П, как имеющая сравнительно высокое входное сопротивление в схеме с общей сеткой и высокое допустимое напряжение накал – катод ( 250 вольт ). Ну, и выходной трансформатор – давно у меня в закромах валялся ТВЗ1-1 с Ra около 6 КОм на 8 Ом.  Описание остальных деталей будет ниже.

Начал макетирование со схемы 6Э5П – 6С19П

cascode_6%d1%8119%d0%bf_6%d1%8d5%d0%bf_6

 

Вот тут уже в самом начале начались “фокусы” с динамиком. Сначала я думал что что-то не в порядке со схемой – резкий звук, резонансы, дребезжания и полностью нарушенный тональный баланс.   Оказалось, что динамик скорее всего очень очень долго где-то лежал и не использовался, настолько он был далек от того, что он далжен был выдавать. Только через трое суток “прогрева” он начал играть чисто и более-менее тонально сбалансированно. Но все равно, чтобы сгладить присутствующие пики на 2.5 – 4 КГц пришлось поставить режекторный фильтр между выходным трансформатором и динамиком.  Но от 6Э5П в конечном итоге пришлось отказаться – при заданном невысоком анодном напряжении  так и не удалось получить больше 2-х ватт выходной мощности. Пришло время наконец попробовать в каскоде E55L которую мне подсказал один из читателей моего блога, за что ему поклон.

Да, конечно E55L с ее 45 мА на вольт крутизной легко справилась с задачей и заветные 3 ватта на выходе есть ! Вот схема.

cascode_6%d1%8119%d0%bf_e55l

Ее полоса пропускания по -3дБ от 90 Гц до 45 КГц. Ток каскода 35 мА. Фон переменного тока отсутствует полностью,  если приложить ухо к динамику то слышен очень легкий белый шум. Кому интересно сравнение звукового почерка 6Э5П и E55L скажу, что хотя в общем почерк каскода остался, различие есть – в тональном балансе у E55L немного подчеркнуты высокие частоты ( выше 6 КГц )  и играет она немного суше, аналитичнее.

Блок питания

cascode_6%d1%8d5%d0%bf_6%d1%8119%d0%bf_cpu

Конденсаторы С2 и С3 на 350 вольт, С1 – на 250, С5 – на 450, С4 и С6 на 630 вольт.  Дроссель L1 – от старого осциллографа  ( С1-1 или С1-5 точно не помню ). Резистор R1 3-х ваттный, остальные – двухваттные.

По той причине, что блок питания на полупроводниках, а утроитель при включении на холодные катоды будет давать теоретически возможное напряжение 120 * 1.41*3 =  507 вольт, то во избежание повреждения конденсаторов блока питания сделана схема задержки подачи анодного напряжения,  уже опробованная ранее и описанная подробнее в одной из прошлых публикаций http://klimanski.com/2014/12/ с некоторыми изменениями – вместо диода D4  -диодный мостик, конденсаторы С1 и С3 – 4700 мкф на 16 вольт, резистор R4 – 10 Ом, R2 – 5.6 КОм, стабилитрон D2 – на 3.3 вольта,  реле – Tianbo HJR-4102 на 5 вольт,  транзисторы КТ3102А,  питается схема от накального переменного напряжения 6.3 вольта. Собрана схема задержки на макетной плате и расположена рядом с сетевым трансформатором. Параллельно реле включена цепочка из красного светодиода АЛ307 и резистора 240 Ом 0.5 ватт – для индикации. Свечение светодиода говорит о том, что реле включено и блок питания от сетевой обмотки в 120 В отключен – идет прогрев катодов ламп. После отключения реле, его нормальнозамкнутые контакты подают переменное напряжение на схему утроителя и светодиод гаснет.

