Что первично – напряжение или ток ?

Пока не буду объяснять, с какой такой стати я заинтересовался этим философским вопросом.  А вопрос важный, потому что совершенно очевидно, что  от ответа на него зависит форма и содержание фундамента, на котором покоится вся наша электротехника и электроника, ессно, с аудио в том числе.

Как всегда я сначала погуглил эту тему и оказалось, что этим вопросом задавались в основном дилентанты, которые по сути мало представляли глубину этой ямы, и поэтому все детские ответы приводить  здесь не буду. Хотя забавно,  для разминки погуглите сами.  Возможно, я и сам в этой теме как бы  дилетант, но возможно, кому-то мои рассуждения помогут взглянуть на вопрос по-новому. Кто-то просто повеселится.  Тоже неплохо.

Давайте откроем книжку по  физике начальной школы и посмотрим, как на это дело смотрит учебник.   После общих и  чисто описательных рассуждений про эбонитовую палочку и ее электризацию следует основа основ – закон Ома.  И тут, на этой стадии уже появляются первые формулы и определения –  источник  ( разности потенциалов), сопротивление и ток. и заметьте – самая первая формула, которую нам дает учебник, записана в такой форме  – ток равен  разности потенциалов ( напряжению ) источника, которое нужно разделить на сопротивление. То есть ток – зависит от напряжения и величины сопротивления.  Вроде все правильно и логично.

Однако задумаемся над простым вопросом, над которым нам почему-то не предлагает задуматься учебник – а откуда на выводах источника взялась разность потенциалов ? Нам дальше  в учебнике конечно нарисуют гидроэлектростанции и ЛЭП, красиво ( но опять описательно ) расскажут как это все работает, но Закон Ома – останется тем же, незыблемым.  В университете уже нам объяснят более подробно, с формулами,  что в результате вращения рамки в магнитном поле  индуцируется  ( классная формулировка – в форме возвратного глагола !  ) ЭДС  и на выводах появляется разность потенциалов. Вот классно – сама собой вот взяла – и появилась ЭДС !  На самом деле понятно, что первичным актом появления разности потенциалов на выводах генератора является появление электрического тока в рамке. Причем при полном отсутствии какой-либо разности потенциалов на этой рамке в самом начале. И это явление назвается электромагнитной индукцией. На этом принципе, кстати,  работают  все  микрофоны,  многие ими пользуются и  сейчас. Ха ха ! Я уже подхожу ближе к теме !  Тут многие из вас уже догадаются к чему это я все веду….. Да, и на этом же принципе, опять-таки работают  практически все акустические системы !  Итак –  ТОК ПЕРВИЧЕН.    Давайте примем это за аксиому.  Кому это еще не кажется очевидным, начинайте читать ниже – для недоверчивых продолжу доказательную тему после того, как завершу тему  аудио применения этого нового для многих из вас откровения о первичности тока.  Чтобы не мучать  остальных.

В резульате  – что мы имеем ?  Повторим еще раз –  в начале звукового тракта – микрофон, основным принципом работы которого является  генерирование электрического тока в результате вибрации мембраны в магнитом поле,  потом следует некоторый усилительный тракт, цель которого или просто увеличить мощность сигнала и подать на акустику, или чтобы его  записать.  То есть записать, чтобы потом воспроизвести, усилить  и –   опять-таки подать на  ту же акустику.  В основу принципа работы которой лежат те же электромагнитные явления,  только преобразование уже обратное тому, что происходит в микрофоне – ток преобразуется  в механическую работу.

