Волшебник Клапана
Несимметричные (SE) выходные каскады питания, вероятно, являются самой простой формой усилителя мощности. Они обычно используются для относительно небольших усилителей, например, менее 15 Вт, и неизменно имеют катодное смещение. Более высокие мощности достигаются либо с очень большими силовыми клапанами, либо с помощью нескольких параллельных клапанов, но за пределами примерно 15 Вт обычно используется более эффективная двухтактная система.
Звук, создаваемый несимметричным усилителем, довольно уникален. SE может работать только в классе A, и, хотя двухтактный выходной каскад имеет тенденцию подавлять даже гармонические искажения, односторонний не будет. Поскольку для усиления мощности обычно используются пентоды или тетроды пучка, которые создают преимущественно нечетные гармоники, мы можем ожидать все возможные гармоники и особенно богатый звук от усилителя SE.
Исходные критерии: принцип работы одностороннего выходного каскада с катодным смещением несколько проще для понимания, чем двухтактного усилителя, поскольку каскад SE похож на типичный пентод сцена, используемая в предусилителях. Единственное его реальное отличие заключается в использовании трансформатора для нагрузки на аноде, а не резистора, который вы видели бы на этапе предварительного усиления.
Первые две вещи, которые следует учитывать при начале проектирования: какой звук вы хотите получить от усилителя мощности и какую выходную мощность вы хотите получить?
Это важные вопросы, потому что они будут определять выбор выходного клапана, который сам будет определять дизайн остальной части выходного каскада и источника питания. Если у вас уже есть представление о напряжении и токе ВТ, это также повлияет на ваш выбор. В целях иллюстрации скажем, что мы решили, что нам нужно около 10 Вт (этого достаточно для воспроизведения с умеренными или высокими уровнями искажений!).
Выходная мощность пентодовой ступени SE будет примерно вдвое меньше рассеиваемой анодом клапана, поэтому нам понадобится клапан мощностью 20 Вт или более. На самом деле существует широкий спектр клапанов, которые отвечают всем требованиям, но наиболее распространенными для использования на гитаре являются EL34 (25 Вт), 6L6GC (30 Вт) или пара параллельных EL84 (24 Вт). Мы можем пренебречь клапанами «большой бутылки», такими как 6550, KT66, KT88 и KT90, поскольку они будут легко доставлять больше энергии, чем мы хотим (или, скорее, потреблять больше энергии, чем мы могли бы иметь в наличии!) И поэтому «тратятся» впустую. это приложение, если только они не желательны для своего тона (конечно, нет никаких причин, по которым мы не могли бы использовать мощный клапан и запустить его значительно ниже максимума, хотя это может показаться бесполезным). Ваш выбор может также зависеть от наличия типов клапанов, где вы живете. В Британии энергетические пентоды, как правило, дешевле и более широко доступны, чем пучки тетродов, которые более распространены в США.
Если мы решим, что хотели бы, чтобы сцена вносила агрессивный характер в звучание усилителя в целом, тогда EL34 - хороший выбор, и его мощность должна составлять примерно от 8 Вт до 11 Вт при достаточно низком HT, равном 250 В, и несколько выше при более высоких напряжения.
Сопротивление трансформатора: при выборе трансформатора необходимо знать, какое напряжение HT будет использоваться (по крайней мере, приблизительно). Обращаясь к спецификации, мы видим, что EL34 может работать с очень широким диапазоном потенциалов HT. Другие односторонние конструкции EL34 обычно используют напряжение от 250 до 400 В. Нижний предел диапазона будет соответствовать более низким импедансам трансформатора, и наоборот. В следующем примере мы будем использовать 300В.
Кстати, хотя в паспорте El34 утверждается, что максимальное напряжение анодного напряжения составляет 800 В, это применимо к текущему производству в 1960-х годах. Современные EL34 обладают сомнительной надежностью при таких высоких напряжениях, поэтому было бы разумно ограничиться HT менее 500В.
