бабулер45

Ламповый малогабаритный усилитель

В. ТИМОФЕЕВ, г. Воронеж

Отличительная особенность разработанного автором лампового УМЗЧ — питание оконечного (выходного) каскада от выпрямителя непосредственно от сети -230 В 50 Гц без применения традиционного и громоздкого силового трансформатора.

Кроме того, предварительный каскад и предоконечный каскад построены по схеме с динамической нагрузкой. Такой каскад более известен среди приверженцев ламповых усилителей как "усиленный СРПГГ. Аббревиатура СРПП — буквенный перевод с английской аббревиатуры SRPP (Shunt Regulated Push Pull), принятой за рубежом для сокращённого названия каскадов с динамической нагрузкой.

История создания этого УМЗЧ началась семь лет назад, когда автор, отдавая предпочтение "ламповому" звучанию, решил разработать и собрать свой вариант. Выбор пал на УМЗЧ с двухтактным выходным каскадом из соображений получения достаточной мощности для любых акустических систем и помещений любого размера. Сначала был разработан и собран вариант по классической схеме на лампах 6Н2П, 6Н23П и ГУ-29 с выходной мощностью 30 Вт на канал, и автор сразу ощутил его преимущества в звучании при прослушивании и сравнении с дорогими транзисторными моделями от престижных производителей, хотя последние и обладали большей мощностью и лучшими заявленными характеристиками. Усилитель получился достаточно компактным, но одно омрачало итог работы: в погоне за малой массой и габаритами был заложен недостаточно мощный трансформатор питания, и он через полчаса работы нагревался как утюг. Нормально пользоваться усилителем было невозможно.

Разбирать аппарат, который неплохо звучал и хорошо вписывался в интерьер комнаты, крайне не хотелось, а поменять трансформатор питания на более мощный при плотном монтаже и завершённой конструкции было нереально. Поиск альтернативных решений проблемы привёл к варианту бестрансформаторного питания выходного каскада, так как он является основным потребителем мощности всего усилителя. В итоге силовой трансформатор остался лишь для питания цепей накала ламп, анодных цепей предварительного и предоконечного (драйверного) каскадов, а также цепей смещения выходных ламп, и перегрев трансформатора прекратился. Ввести пришлось и малогабаритные фазоинверсные трансформаторы. Переход на трансформаторную схему "раскачки" выходных ламп, помимо гальванической развязки от сети по входу (по выходу данную функцию выполняет выходной трансформатор), привнёс в усилитель ряд других положительных качеств, а именно:

— мощность, отдаваемая теми же выходными лампами, увеличилась с 30 до 50 Вт за счёт плавного перехода в режим работы выходных ламп с сеточными токами;

— динамические параметры усилителя улучшились из-за комбинации трансформаторной "раскачки" и высокоэнергетического питания выходного каскада;

— уменьшился общий уровень искажений за счёт лучшей симметрии и более полной "раскачки", свойственной трансформаторному фазоинвертору.

Данный вариант построения УМЗЧ оказался настолько удачным во всех отношениях, что он стал типовым. Были построены практически по одной и той же схеме усилители лишь с другими выходными лампами, а именно — на пентодах 6П44С, триодах 6Н13С, 300В, 6СЗЗС, и даже двухтактный УМ на ГМ-70 с применением умножения сетевого напряжения в четыре раза при выпрямлении для получения значения анодного питания, равного 1200 В.

Применение вышеописанного принципа построения лампового усилителя даёт тем больший выигрыш в массога

баритных показателях, чем больше его мощность. Это естественно, так как исчезает достаточно габаритный силовой трансформатор, а при выходных мощностях более 100 Вт и применении в качестве накального трансформатора импульсного электронного трансформатора, наподобие тех, что используются в блоках питания для галогенных светильников, получается, казалось бы, немыслимое — высококачественный ламповый УМЗЧ становится равным по массе и габаритам аналогичному по мощности транзисторному, работающему в классе А при лучшем качестве звучания и эксцентричном внешнем виде.
Всё это относится к двухтактным усилителям, между тем для однотактных усилителей также имеются плюсы, однако они менее выражены из-за меньшей мощности однотактных УМЗЧ и невозможности работы их выходных ламп в режиме с сеточными токами. На практике эти преимущества сводятся к отказу от значительного по габаритам мощного силового трансформатора (вместо него используется маломощный для питания предварительных каскадов).