И вот теперь самое главное.  Усилительный тракт. Посмотрите, сколько копий сломано на форумах относительно этого на первый взгляд простого процесса. И он на самом деле был  простой, если бы наши титаны науки не перевернули все с ног на голову в самом начале, объясняя школьнику, а потом еще желторотому  студентишке, что  разность потенциалов вызывает появление тока.  Беда в том, что вслед за этой маленькой ложью ( которую часто обосновывают необходимостью упростить дело  для понимания малыша )  следует новая и новая, и, как это часто бывает в жизни, во все  эти нагромождения мифов уже начинают верить все, потому что  об истинном положении вещей уже никто не может вспомнить. И начинают не только верить, но строить на этом  песочном фундаменте  целые теории ( например необходимости аудио-усилителя иметь нулевое выходное сопротивление и  о демпфировании ДГ ). И попробуйте сегодня кому-нибудь из спецов сказать о порочности  современных теорий построения ауодиосистемы – так вас еще и поднимут на вилы –  безграмотный еретик !   И это вместо того, чтобы признать ошибочность  своих прежних воззрений и повернуться  к проблеме лицом – именно учет токовой составляющей усилителя – причем от микрофона до выхода усилителя –  должен быть положен в основу проектирования. И тогда все станет  с головы на ноги  и станет просто очевидным,  почему некоторые схемные решения в аудио не работают, а некоторые – на ура.   Пример – усилители Сакумы на трансформаторах.  Почему их так все любят слушать  ?  Все очень просто – лампы В КАЖДОМ каскаде сдобрены и по входу и по выходу трансформаторами – а трансформатор – это четырехполюсник, и он согласовывает ( связывает ) высокоомные входы каскадов с общим катодом лампового усилителя по току.   Пример негативный – катодный повторитель ( КП ). Многие признают, что КП ухудшает звук.  Почему ?  Все очень просто – то, чем многие адепты первичности напряжения считают плюсом КП – его очень высокое входное сопротивление – является на самом деле  самой существенной его  проблемой – в этом месте по сути происходит обрыв переменного  сигнала по току и  выходной сигнал теряет свойства рожденной в микрофоне волны ( с опережениями и отставаниями тока по фазе ) и далее на усиление проходит только его сильно упрощенная ( еще и зашумленная )  реплика.  Поэтому обратите внимание, что КП, у которого на входе  или выходе есть трансформатор ( четырехполюсник то бишь ) уже  не портит звука совсем. Кто не знал – пожалуйста , я уже поделился  с вами рецептом, как правильно готовить КП.  И еще пример.  Это анодная  нагрузка лампы во всеми любимой схеме с общим катодом –  звук становится все беднее и неинтереснее по мере замены дросселя на резистор, и далее – на источник тока.  Та же история. В последнем случае – источник тока  – также как и КП, по сути дает обрыв сигнала по переменному току ( по току, не по наряжению !!! ).  Результат схожий с КП.   И лечится также.

Пример из акустики. Как по-вашему усилитель напряжения  может “управлять” динамиком, который имеет довольно высокую индуктивность ?  По сути, если говорить корректно,  он этого сделать не может в принципе.  Но современного теоретика на драной козе не объедешь !  Он тут же, чтобы свести концы с концами,  придумал новый красивый, колоссально наукоподобно звучащий термин – демпфирование !  То есть усилитель должен не только раскачивать мембрану динамика, но каким-то чудесным образом, предугадывая амплитуду, импеданс и частоту,  чтобы поглощать возникающую ЭДС самоиндукции катушки басового динамика  ! Почитаешь всю эту лабуду и становится понятно, отчего такая несусветная сумятица творится  в рядах строителей  усилителей и акустики –  перед первыми стоит задача сделать усилитель с нулевым ( или уже многие дошли даже до отрицательного  !!! ) выходными сопротивлением, а проектирующий акустику  должен угадать, каким таким чудесным способом усилитель, к которому подключат его “теоретическое”, по сути – висящее в воздухе  творение будет подавлять возникающее противление динамиков грубому воздействию прилагаемой усилителем  разности потенциалов.  Которая, как их учили в школе и университете – первична.