Производители трансформаторов обычно заявляют, что выходной трансформатор будет показывать первичное полное сопротивление «x» при вторичной нагрузке «y». Например: первичное полное сопротивление 5 кОм с вторичным сопротивлением 8 Ом (динамик). Это происходит из соотношения напряжения и тока трансформатора, которые обратно пропорциональны друг другу. Так сказать; если напряжение понижается, ток должен увеличиваться:
Коэффициент поворотов может быть задан как:
Vin / Vout = Iout / Iin
Так как каждый является обратной функцией другого, возведение в квадрат результата даст нам отношение импеданса :
Z = (Vin / Vout) в квадрате.
Легко видеть, что трансформатор, который показывает соотношение напряжения и тока 20, будет иметь отношение импеданса 400. Это означает, что при подключении громкоговорителя 8 Ом к вторичной обмотке будет отображаться сопротивление 3,2 кОм для первичной обмотки. Удвоение импеданса динамика до 16 Ом также удвоит основную мощность до 6,4 кОм. (Это полезный прием, который может позволить вам получить идеальный первичный импеданс, подключив трансформатор к сопротивлению динамика, отличному от номинального значения.)
Поскольку сеточные кривые пентоды позволяют сигнальному напряжению колебаться почти до 0 В на аноде, и поскольку мы хотим, чтобы стадия была примерно смещена по центру, есть практическое правило, которое мы можем использовать, чтобы найти подходящий импеданс трансформатора:
Z = Ва ^ 2 / Па
Куда:
Va = анодное напряжение
Па = Максимальное рассеивание анода.
С нашим HT 300 В, и принимая значение спецификации для максимального рассеивания анода как 25 Вт;
Zout = 300 ^ 2/25
= 3600 Ом
Это дает значение импеданса, которое обеспечит идеальную «смещенную по центру» операцию класса A при смещении до максимального рассеяния анода. Возможно, мы захотим сместить клапан чуть ниже максимума, чтобы обеспечить безопасную работу и длительный срок службы, и в этом случае может оказаться полезным немного более высокое сопротивление нагрузки. Более высокий импеданс или более низкое напряжение питания позволили бы нам сместиться глубже в класс A (то есть, более горячий), для большего искажения второй гармоники. Использование немного более низкого импеданса заставило бы нас смещать холоднее, что ведет к более «грубому» перегруженному тону.
Обычно бывает так, что не будет готового выходного трансформатора, который бы точно соответствовал нашему идеальному импедансу, поэтому мы нарисуем некоторые линии нагрузки, чтобы найти подходящий трансформатор. Построение нескольких линий нагрузки покажет вам, сколько вы можете позволить себе «подстроить» значение импеданса в соответствии с вашим источником питания или какие трансформаторы доступны. Для этого примера мы предположим, что ближайший доступный трансформатор с более высоким сопротивлением, чем мы рассчитали, рассчитан на 4 кОм, 10 Вт. Нарисуйте линию нагрузки:
Как видно из синей линии, линия нагрузки сначала рисуется обычным образом, но это не будет линия нагрузки, над которой работает клапан, она просто показывает нам градиент нагрузки.
Выбор точки смещения: поскольку мы используем реактивную нагрузку, а не резистивную (то есть трансформатор, а не анодный резистор), смещение выбирается не так, как для стадии предварительного усиления.
Первичная обмотка трансформатора имеет очень низкое сопротивление постоянному току, поэтому через него будет падать всего несколько вольт, что мы обычно игнорируем. Поэтому напряжение покоящегося анода будет таким же, как у HT, независимо от того, какой ток покоя мы выберем. Мы могли бы нарисовать вертикальную линию при напряжении ВТ и знать, что точка смещения должна быть где-то на нем. Теперь вы можете видеть, что с линией нагрузки в ее текущем положении клапан будет смещен при отключении и сможет работать только в классе B!
Таким образом, вместо выбора точки смещения где-нибудь на линии нагрузки, мы перемещаем линию нагрузки вверх по графику, сохраняя при этом его градиент. Серые линии показывают этот процесс. Линия нагрузки не должна выходить за пределы максимальной кривой рассеяния, и было бы целесообразно выбрать положение немного ниже кривой для безопасного движения. Линии нагрузки для других сопротивлений нарисованы таким же образом.