Вышеописанная технология построения двухтактных и однотактных ламповых УМЗЧ запатентована автором как на национальном российском уровне, патент на изобретение № 2693287 "Ламповый усилитель низкой частоты" от 02 июля 2019 г., так и на международном уровне по РСТ, публикация WIPO №WO2019/177487 А1. Изобретение получило положительные отзывы российских и иностранных специалистов (INFINEON TECHNOLOGIES AG и др.), публикаций для широкого круга пока не было.


Схема одного канала УМЗЧ, собранного на лампах 6Н2П, 6Н23П и 6Н13С, приведена на рис. 1. Прежде чем приступить к подробному описанию работы УМЗЧ и остановиться на технологических особенностях и рекомендациях по наладке, хотелось бы поделиться своим личным прогнозом перспектив внедрения данной технологии. Считаю, что через некоторое время (год-два) вышеописанные принципы построения ламповых УМЗЧ, особенно двухтактных, могут стать доминирующими, а удельный вес классических, с питанием всех каскадов от массивного анодно-накального трансформатора, будет уменьшаться. Особенно это коснётся сценического звукоусилительного оборудования и гитарных комбоусилителей, где масса, габариты и отдача по мощности при повышении динамики и уменьшении искажений являются основными критериями. При многочисленных плюсах из минусов имеется только один — жёсткая привязка анодного питания выходного каскада к кратному значению выпрямленного напряжения сети (при 220-вольтовой сети это 300, 600, 900 и 1200 В). Данный минус нельзя считать существенным, так как для электронных ламп анодное напряжение не является фиксированным, да и выбор ламп по питающему анодному напряжению достаточен. Более того, считаю питание выходного каскада лампового УМЗЧ через сетевой трансформатор в целом вредным для качества звука, не говоря уже о массе и габаритах. В будущем оно будет применяться только в самых изысканных, "винтажных" моделях, где себестоимость, цена, масса, габариты и КПД решающей роли не играют, а иногда вообще не учитываются.

Очень существенным вопросом является выбор элементной базы. Выбор ламп — первое, с чего начинается любой ламповый УНЧ, и он обязательно должен быть обоснованным. В предварительном каскаде это лампа 6Н2П, включённая по схеме "усиленный СРПП". Каскад обладает большим коэффициентом усиления, малыми искажениями и высоким напряжением на выходе. Далее, в драйверном каскаде лампа 6Н23П, также по схеме "усиленный СРПП". Считаю, что это лучшая лампа для маломощного драйвера с учётом её повышенного напряжения смещения на сетке и других положительных качеств. Автором использовалась аналогичная лампа фирмы SIEMENS — Е88СС. Наконец, выходную лампу выбираем из соображений габаритов, соответствия желаемой выходной мощности, заложенного выходного трансформатора. И ещё это должен быть триод, для малогабаритного УМЗЧ применима лампа 6Н13С, хотя можно применить и две лампы 6С19П. С самого начала проектирования усилителя ставилась цель: сделать максимальным соотношение выходной мощности к массе и габаритам при сохранении качества звука. При этом усилитель, естественно, должен быть двухтактным, а все применённые в нём комплектующие и схемные решения были использованы с учётом минимальной массы и габаритов, но без компромиссов ко всему, что влияет на качество звука.

Каждый радиолюбитель знает, что масса и габариты лампового УМНЧ в основном определяются используемыми трансформаторами, следовательно, их число желательно минимизировать, а те, без которых не обойтись, — иметь минимальные габариты и массу (например, использовать торроидальные). Силовой анодно-накальный трансформатор отсутствует, вместо него используется любой малогабаритный анодный мощностью около 15 Вт для питания анодным напряжением 450 В предварительных и драйверных каскадов усилителя. Выходные каскады питаются от выпрямленного и сглаженного напряжения сети -230 В 50 Гц. Для питания накала ламп и получения напряжения смещения выходных каскадов (требуется примерно 150 В при токе в единицы миллиампер) применён БП на доработанном электронном трансформаторе фирмы De Fran, модель Zorn NewapT. 3 60 Вт 220 В/12 В, о котором уже сказано выше. Его схема приведена на рис. 2. В качестве выходных трансформаторов для получения достаточной выходной мощности при минимальных габаритах применены торроидальные силовые трансформаторы в голубых пластиковых корпусах мощностью 25 Вт. Они имеют две изолированные первичные обмотки, рассчитанные на переменные напряжения 110 В каждая, с двумя вторичными обмотками по 6 В, соединёнными последовательно-синфазно. Был приятно удивлён отличной работой этих трансформаторов в качестве выходных. Линейность АЧХ, вплоть до 20 кГц, нисколько не пострадала при неглубокой ООС.