Из всего сказанного выше можно сделать один вывод – усилитель аудиосигнала должен усиливать не только напряжение, но и ток.   Причем одновременно, в каждом каскаде.   Даже не так – прежде всего – ток !    И только если нам нужно повышение мощности – тогда усиливать и напряжение.  Все становится на место, если усилитель аудиосигнала будет не источником напряжения с нулевым выходным сопротивлением, а источником тока.   Как его сейчас называют ИТУН.  Он-то легко справится с ЭДС самондуции динамика.  Вернее, в этом случае вообще даже не может возникнуть  вопрос на эту тему и демпфировать будет  просто нечего. Тут, правда появляются не горизонте другие тучки в виде согласования импеданса усилителя и нагрузки ( колонок ), но товарищи теоретики с тяп-ляп строителями акустики – давайте не будем отлынивать от своих обязанностей и делать корректно ту работу, которую  все равно нужно делать !  Все равно, пока вы будете стоять на первичности разности потенциалов, вы никогда не добъетесь согласования любого усилителя с любой колонкой –   для уровня высокого конца это просто утопия ! Для бум-тыц – да, это более менее подходит и  для неискушенного рядового потребителя даже выглядит вполне наукоподобно, но не более того.  Почему же так все получается ? Все просто – для любого  производителя усилителей и колонок современная основанная на первичности напряжения  теория построения аудиотехники – это вообще рай ! Бацай что заблагорассудится, пиши в спецификациях красивые цифири,  абы сбагрить  побыстрее – а что дальше – не моя печаль ! Пусть тычутся аки слепые котята, покупают горы этого барахла, кто с руками пусть  проектируют и пилят сами и после бьются на форумах –  отчего же так все криво выходит ?!

Теперь продолжение ряда доказательств о первичности тока. Для недоверчивых.  Про ЭДС индукции на ГЭС я уже упомянул.  А дальше – придется вам вспомнить уравнения Максвелла  на которых построена вся теория электромагнетизма.  Врашающаяся в магнитном поле рамка пересекает магнитные линии поля и вихревое магнитное  поле вызывает движение электрических зарядов в рамке.  Это и есть электрический ток. Переменный электрический ток, потому что после одного полуоборота рамки направление вихревого поля меняет знак. И в четвертом уравнении Максвелла электрический ток уже фигурирует как переменная. Из этого уравнения по сути и выводится закон Ома. Который, как мы видим в школьном учебнике уже вывернут наизнанку, рождая ложное представление о первичности напряжения как причины протекания тока.

Схожая ситуация в аккумуляторах, батарейках и  солнечных панелях, хотя физическая природа появления тока там другая. В аккумуляторах и батарейках электрический ток появляется в результате потекания внутри электролита на границе с электродом электрохимического процесса окисления – восстановления, который и служит генератором, и происходит это,  опять же, без  начального участия разности потенциалов.    Схожий процесс происходит в полупроводнике солнечных панелей – яркий солнечный свет  своей энергией выбивает электроны ( носители тока ) из атомов полупроводников  и на   рубеже p-n перехода возникет электрический ток, который и приводит к поляризации и росту разности потенциалов на выводах.  Я  так думаю, что примеров  достаточно.

Так и хочется напоследок воскликнуть – да здравствует ИТУН !  Однако давайте не будем торопиться.   Это только начало.  Ибо в  настоящем аудио по сути нет источников, которые были были источниками напряжения.      Значит – да здравствует ИТУТ  🙂   ?     Вам смешно, но кто знает, может   это и есть  наше светлое будущее  в высоком конце.  Ессно, если  раньше не сбудется грустное пророчество фильма “Кин-дза-дза” ( “скрипач не нужен” ).  Пока, к сожалению, сбывается….

 

 

 

 

Гибридный однотактный усилитель 6П9 – PX25

 Да, да, дорогой читатель, я все еще постепенно, по мере появления окон из свободного времени,  доделываю уже начатое.   Не пропадать же  добру :-).