Детали смонтированы на фанерной дощечке, перед монтажом входов “изделие” выглядело так:

img_7303_1 img_7305_1 img_7306_1 img_7307_1

img_7309_2

Теперь о предварительном усилителе для Bluetooth входа. Он был сделан по гибридной схеме моей разработки ( принцип описан в предыдущих публикациях ).  Он имеет коэффициент усиления равный 15-ти, и достаточно низкий уровень гармоник и звучит  великолепно – насыщенно, богато, объемно.  Схема не чувствительна к наводкам, помехам и качеству питания.

input

Резистор R6 – Двухваттный, остальные – 0.5 ватт. Конденатор С1 на 63 вольта, С2 – на 630 вольт, С3 –  электролит на 450 вольт.  Ток через лампу  2 мА, работает она в режиме с общей сеткой.  Транзистор согласует вход с довольно низким входным сопротивлением лампы, он должен быть обязательно германиевый, в принципе любой с коэффициентом усиления не менее 50.  Накал лампы – от накала ламп  выходного каскода.  Схема собрана на макетной плате.

img_7318_2_%d0%bf%d1%80%d0%b5%d0%b4%d0%b2%d0%b0%d1%80%d0%b8%d1%82%d0%b5%d0%bb%d1%8c%d0%bd%d1%8b%d0%b9

 

Ниже нарисована схема коммутации входов. Их  – два плюс Bluetooth вход.  Вход 1 подключен ко входу оконечного усилителя постоянно, его можно микшировать с BlueTooth входом или Входом 2 при помощи трехпозиционного переключателя S1 с нейтральной точкой  и регуляторов громкости R1 – R3, причем R1 – это сдвоенный ( стерео ) ALPS на 50КОм, у которого вторая секция используется для того, чтобы при минимальной громкости входа 1 не закоротить на общий входы 2 и Bluetooth.   Второй ALPS на 20КОм  ( R3 и  R4 )  тоже сдвоенный, одна секция обеспечивает регулировку громкости Входа 2, вторая секция – регулировку входа Bluetooth, то есть вход 1 можно либо слушать отдельно, либо  микшировать – или со входом 2,  или со входом Bloetooth.

inputs

 

Что представляет собой Bluetooth вход ? Это купленное мной на е-Вае простенькое изделие предназначенное для поключения телефона в автомобиле  ( ключевые слова для поиска –  Hight Quality Bluetooth 4.0 Hands-Free Car NFC AUX Kit for Smartphone ). К моему вящему удивлению, звучит эта штука прекрасно, АЧХ идеальная и шумов – ноль.

bluetoorth_player

Вот как выглядит готвое изделие.  Справа – сетевая кнопка, слева – переключатель входов S1, посередине – регуляторы громкости.  Сие изделие я  передал своей дочке на испытания в канун Старого Нового Года.

 

final

 

 

 

А вот подарок мне, для украшения мастерской от моей любимой –  на Рождество.

img_7313_%d0%b4%d1%83%d1%88%d0%b8_%d0%bb%d0%b0%d0%bc%d0%bf

 

 

Желаю всем радости, успехов во всех начинаниях и просто удачи в Новом 2017 Году !

Бульте благословенны мои братья и сестры !

 

 

 

Мои конструкции ламповых усилителей

Почему-то захотелось свести в одну статью все сделанные мной за последние 8 лет ламповые усилители, причем сюда попали только законченные конструкции – недоделанные шасси и макеты не в счет.   Первыми идут свежие работы, под картинками URL публикации с описанием конструкции.

Некоторые конструкции хотя просуществовали некторое время, тем не менее впоследствии были разобраны. Такова, например судьба моего первого усилителя, он был на 6С33С ( там были еще 6Г7 и 6Н8С ), к сожалению от него не осталось даже фото. Также не осталось картинки моего усилителя на ГУ-50, и пока нет фото двухтакта на 1П33С.  Так что в сумме получается 19 аппаратов за 10 лет, и из них только три двухтакта. Как видите звук однотактов мне нравится больше :-)).