О фазоинверсном трансформаторе подробнее. Это ключевой элемент для достижения высоких характеристик усилителя. Были опробованы разные варианты. Лучшим, с точки зрения качества звука, цены и малых габаритов, оказался самодельный на базе одноваттных силовых трансформаторов (рис. 3). Самодельные оказались способны с отличной линейностью работать в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц, причём без всякого секционирования. Единственным требованием для их нормальной работы является полное отсутствие постоянного тока подмагничивания, что достигается подключением первичной обмотки через конденсатор. Подробнее о доработке этих трансформаторов будет изложено ниже. Дроссели для сглаживающих фильтров анодного питающего напряжения (см. рис. 2) применены самые малогабаритные из доступных, исходя из допустимого для них максимального тока — Д-2 (L2) для выходных каскадов и Д-6 (L1) для предварительных и драйверных каскадов. Оксидные конденсаторы — малогабаритные, рассчитанные на работу при температуре 105° С, остальные — любые, желательно полипропиленовые на подходящее номинальное напряжение. Резисторы — любые малогабаритные, например, МЛТ-0,12, МЛТ-0,25, кроме R6 и R18 (см. рис. 1). Они должны быть рассчитаны на мощность 2 Вт. Термисторы RK1 и RK2 в блоке питания — 8S100L, подстроечные резисторы — китайского производства. Светодиод HL1 — любой маломощный. Диод VD8 (см. рис. 2) — из серии Fast, Ultra Fast. Остальные диоды — любые на подходящий ток и допустимое обратное напряжение.

Для задержки подачи анодного напряжения на выходные каскады после включения питания собран узел задержки, схема которого приведена на рис. 4. Для контроля потребляемого тока выходными каскадами левого и правого каналов последовательно с контактами реле К1.1 включены стрелочные индикаторы РА1 и РА2. Можно применить любые стрелочные миллиамперметры, соответствующие размерам корпуса УМЗЧ и указанному пределу по току. Возможно применение более чувствительных с установкой шунтов. Реле К1 — любого типа на рабочее напряжение 12 В, допускающее ток через контакты не менее 2 А и коммутируемое напряжение 300 В.

Перед наладкой УМЗЧ необходимо, прежде всего, тщательно проверить правильность монтажа. Перед первым включением надо выставить движки резисторов R28 и R29 (см. рис. 1) в положение максимального отрицательного напряжения смещения на сетках выходных ламп БП. Для этого движок резистора R28 установить в нижнее по схеме положение, a R29 — в верхнее. Блок питания цепей накала и смещения выходных каскадов необходимо наладить отдельно, желательно при этом в качестве нагрузки сначала использовать мощные резисторы, затем нити накала используемых ламп. Изменением числа витков вторичных обмоток добиваются нужного напряжения под нагрузкой, после этого налаженный БП устанавливают в корпус УМЗЧ и подключают.


Далее подают напряжение питания, проверяют наличие анодных напряжений на лампах выходного каскада, не допуская их ошибочного измерения напряжения относительно корпуса. Измерять напряжения необходимо относительно катодов ламп, которые с корпусом не соединены! Наблюдаем, как разогреваются катоды ламп, плавно начинает светиться светодиод HL1, и измеряем постоянные напряжения на выходах (выводы 8) ламп предварительных и драйверных каскадов. Напряжения должны быть около половины анодных напряжений, если это так, значит, лампы исправны и режим работы у них штатный. Проверяют фазировку фазоинверсного трансформатора, размах напряжения между сетками выходных ламп должен быть в два раза большим, чем на каждой из вторичных обмоток. Выходные триоды лампы VL3 были заперты или подзаперты повышенным напряжением смещения, поэтому необходимо выставить их рабочие токи около 30 мА движками указанных резисторов. Мною токи определялись косвенным методом — путём измерения напряжения на резисторах R22 и R23. Чтобы убедиться в правильности обратной связи, измеряем выходное напряжение и, меняя местами выводы вторичной обмотки выходного трансфор