Мы решаем, что ток покоящегося анода, который мы хотим в этом случае, составляет 75 мА (фиолетовая точка), чуть ниже максимального рассеивания, и вы можете видеть, что клапан теперь работает близко к центрированному смещению класса A (то есть точка смещения находится примерно в центр линии нагрузки)
Если вам интересно, почему кажется, что напряжение сигнала теперь может колебаться выше, чем напряжение HT, то это потому, что именно это и происходит! Индуктивности ненавидят изменения тока. Когда ток через трансформатор увеличивается, он накапливает энергию, которая высвобождается, когда ток снова падает, позволяя получить вдвое больше напряжения HT. Из-за этого HT в усилителе класса A никогда не должен превышать половины максимального пикового значения анодного напряжения клапана, указанного в техническом паспорте. Для EL34 это 2000 В, поэтому мы в безопасных пределах!
Теперь у нас есть линия нагрузки, нам нужно установить напряжение на экране, прежде чем мы сможем продолжить.
Напряжение на экране. Напряжение на экране обычно устанавливается понижающим резистором в источнике HT (Rg2) (см. Раздел сглаживание и фильтрация ), или дроссель, плюс небольшая пробка сетки экрана. Это поместит напряжение экрана примерно на то же напряжение, что и на аноде, или немного ниже. Гитарные усилители обычно звучат лучше всего, когда линия молчаливой нагрузки проходит немного ниже колена кривых. Именно эта взаимосвязь нагрузки, анода и напряжения на экране является основой дизайна пентодов.
Пипетка (или дроссель) обеспечивает как фильтрацию, так и постоянное падение напряжения. Стопор обеспечивает ограничение тока и сжатие. Чтобы выбрать значения для этих резисторов, нам нужно знать ток экрана, а также любой дополнительный ток, который может подаваться в предварительный усилитель через пипетку (Rg2). Ток на предусилитель можно оценить, а ток экрана можно найти либо по графику, приведенному в техническом описании, либо зная, что ток экрана примерно равен фиксированному отношению тока анода. В техническом описании приведен один пример тока анода 70 мА, тока экрана 10 мА в соотношении 70/10 = 7: 1.
Мы уже знаем, что ток покоящегося анода будет 75 мА, поэтому мы можем ожидать 75/7 = 10,7 мА тока покоящегося экрана. Предположим, что предусилитель в этом усилителе потребляет дополнительные 5 мА. Таким образом, общий ток через капельную сетку (Rg2) составляет 15,7 мА.
Значение этого резистора обычно находится в диапазоне от 470 Ом до 1 кОм просто потому, что это общие значения, которые обеспечивают достойный уровень фильтрации в сочетании с сглаживающим конденсатором, показанным серым цветом. Если мы используем 470R, падение напряжения на этом резисторе будет:
470 * 0,0157 = 7,4 В
и рассеиваемая мощность будет: 470 * (0,0157 * 0,0157) = 116 мВт
Как уже упоминалось, линия покоя нагрузки обычно проходит немного ниже колена, что можно найти для чистого усиления. Однако, когда дело доходит до перегрузки, это BAD IDEA, потому что, как только рабочая точка поднимается до кривой 0 В, ток экрана быстро увеличивается. Если рабочая точка слишком долго висит вокруг этой точки (как это происходит во время отсечения), это может привести к чрезмерному рассеиванию экрана и его разрушению. Чтобы избежать этого, добавляется ограничитель сетки экрана, который заставляет напряжение экрана падать с ростом тока экрана, ограничивая рассеивание. Когда напряжение на экране падает, все кривые сетки сжимаются, и, как правило, мы бы хотели, чтобы колено встречалось или проходило ниже линии нагрузки в этих динамических условиях. Это называется операцией «скользящего экрана», и, как мы увидим, требует определенного объема оценки и догадок.