Хочу поблагодарить всех, кто мне помогал – форумчан diyaudio.ru ( а я там кажется с 2012 года ), а также тех, кто помогал не столько советом и делом,  а просто вдохновлял идти дальше – даже тогда, когда было трудно и ничего не получалось – таким человеком для меня все эти годы была и продолжает быть моя жена Людмила.

.

.

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

ЦАП с ламповым выходом

Чтобы идти дальше в конструировании усилителей, я уперся в проблему качественного источника. Очень был нужен хороший ЦАП. Качеством тех, которые я имел дома и которые приходилось слушать до этого я не был удовлетворен в полной мере.  Если это классический ЦАП на операционных усилителях на выходе, то это как правило приводит к проблемке воспроизведения верхней середины и верхов. Середина становится слегка режущей ухо, резковатой, как-бы с песочком или металлом в голосе, особенно на высокой громкости.  С ламповыми ЦАПами тоже не все в порядке – часто нет хорошего баса или плоский, невыразительный звук, да и к тому же, почему-то разработчики очень любят ставить на выходе катодный повторитель, который хотя и снижает выходное сопротивление, но по моему скромному мнению звука мягко говоря не украшает.  В общем, пришел к выводу, что надо делать самому.

Почему я выбрал Ад1955 ?   Ее выход рассчитан на I – U преобразователь с током 3 – 5 мА положительной полярности.   А тут  – широкое поле вариантов для подключения к высокому анодному напряжению таким образом, чтобы выходной ток микросхемы ЦАПа проходил через лампу.

Да,  конечно, я хотел ЦАП с ламповым выходом.  А учитывая мою слабость к каскадам с общей сеткой и трансформаторам – то выход был запланирован на моей любимой лампе 6Э6П с трансформаторным выходом.  Выбор этой лампы обусловлен также ее невысоким внутренним сопротивлением в триоде, а также высокой крутизной ( 30 мА на вольт ), а в случае с каскадом с общей сеткой это дает пониженное входное сопротивление – и это очень хорошо для I – U преобразователей ЦАПов, для которых входное сопротивление  должно стремиться к нулю.   Логично сделать вход I – U преобразователя на германиевом транзисторе включенном по схеме с общей базой.  Отсюда родилась и схема.  По моим грубым прикидкам входное сопротивление моего гибридного каскода где-то порядка 1 Ом.   Как посчитал ?  Берем  формулу  расчета входного сопротивления каскада с общей сеткой  Rin = (Ra + Ri )/( u +1 ).  В нагрузке лампы 3.3 КОма,  сама 6Э6П в триоде имеет около 1500 Ом. Складываем и делим на 30 – это коэффициент усиления лампы.   Получается 160 Ом.  Это входное сопротивление лампы, включенной по схеме с общей сеткой.  Теперь для транзистора – лампа является нагрузкой  Rа.  Внутреннее сопротивление германиевого транзистора я не знаю,  но берем грубо 50 Ом,  тогда если его Кус около 250,  то ( 160 + 50 ) / 250 = 0.84 Ома.

Если кому-то 6Э6П покажется слишком подчеркивающей середину, то ее можно заменить на 6Ж9П, 6Ж11П или 6Ж49П. Только в этом случае следует обратить внимание на то, чтобы коллектор транзистора был соединен с выводами 1 или 3 ламповой панельки ( а не с выводом 6 ) – тогда вы сможете простым перетыком выбрать ту лампочку, которая вам покажется более певучей.

Привожу  первый вариант схемы, хотя уверен, придется его доработать, потому что нет предела совершенству….