матора, оставляем то положение, при котором сигнал меньше. В случае самовозбуждения усилителя по ультразвуковой частоте возможны введения типовых антипаразитных RC-цепей (3 кОм, 24 пФ) между входом (вывод 2 лампы) и выходом (вывод 8) в предварительном и, возможно, в драйверном каскадах. Далее устанавливаем регуляторы тембра в среднее положение и проверяем работу усилителя на нагрузочные резисторы, убеждаемся в линейности частотной характеристики в диапазоне 20...20000 Гц и симметричном ограничении выходного сигнала на максимальной мощности. Отсутствие симметрии говорит о "недораскачке” выходного каскада. Необходимо увеличить коэффициент трансформации Т1 либо проверить драйверную и выходную лампы на частичную потерю эмиссии.

Измеряют максимальную выходную мощность, она должна быть около 25 Вт синусоидальной мощности на канал, при этом максимальная пиковая мощность намного выше (для УМЗЧ весом 3 кг — отличный показатель). Параметры усилителя по уровню наводок зависят от качества экранировки входных и темброблочных узлов, а также симметрии выставленных токов в плечах выходных каскадов. В авторском усилителе этот параметр не измерен, но наводок в двух метрах от АС не слышно.

Об изготовлении фазоинверсного трансформатора и доработке блока питания цепей накала. Самое сложное в изготовлении фазоинверсного трансформатора на базе малогабаритного китайского "силовичка" — необходимость делать обмотки тонким проводом. Желательно диаметром 0,05...0,06 мм, хотя у меня получилось намотать проводом 0,07 мм. Вызвано это малым местом для намотки большого числа витков, чтобы не было спада на низких частотах в диапазоне 20...50 Гц. Могу предложить два способа.

Первый. Сетевая обмотка (она намотана проводом диаметром 0,04... 0,05 мм) используется без изменений в качестве первичной, две вторичные мотают в соседнем отсеке, разделённом пополам тонкой перегородкой, двумя проводами до заполнения. Диаметр провода должен быть минимально возможным. Этим способом трудно получить коэффициент трансформации более 0,7...0,8, который приемлем для выходных ламп с достаточным коэффициентом усиления, например, пентодов ГУ-29, 6П44С и подобных. Для трудных в "раскачке" триодов коэффициент должен быть около двух, поэтому предлагаю второй способ.

Второй. Берутся такие же одноваттные силовые трансформаторы, но с двумя раздельными каркасами для первичной и вторичной обмоток (такие в продаже есть). Далее используют два одинаковых каркаса с сетевыми обмотками, которые играют роль вторичных, поверх них накладывается слой надёжной изоляции и мотается как можно более тонким проводом до заполнения первичная обмотка, точнее в каждом каркасе её половина. Обе половины после сборки трансформатора соединяют последовательно-синфазно. Получится линейный (без всяких резонансов в полосе рабочих частот) качественный небольшой фазоинверсный трансформатор с коэффициентом трансформации около двух. Всех этих ухищрений можно избежать, освоив намотку проводом диаметром 0,05 мм, но для автора эта задача оказалась непосильной.

Есть и третий, коммерческий способ, — поискать и купить через Интернет готовый разделительный трансформатор с двумя вторичными обмотками или попробовать заказать индивидуально на заводе.


