Расчет ламповых усилителей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю

 Комментарии к статье

Усилитель - один из самых распространенных элементов радиоэлектронных устройств, но почему мы начинаем его расчет с устаревшего лампового усилителя? Причин несколько, и главная из них в том, что интерес к ламповой технике вновь возрождается, особенно среди любителей высококачественного звука. Ламповые усилители неприхотливы, надежны, и хотя перенапряжения могут вызвать кратковременные пробои между электродами, после них чаще всего лампа остается работоспособной. Перегрузки по току вызывают разогрев электродов, но остается достаточно времени, чтобы увидеть раскаленный анод и не торопясь выключить питание. Транзисторы же выходят из строя даже при кратковременных перегрузках, моментально, "молча" и навсегда. Добавим, кроме того, что расчеты усилителей на лампах и полевых транзисторах, например, очень похожи.

Расчет любого усилителя начинают с определения его параметров исходя из назначения усилителя: полосы усиливаемых частот, выходного напряжения, тока или мощности, сопротивления нагрузки, входного напряжения и входного сопротивления. Для УЗЧ домашнего радиокомплекса, например, выходная мощность может быть 5 Вт на сопротивлении нагрузки (динамической головке) 4 Ом, полоса частот - 70 Гц...12,5 кГц, входное напряжение - 20 мВ ...1 В при входном сопротивлении не менее 500 кОм. Указанный диапазон входных напряжений позволит подключать усилитель ко многим источникам программ: радиоприемнику, проигрывателю с пьезоэлектрическим звукоснимателем, линейным выходам других устройств.

Такой усилитель целесообразно разделить на две части: предварительный усилитель напряжения, в который обязательно войдет регулятор громкости (усиления) и, возможно, регуляторы тембра (формы АЧХ) и оконечный усилитель мощности. Последний рассчитывают на постоянный уровень входного сигнала, соответствующий выходному сигналу предварительного усилителя.

Итак, рассчитываем усилитель на лампах. Схема простейшего апериодического усилителя на триоде показана на рис. 48.

Для расчета понадобятся некоторые справочные данные: напряжение и ток накала лампы (цепи накала на схеме не показаны), рекомендуемые напряжение смещения, анодное напряжение и ток, крутизна характеристики S и внутреннее сопротивление лампы RI или ее коэффициент усиления μ. Последние три параметра связаны простым соотношением: μ = SRI

Ламповый каскад хорош тем, что на низких частотах он практически не потребляет мощности от источника сигнала - анодный ток управляется напряжением на сетке. Тем не менее резистор утечки сетки R1 сопротивлением 0,5...4,7 МОм все же необходим, чтобы редкие электроны, осевшие на сетке, не заряжали ее отрицательно, а возвращались через этот резистор на катод. Этот же резистор удобно использовать как регулятор громкости.

Конденсатор С1 нужен для того, чтобы постоянная составляющая входного сигнала (если она есть) не попадала на сетку и не изменяла режим лампы. Его емкость рассчитывают по формуле для частоты среза ФВЧ, которая должна быть меньше наинизшей частоты полосы пропускания fн:

Чтобы сеточный ток отсутствовал, напряжение на сетке всегда должно быть отрицательным относительно катода, поэтому необходимо некоторое напряжение смещения. Практически неудобно использовать отдельный источник отрицательного напряжения, поэтому чаще всего включают в катодную цепь резистор автоматического смещения R2. Анодный ток лампы ia создает на нем падение напряжения Uс, приложенное плюсом к катоду, а минусом - к управляющей сетке. Формула для его расчета проста:

Осталось сосчитать сопротивление нагрузки, учитывая, что на нем упадет примерно половина напряжения источника анодного питания Еа:

Среди широко распространенных двойных триодов наибольшим коэффициентом усиления μ = 100 обладает лампа 6Н2П с параметрами S - 2 мА/В, Ri = 50 кОм, Uc = -1,5 В, Ua = 120 В, ia = = 1 мА (последние два отличаются от приводимых в справочниках 250 В и 1,8 мА, но мы выбрали их по характеристикам лампы из соображений экономичности. Приняв Еа = 240 В, находим R2 = 1,5 кОм, R3 = 120 кОм. Коэффициент усиления каскада на триоде вычисляют так:

Усиление не слишком велико, и при входном сигнале 20 мВ выходное напряжение окажется только 1,4 В, чего может быть недостаточно для полной "раскачки" выходной лампы УМЗЧ. Придется использовать либо два каскада на триодах (тогда усиление будет излишним и его придется уменьшить, например, с помощью ООС), либо один каскад нв другой лампе, дающей большее усиление, - пентоде (рис. 49).