1955_dac_6d18d6d0bf

Чтобы самому не делать цифровую часть, я взял на е-Вае платку ЦАПа на АД1955 и удалил из нее операционные усилители, также отпаял от выходов АД1955 положенные по даташиту резисторы 2К от плюса питания,  а 100 пф  ( конденсаторы С1 и С2 на схеме ) оставил те, которые были на плате.  Более подробную деталировку дам чуть позднее.

dac_minishow

В качестве блока питания пробовал транзисторный стабилизатор, но все-таки оказался лучшим по звуку ламповый удвоитель на 6Н1П, которая все-таки потом была заменена на ЕСС99. Причина применения этой редкой лампы проста – для упаковки своего ЦАПа я использовал корпус от китайского ЦАПа Lite, который приказал долго жить, слава богу, корпус я не выкинул.  Пригодились оба сетевых трансформатора, сетевая кнопка и разъемы входов – выходов.  Вот схема БП:

d0b1d0bf_dac19551

Как видно, накал 6Э6П питается постоянным током, но нестабилизированным.

Теперь немного о прослушивании.  Источник – СД-плейер Денон 1500 и сравнивал с его моим ЦАПом, подача сигнала через оптический цифровой кабель.  Усилитель – мой каскод на 6Э5П – 2А3 http://klimanski.com/?p=4147.  Колонки – широкополосник в ОЯ от 3АС505.  Первое впечатление было совсем плохим, я был очень огорчен и уже собирался отнести свое творение в чулан в компанию к другим неудачным проектам.  Мне показалось, что мой ЦАП дает излишне резкий женский вокал и трубу.  Но потом – о чудо ! – оказалось, что это я  на коммутаторе перед усилителем  перепутал входы – то, в чем я разочаровался – это был как раз Деноновский ЦАП, а вот мой ЦАП дает прекрасную подачу материала !   И тембральный баланс, ширина сцены, и эмоциональная насыщенность будут повыше, чем у Денона.  В общем, поет чистенько, детально, прозрачно, и что особенно отличает от моего фирменного Денона – очень мягкая подача вокала и вообще верхней середины и верхов – никакого звона, излишней резкости практически на любой громкости, в общем – намного натуральнее.  Тут уместно сказать про “окраску” звука. Как и в колориметрии, говоря про окраску, важно ответить на вопрос – а что принято за эталон белого ?  Если за этот эталон принять транзисторный звук – то да, лампы дают “окраску”. Но в моем понятии ламповый звук – это и есть эталон белого.  А операционные усилители на выходе ( кстати, всегда применяемые с глубокой ООС )  дают слегка металлическую окраску и  немного ненатуральный верхний регистр, что живому исполнению имхо не присуще. В общем остался весьма и весьма доволен своим творением.

Вот его характеристики

– выходное напряжие на уровне 0 дБ  – 2 Вольта;

– уровень шумов – менее  -80 дБ,  меньше просто не нечем померить;

– суммарный коэффициент гармоник на максимальном уровне – менее 0.15 % – опять-таки пока точнее не могу измерить.

– входы – оптический и  SPDIF;

– выходы – небалансный 2 Вольта и балансный 10 Вольт;

– выходное сопротивление – на  небалансном выходе – менее 100 Ом,  балансный выход – около 2 КОм;

– схема не содержит цепей ООС.

Вот как выглядит упакованный в корпус прибор и фото всего комплекта аппаратуры для прослушивания.

imag0218_2

imag0220_2

Выходные трансформаторы были намотаны на заказ в фирме Аудиоинструмент, за что поклон Сергею Глазунову.  А еще – читайте на форуме   http://www.diyaudio.ru/forum/index.php?topic=4180.0 . Мои первые попытки ( не совсем удачные ) сделать ЦАП только на лампах есть в другой ветке на этом же форуме  http://www.diyaudio.ru/forum/index.php?topic=1267.570.

Дополнено 6 июня 2015 года. Пришлось немного подкорректировать схемку. Во-первых, на пиках громкости наблюдался возбуд ( резонансы ) и поэтому пришлось добавить конденсаторы С3 и С5 в сетки ламп, а также С1 и С6 в аноды. Также, по причине дрейфа напряжения на выходе АД1955 пришлось застабилизировать базы транзиcторов при помощи стабилитрона Д1 на 3.0  вольта.  Ну, и все-таки 6Э6П я заменил на 6Ж49П – мне она из всех перечисленных ранее показалась самой сбалансированной тембрально.