Немного о доработке БП на основе электронного трансформатора для цепей накала и смещения (см. рис. 3). Она сводится, во-первых, к замене одной 12-вольтовой обмотки на три других: обмотка II — 6,3 В на ток 2 А, обмотка III — 6,3 В на ток 5 А и обмотка IV— на напряжение 150 В; во-вторых, к установке дополнительного сглаживающего конденсатора С7 для уменьшения пульсаций 100 Гц по цепям накала. Следует отметить, что применённый автором электронный трансформатор ввиду малых габаритов трудно дорабатывать, а дополнительный конденсатор С7 умещался в корпус БП только ёмкостью 47 мкФ, поэтому рекомендую другой тип БП — ZORN NEW мощностью 150 Вт. Для подключения к усилителю он имеет два клеммника на 2 и 6 контактов. В этот БП поместится конденсатор 150 мкФ с номинальным напряжением 400 В. Обмотку II (Uh1) мотают проводом диаметром 0,8 мм, III (Uh2) — 1,5 мм, число витков обмоток — пять. 150-вольтовая обмотка IV намотана проводом диаметром 0,1 ...0,12 мм, число витков — около 120 (окончательно уточняется по результатам замеров напряжений под реальной нагрузкой). Накальные обмотки изолируют по всей длине провода ПВХ-трубкой подходящего диаметра. Обмотку IV изолируют ленточной изоляцией, выводы всех обмоток подключаются к клеммнику, предварительно освобождённому от старых подключений удалением части дорожек платы.

В заключение несколько общих рекомендаций по изготовлению усилителя. Прежде всего, не следует гнаться за излишней миниатюризацией, в погоне за ней автор использовал, например, оксидные конденсаторы меньшей ёмкости, чем хотелось бы. Температурный режим внутри корпуса оказался близок к критическому, да и вообще ламповый УМЗЧ и миниатюризация — вещи мало совместимые. Моя практика показала, что не следует избегать использования силовых трансформаторов в качестве выходных (ТВ), когда на выходе стоят низковольтные токовые триоды. Они также легко справляются и с гитарными ТВ, предназначенными для работы с пентодами. Важно лишь выдерживать правильный коэффициент трансформации. Противники всего импульсного в ламповых УМЗЧ вполне могут использовать блоки питания классические — трансформаторные. Что касается фазоинверсного трансформатора, считаю, что моя конструкция удачная, и это тот случай, когда малые габариты и масса не противоречат высокому качеству. На рис. 5 показан вид собранного усилителя со стороны монтажа, а на рис. 6 — фото автора с его усилителем.

Считаю мощность главным параметром лампового УМНЧ, который можно выразить в цифрах. Все остальные параметры, пожалуй, кроме уровня шумов, если их выражать в цифровом виде, способны только сбить потребителя или автора конструкции с толку. Что может дать такой параметр, как коэффициент нелинейных искажений, выраженный в долях процента для синусоиды? Да, практически, ничего с учётом сложного импульсного характера реального музыкального сигнала, ещё и с пикфактором минимум 10. Невольно иронично улыбаюсь, когда в Интернете читаю рассуждения меломанов о какой-то прозрачности, сцене, малых искажениях применительно к "топовым" моделям современных больше чётных гармоник (т. е. искажений). Человеческое ухо вкупе с головным мозгом так устроено, что невольно сравнивает любой звук (будь это пение птицы, какой-либо инструмент, барабаны https://maestro-music.com.ua/predmet/barabany/ или голос человека) с привычным оригиналом, поэтому любые отклонения от оригинала для слушателя есть искажения и ими никак нельзя улучшить восприятие любого звука. Сторонникам этой теории могу посоветовать в своём усилителе к повышенным чётным гармоникам попробовать добавить чуток интермодуляционных и динамических искажений, может быть, тогда он зазвучит ещё прозрачнее. Всегда пользуюсь и применяю для оценки лампового УМЗЧ более достоверные критерии, главными из которых являются реальное восприятие прослушиваемой музыки и грамотный, научный анализ схемы.

Например, усилитель с умеренной ООС всегда будет звучать качественнее, чем без таковой или с глубокой ООС. На триодах лучше, чем на пентодах. Двухтактный с трансформаторным фазоинвертором лучше, чем с альтернативным фазоинвертором на лампах и т. д. и т. п. Поэтому других параметров в цифрах приводить не считаю нужным, так как коммерческих целей не преследую, а на данный момент моя цель — популяризация своей оригинальной технологии, а тот, кто хочет множества нулей после запятой в процентах КНИ, — тому к транзисторам или к Ямахе. Истины ради оговорюсь, когда речь идёт о слабых сигналах (до одного вольта при малых токах), я совсем не против применения транзисторов, работающих в классе А, и не против процентного выражения КНИ, как одного из критериев качества.