  К примеру, у меня на полке уже давно ( я как все – начинал свое путешествие в мир лампового звука пытаясь  заставить петь триоды ) пылилась красивая красная коробочка с парой уникальных новодельных ламп РХ25 производства чешской фирмы KR Audio.  Еще дольше лежали мертвым грузом пара выходников от Lundahl Transformers LL1620 60мА, которые из-за своей огромной внутренней емкости ну никак не подходили ни под один проект на пентодах и  каскодах. Вот и  захотелось  мне “поженить” эти все вещицы – РХ25 и LL1620 в один усилитель, особенность которого является работа выходного триода РХ25 в режиме с общей сеткой. Чтобы обеспечить раскачку такого каскада использован германиевый мощный транзистор AD304 в режиме составного эмиттерного повторителя, в паре со старым добрым МП26.

 В качестве драйвера – как всегда – пентод, на этот раз это 6П9.  Я много читал об уникальных особенностях звуковой сигнатуры этой лампы и вот пришло время самому в этом убедиться. А еще на полках нашел два сетевых трансформатора от Edcor,

Edcor

что и  определило в конечном итоге компоновку – два моноблока с отдельными сетевиком и БП.

Накал РХ25 питается переменным током от отдельного, специально намотанного трансформатора на железе ОСМ-0.063, первичка содержит 1300 витков провода 0.28мм, и четыре вторички по 25 витков провода 1.07мм на боковых стержнях.

 

IMG_20221008_203747

mde

 Транзисторы  AD304  и МП26 закреплены на алюминиевом шасси усилителя, которое служит радиатором. МП26 от шасси изолирован, AD304 – нет, потому что у него коллектор на корпусе.

  Вот схема одного канала усилителя моноблока:

Schematic_amp

 Особенностью выходного каскада усилителя с общей сеткой является зависимость входного сопротивления от сопротивления нагрузки, поэтому я выбрал вариант D коммутации LL1620 ( см  http://www.lundahl.se/wp-content/uploads/datasheets/1620_3_7_9202.pdf  )  , что при выходной  нагрузке в 12 Ом дает около 5 КОм сопротивления анодной нагрузки РХ25.  Ток анода ( всего каскода, то бишь ) – 55 мА,  резистор обратной связи R14  кроме  местной ООС по переменному току обеспечивает еще и  термостабильность каскада.

 Первый каскад на 6П9 – в пентодном режиме, ток анода около 29 мА,  ток второй сетки 6мА и ток 150 В стабилизатора около 7 мА – итого в сумме около 42 мА.

 Блок питания –  совершенно обычный кенотронный, только  в нем  есть два маломощных кенотрона 6Ц5С  вместо одного.  Сетевые трансформаторы Edcor разобраны и перекрашены в черный цвет, черные декоративные колпаки для выходников куплены в Китае. Простите за ошибку в схеме – некогда перерисовать – БП дает 470 вольт на выходе, а не 490. Конденсатор С2  – электролит на 550 вольт, зашунтированный пропиленом 0.47мкф.

Power_source

 Пока усилитель разыгрывается и по его звучанию ничего толком сказать не могу, но потенциал чувствуется – объемное звучание даже в моно (  пока с одим моноблоком ).

 Однако, к вящему моему сожалению, есть проблемы с АЧХ. И причиной, как выяснилось, является тот же LL1620. как я ни коммутировал его первички и вторички, все равно большая внутренняя емкость приводит к заметным неравномерностям АЧХ и особенно ФЧХ в слышимом диапазоне.