Во-первых, мы должны знать, какое напряжение нам нужно, чтобы экран падал, и для этого мы используем график взаимных характеристик. К сожалению, график взаимных характеристик, представленный в техническом паспорте, не показывает напряжение на экране, доходящее до нулевых вольт сетки. Тем не менее, мы можем догадаться, что если мы хотим, чтобы кривая нулевого вольта сжималась до того места, где линия -8V изначально находится, то линия -8V сместится вниз примерно до того места, где сейчас находится линия -16V.
Кривая сетки -16 В в настоящее время пересекает линию нагрузки при Ia = 125 мА. Мы смотрим на график взаимных характеристик и видим, какое напряжение экрана соответствует напряжению сети -8 В при токе анода 125 мА (зеленая точка):
Требуемое напряжение на экране немного ниже 250В, но мы округлим его до 250В. Поэтому нам нужно подать примерно 300 - 250 = 50 В через ограничитель экрана в пиковых условиях .
Теперь хорошо представим большой коэффициент выдумки и скажем, что, когда анод поворачивается близко к нулю, весь ток украден экраном (ОК, это не совсем верно, но пока это подойдет). От линии нагрузки пиковый ток анода составляет около 150 мА. Используйте закон Ома, чтобы найти минимальное значение ограничителя сетки экрана:
50 / 0,150 = 333 Ом.
Поскольку в действительности ток экрана не будет достигать этого значения, мы должны использовать следующий резистор наивысшего стандарта, который составляет 470 Ом для проволочной обмотки, хотя 1 кОм является более распространенным и вызывает более сильное сжатие характеристик. Мощность, рассеиваемая в этом резисторе, будет минимальной, поскольку ток экрана в действительности никогда не достигнет 150 мА. 2W должно быть много.
Этот резистор также снизит напряжение на экране покоя на 470 * 0,0107 = 5 В, что незначительно.
Смещение: теперь мы знаем, что напряжение на экране будет 300-7,4-5 = 288 В, мы могли бы заново нарисовать новые характеристики анода, чтобы найти напряжение смещения. Тем не менее, более быстрый способ - просто снова использовать график взаимных характеристик: мы знаем, что наш ток анода покоя будет 75 мА, а напряжение на нашем экране - 300-7,4-5 = 288 В, и это указывает на то, что напряжение между сеткой и катодом составляет около -17 В (синяя точка), что является нашим необходимым напряжением смещения. Общий ток катода будет равен току покоящегося анода плюс ток экрана, что в сумме составит 86 мА. Используйте закон Ома для расчета значения катодного резистора (Rk):
17 / 0,086 = 198 Ом
Двумя ближайшими стандартными значениями являются 200R и 220R, и в этом случае, вероятно, сработает любое из них, поскольку мы не работаем с максимальным рассеиванием. Тем не менее, некоторые контуры класса A могут работать очень близко к этому пределу, и характеристики клапана могут сильно различаться, поэтому обычно лучше использовать опцию lerger. Мы бы использовали 220R, который немного повысит напряжение смещения, но не значительно, и рассеет чуть меньше, чем:
(0,086 * 0,086) * 220 = 1,6 Вт
Поэтому мы будем использовать резистор 3 Вт или лучше.
Катодный перепускной конденсатор: Как и в большинстве одноступенчатых каскадов, полное разъединение катода максимизирует усиление за счет предотвращения внутренней обратной связи и, таким образом, максимизирует выходную мощность и чувствительность входа (что делает клапан более легким для ускорения).
Для низкого спада примерно 10 Гц:
Ck = 1 / (2 * pi * f * Rk)
Ck = 1 / (2 * пи * 10 * 220)
= 72 мкФ
Таким образом, мы будем использовать 100 мкФ. Это довольно общее значение для несимметричных усилителей, и во многих случаях мы даже не потрудились бы рассчитать его.
Его номинальное напряжение должно как минимум в три раза превышать ожидаемое катодное напряжение. Это особенно необходимо, если вы глупы и используете резервный выключатель, так как при запуске произойдет кратковременный всплеск тока в сети, что очень тревожно поднимет напряжение на катодном резисторе! В этом случае нормально подойдет конденсатор с номинальным напряжением 63 В.