Он отличается лишь цепью питания экранирующей сетки R3C3. Сопротивление гасящего резистора R3 определяют по формуле

где Ug2 и ig2 - напряжение и ток экранной сетки.

Внутреннее сопротивление пентода велико, поэтому усиление рассчитывают по более простой формуле

Выберем пентод 6Ж1П, как наиболее экономичный. Его параметры Ua = = Ug2 = 120 В, S = 5 мА/В, ia = 7 мА и ig2 = = 3 мА при Uc = - 1,5 В, что дает R2 = = 150 Ом. R3 = 40 кОм, R4 = 17 кОм и Кμ = 85. Практически режимы со столь большим анодным током в предварительных каскадах не используют. Выгодно увеличить сопротивления всех резисторов в несколько раз, существенно уменьшив анодный ток. И хотя крутизна характеристики в таком режиме уменьшится, усиление возрастет и составит 150...200. Для расчета новых параметров при меньшем анодном токе лампы следует воспользоваться ее характеристиками. Впрочем, лампы мало чувствительны к изменениям режима и его легко подобрать экспериментально.

Перейдем теперь к УМЗЧ. Для них выпускают специальные мощные выходные лучевые тетроды и пентоды. В нашем примере подойдет тетрод 6П14П с параметрами Ua = Ug2 = 250 В, S = 11,5 мА/В, ia = 50 мА и ig2 = 5 мА при Uc = - 6 В. Наш выходной каскад будет однотактный, работающий в классе А. Это означает, что ток покоя лампы будет равен номинальному, 50 мА, а при изменении напряжения на управляющей сетке будет изменяться, в пределах от нуля (лампа закрыта) до удвоенного номинального 100 мА (лампа открыта).

Найдем требуемое напряжение ЗЧ на сетке, пользуясь формулой Δia = SΔUBX:

ΔUBx = Δia/S = 50/11,5 = 4,35 В (амплитудное значение).

Сопротивление резистора автоматического смещения в цепи катода должно составить

Если предварительный усилитель на пентоде, рассчитанный выше, обеспечит Кμ = 150, то для получения на сетке выходного каскада амплитуды 4,35 В входной сигнал должен быть равен 4,35/150 = 0,029 В (амплитудное значение), или около 20 мВ (эффективное значение), что соответствует заданным требованиям.

Схемотехнический расчет УЗЧ закончен, можем нарисовать его принципиальную схему (рис. 50). Сопротивления резисторов рассчитаны, осталось выбрать емкости конденсаторов. Их рассчитывают также, как и емкость С1 (см. выше) для низшей частоты полосы пропускания, которую надо взять с запасом, ниже 70 Гц.

Разумеется, в формулу надо подставлять сопротивление соответствующего резистора. Например, если цепочка R1C1 имеет частоту среза 16 Гц при емкости 0,01 мкФ, то цепочка R2C2 будет иметь ту же частоту среза при емкости 10 мкФ. Полезно проверить и верхнюю частоту полосы пропускания предварительного усилителя, взяв сумму выходной емкости лампы VL1, входной емкости лампы VL2 (берется из справочников) и емкости монтажа С∑ равной 3 + 13,5+ 20 - 40 пФ:

Как видим, она выше требуемой.

Несколько слов надо сказать о назначении развязывающей цепочки R5C5. Значительные колебания тока выходной лампы неизбежно приведут и к изменениям анодного напряжения питания, ведь ламповые усилители обычно питаются от нестабилизиро-ванных источников. Чтобы они не сказывались на работе предварительного каскада (а нам это совершенно не нужно), и установлена цепочка. Конденсатор С5 просто не успевает перезаряжаться в такт с изменениями анодного напряжения. Кроме того, цепочка дополнительно фильтрует фон переменного тока при недостаточном сглаживании пульсаций в фильтре выпрямителя.

Рассмотрим теперь анодную цепь выходного каскада. Максимальную мощность лампа отдаст, если изменения тока от 0 до 100 мА будут сопровождаться максимально возможными изменениями напряжения на аноде, причем максимальному току будет соответствовать минимальное напряжение, которое должно быть, по крайней мере, 20...30 В (иначе возникнут искажения на пиках сигнала). Учтем еще вольт 10 падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки выходного трансформатора и получим амплитуду переменного напряжения на аноде 250 - 10 - 30 = 210 В. Переменное напряжение складывается с постоянным напряжением питания. Обратите внимание, что при уменьшении анодного тока до нуля (на отрицательной полуволне входного сигнала) мгновенное анодное напряжение будет повышаться до 250 + 210 = 460 В. Как уже упоминалось, лампы легко переносят такие напряжения.