1955_dac_6d0b649d0bf

*

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

Еще о токовом управлении лампами

В продолжение разговора о токовой составляющей звукового сигнала, начатого в предыдущих публикациях ( о каскадах с общей сеткой – все началось отсюда  http://klimanski.com/?p=3778 ),  хочу немного порассуждать и о каскаде с общим катодом ( ОК ).  В качестве отправной точки приведу отрывок из книги А.Н. Бонч-Бруевича ” Применение электронных ламп в экспериментальной физике”, М., 1956. Схема, на которую ссылается автор:

3

2

1

Очень интересный график на рис.1.64 получился.  Отчасти он содержит вполне очевидную и хорошо известную любому конструктору ламповой техники информацию о наличии оптимума на кривой зависимости мощности на нагрузки от отношения Ra к Ri. Но вот лично для меня больше всего показалась интересной кривая зависимости коэффициента усиления по току от того же соотношения Ra/Ri.  График однозначно говорит о том, то для того, чтобы лампа включенная по схеме ОК наиболее эффективно усиливала входной токовый сигнал, она должна иметь минимальное значение Ra/Ri и максимально возможный мю.  Для триода выполнение этих условий не представляется практически реализуемой задачей, потому что тогда мы получим каскад с очень низким коэффициентом усиления по напряжению и низкой максимальной амплитудой выходного сигнала ( в случае активной нагрузки ). А вот если эта лампа – пентод, то все становится на свои места. Вот отсюда мы уже можем сказать, что мы как бы имеем косвенное доказательство правильности гипотезы важности токового управления лампой – многие кто сравнивал звучание фонокоректоров на триоде и пентоде на входе всегда отдадут предпочтение пентоду. Да и выходные каскады на пентоде часто многими ( и мной, кстати – тоже ! ) оцениваюся более высоко, однако объяснения этому или не дают, или говорят о некоей радующей ухо  “пентодности”. А тут есть простое и научное объяснение что и почему.

Теперь давайте сформулируем, какие практические шаги мы можем предпринять  исходя из обсуждаемой гипотезы. То есть, чтобы усилитель напряжения на лампе с ОК сделать одновременно и усилителем тока нужно:

– выбирать лампы с высоким мю, то есть предпочтительно пентоды

– анодную нагрузку Ra выбранной лампы делать минимальной, чтобы минимизировать отношение Ra/Ri

– сеточный резистор утечки ставить максимально возможно большим, чтобы избежать детектирования токовой составляющей на нем.

Говоря о пентодах в выходных каскадах многие ссылаются на его высокое выходное сопротивление, которое благоприятно для снижения ИМД акустики, но все-таки и тут можно предположить, что отчасти токовое управление пентодом по входу тоже может играть определенную положительную роль.  Еще один аргумент в пользу моей гипотезы- введение небольшой ООС в пентодный выходной каскад приводит к очень заметному снижению выходного сопротивления усилителя, приближая его по этому параметру  к триодному,  хотя характерный для пентода звуковой почерк при этом практически не изменяется и не становится триодным. От введения ООС  происходит также и снижение Ri пентода, а это, в свою очередь, ведет к некоторому росту соотношения Ra/Ri. А поскольку по переменному току нагрузка и внутреннее сопротиваление выходного каскада включены параллельно,  снижение Ri от введения ООС в пентодном выходном каскаде ( в практически разумных пределах ) никогда не приведет к снижению соотношения Ra/Ri до уровня триодного каскада, для которого альфа в реальных конструкциях всегда  больше трех.

Напомню, что это лишь гипотеза, требующая еще доказательств и постановки научных экспериментов.

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