  Все-таки придется мотать трансформатор самому. Благо есть два железа –  SM-102a ШЛ 16 х 34 и Ш-образное EI150 с площадью сечения 11 и 18 см квадратных соответственно. На первом сердечнике сечением 11 см2 по расчету для достижения минимальной индуктивности  в  6 Гн нужно  около 2200 витков первички, на втором –  1400.   Постараюсь при минимальном секционировании.   Как исходные данные для расчета принимал Ra = 4 КОм,  Fн = 25 Гц ( -3 дБ  ).  Лампа этой версии от KR Audio отличается  немного пониженным, в отличие от оригинала, внутренним сопротивлением – при 1250 у оригинала, тут только 1150 Ом.  Выбранное Ra = 4КОм учитывает особенность работы каскада с общей сеткой, которая заключается в том, что чем больше Ra, тем больше входное сопротивление лампы, и тем меньше мы нагружаем эмиттерный повторитель.

Для первой пробы я выбрал для намотки железо  с большим запасом – сечением 18 кв.см., но уверен, что и 11-ти квадратов полностью хватило бы.

OPT_18

 И вот  – первый намотанный трансформатор, на Ш-образном железе сечением 18 кв см, железо EI150.    Секционирование  П – В – П – В – П,  первички и вторички последовательно, намотка в одном направлении с возвратом каретки, первичка 120 витков в слое провод 0.35мм по меди, вторичка – 33 витка на слой ( всего – два слоя )  провода 1.25мм, итого – вся первичка 1440 витков, вторичка – 66 витков (  под 8 Ом нагрузки ).  Межслоевая изоляция – липкая бумажная лента для малярки  толщиной 0.1мм, межобмоточная – электрокартон 0.25мм.  Первая секция первички 3 слоя, вторая ( центральная ) – 6 слоев, и третья – снова три слоя. Немагнитный зазор – 0.05мм бумага для выпечки. Индуктивность первички 7 Гн , индуктивность рассеяния 6.8мГн ( измерение – китайским тестером  на  частоте 100Гц ).   Измеренная на 50Гц  и 5 Вольт индуктивность первички – 18 Гн ( описание моего измерительного прибора здесь – Прибор ). Полоса пропускания усилителя по уровню -3дБ  от 15 Гц до 65 КГц.

AChH

   Максимальная неискаженная мощность усилителя на выходе в 5.8 ватта достигается при подаче на вход 0.5 Вольта сигнала.  Во всем диапазоне амплитуд доминирует вторая гармоника.  Даже при максимальной мощности уровень второй гармоники -24дБ, третьей -38дБ, остальные ниже -52дБ от уровня первой.

   Впереди пропитка ( для точной передачи баса это просто необходимо )  и  – прослушивание.

  Также привожу таблицу расчетов выходного трансформатора, сделанную в Excel , приграмма моей разработки, скачать ее можно тут  . Обратите внимание, что программа как минимальное сечение магнитопровода дает 10 квадратов, фактически я взял 18.  Тот случай,  когда запас беды не чинит.

 

PX25_OPT_18

И в заключение –  благодарности. В первую очередь  – огромное спасибо  моему другу и брату во Христе Игорю за очень ценные советы по проектированию и технике намотки выходного  и накального трансформаторов.    А также  благодарность всем кто делился своим опытом на форуме diyaudio.ru, а также на  форуме Сергея Сергеева, который я пока только читаю. Очень помогло в выборе драйвера и его режимов.

И немного о лампе  KR Audio  PX25 –  ее параметры малость отличаются от оригинала.

SPECIFICATIONS

Filament Voltage 4.0 V
Filament Current 1.8 A
Amplification  Factor 9.5

Maximum Ratings

DC Plate  Voltage 500 V
DC Plate Current 90 mA
Dissipation 30   Watts

Testing Point

DC Plate  Voltage 400 V
DC Plate Current 63 mA
Grid Voltage -31 V
Plate Resistance 1150 ohm
Transconductance 7.4 mA/V

PX25

 

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

 

 

 

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 первичку примерно соответствует тому моменту, когда она 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  максимальное значение В, которым  можно 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  даже немного 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 построил 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 !

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

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 включения усилителя. К сожалению этого монстра нельзя вот так просто взять – и 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.