Эталонный резистор сетки (Rg1) можно найти, посмотрев в техническом паспорте на максимально допустимое значение смещения катода, которое обычно будет меньше для силового клапана, чем для клапана предварительного усиления. Для EL34 максимальное значение составляет 700k, и мы, вероятно, будем использовать 470k.
Ограничитель сетки ДОЛЖЕН быть добавлен к силовым клапанам для предотвращения колебаний ВЧ, и в техническом паспорте могут быть указаны или не приведены некоторые примерные значения; 1 к 10 К является общим.
Другой метод смещения заключается в заземлении катода и использовании отдельного источника отрицательного напряжения, чтобы дать сетке отрицательный уровень напряжения. Это называется фиксированным смещением, хотя обычно оно настраивается и чаще используется для достаточно мощных двухтактных выходных каскадов.
Реактивная нагрузка: стоит отметить, что выходной трансформатор является реактивным и поэтому имеет повышающийся импеданс с частотой, а также подключен к громкоговорителю. Громкоговоритель, особенно предназначенный для использования гитарного усилителя, не имеет постоянного импеданса в своем частотном диапазоне. Из-за сочетания емкости, индуктивности и сопротивления, которые составляют импеданс громкоговорителя, и того факта, что он специально настроен для создания частотной характеристики, которая будет хорошо звучать на электрогитаре, импеданс будет значительно отличаться от среднего указанного значения. Это приводит к превращению нашей прямой линии нагрузки в эллипс, который будет изменяться с частотой и выходить за пределы максимальной кривой рассеяния анода. Это не проблема, потому что в среднем клапан все еще будет работать на прямой линии нагрузки, которую мы нарисовали.
Используемый тип громкоговорителей оказывает огромное влияние на качество звучания усилителя и способствует динамическому отклику и сжатию, которыми восхищаются усилители на гитарных затворах. Также примечательно, насколько высокочувствительный динамик может увеличить относительную громкость данного усилителя по сравнению с нечувствительным динамиком.
На приведенном ниже графике показана линия нагрузки с напряжением экрана 250 В и то, как это будет на самом деле эллипсом. Мы можем видеть, что чувствительность на входе составляет чуть более 20 В pp. При полном выходе до ограничения максимальный ток анода составляет около 140 мА (50 мАрм), а максимальное напряжение анода составляет около 540 В (191 В). Это дает среднюю выходную мощность для нагрузки 0,05 * 191 = 9,5 Вт (и КПД анода 42%). 
Теперь вы должны увидеть, что использование трансформатора с более низким первичным сопротивлением позволит получить более высокое напряжение экрана (и, следовательно, больший запас), поскольку линия нагрузки будет круче, но вынудит нас перейти в холодную работу класса A, если мы не снизим анодное напряжение. И наоборот, более высокий импеданс нагрузки потребовал бы более низкого напряжения экрана (меньшего запаса по высоте), но позволил бы более высокое анодное напряжение, все еще работая в смещенном по центру классе A. Именно благодаря такому изображению линий нагрузки получается хорошее звучание и Можно найти безопасное сочетание всех трех.
Помните, однако, что нарисованная линия нагрузки является правильной только при условии, что подключен правый динамик с полным сопротивлением. Подключение динамика с более высоким сопротивлением приведет к тому, что линия нагрузки будет вращаться против часовой стрелки вокруг точки смещения, что может вызвать сбой сетки экрана из-за прохождения ниже колено кривых сетки (хотя, если вам повезет, резистор экрана не откроется первым). Это также может вызвать искрение в трансформаторе из-за гораздо более высоких анодных напряжений, возникающих при перегрузке клапана. Подключение динамика с более низким импедансом будет иметь противоположный эффект; линия нагрузки станет более крутой, толкая клапан в холодную операцию класса A, что может вызвать или не вызвать чрезмерное рассеяние анода (к счастью, обычно это не так). Поэтому всегда безопаснее подключать динамик с более низким импедансом, чем более высокий, если это необходимо.
Большое спасибо Зои и Иэн Хартни за их вклад в этот урок.
Первые две вещи, которые следует учитывать при начале проектирования: какой звук вы хотите получить от усилителя мощности и какую выходную мощность вы хотите получить?