Колебательная мощность сигнала ЗЧ в анодной цепи составит

Р = Um · im/2 = 210 · 0,05/2 = 5,25 Вт.

С учетом небольших потерь в выходном трансформаторе мы выполнили поставленное условие (обеспечили 5 Вт в нагрузке). Найдем требуемое сопротивление первичной обмотки для токов ЗЧ RH:

RH = Um/im = 210/50 = 4,2 кОм.

Зная RH и сопротивление головки Rг, теперь можно найти и коэффициент трансформации выходного трансформатора Т1 с учетом следующего: если трансформатор понижает напряжение в n раз, то во столько же раз он увеличивает ток в цепи вторичной обмотки, тогда сопротивление трансформируется в n² раз:

На высших частотах звукового спектра усиление УМЗЧ возрастает, поскольку к активному сопротивлению нагрузки RH добавляется индуктивное сопротивление звуковой катушки головки, пересчитанное в первичную обмотку, и сопротивление индуктивности рассеяния самой первичной обмотки трансформатора Т1. Для компенсации подъема параллельно первичной обмотке подключают конденсатор С7, емкость которого трудно поддается расчету из-за неопределенности названных параметров и поэтому подбирается экспериментально, по желаемой форме АЧХ.

Вопрос для самопроверки. Может быть, вам уже надоели теоретические расчеты? Если нет, то рассчитайте усилитель исходя из заданных вами самими требований, а если да, то найдите, например, ненужный ламповый телевизор и разберите его. Из деревянного корпуса получается неплохая акустическая система, если из ДСП вырезать переднюю панель и обтянуть ее тканью. На панели разместите головку, лучше не в центре и лучше две или больше, соединенные последовательно или параллельно, в зависимости от их сопротивления. Соберите усилитель, подобный описанному, и наслаждайтесь "ламповым" звуком. Все детали, необходимые для реализации проекта, в старом телевизоре найдутся.

Автор: В.Поляков, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Польза белкового завтрака 14.01.2026

Правильное питание по утрам играет ключевую роль в поддержании здоровья и контроле веса. Многочисленные исследования подтверждают, что состав завтрака может влиять на аппетит в течение всего дня и качество употребляемой пищи. Австралийские ученые провели масштабный эксперимент, который показал, что употребление белковой пищи с утра помогает дольше чувствовать сытость и предотвращает переедание. В исследовании участвовали более 9 тысяч человек среднего возраста 46 лет. В период с 2011 по 2012 год специалисты анализировали рационы респондентов, оценивая долю основных макронутриентов. В среднем участники потребляли 43% углеводов, 31% жиров, 18% белков, 2% клетчатки и 4% алкоголя. Такой рацион позволил ученым проследить взаимосвязь между утренним приемом пищи и пищевым поведением в течение дня. Выяснилось, что участники, чей завтрак содержал недостаточное количество белка, ощущали повышенный аппетит в течение дня. Они ели больше, чем необходимо, и часто выбирали продукты с высоким со ...>>

Технология SmartPower HDR 14.01.2026

Ноутбуки стремительно развиваются в плане графики и мультимедийных возможностей, но яркие дисплеи с высоким динамическим диапазоном (HDR) часто становятся серьезной нагрузкой для аккумуляторов. Длительная работа с видео высокого качества или играми в HDR приводит к быстрой разрядке батареи, что ограничивает мобильность пользователей и снижает комфорт работы. Решить эту проблему призвана новая технология SmartPower HDR, разработанная совместно компаниями Samsung Display и Intel. Суть технологии заключается в динамическом управлении напряжением OLED-панелей. Чипсет ноутбука в реальном времени анализирует пиковую яркость каждого кадра и передает эти данные контроллеру дисплея, который оптимизирует подачу напряжения в зависимости от количества активных пикселей. В отличие от традиционных режимов HDR, где яркость часто фиксируется на максимальном уровне, SmartPower HDR адаптируется к конкретному контенту, что снижает энергопотребление без потери качества изображения. Технология позвол ...>>

Недосып существенно сокращает жизнь 13.01.2026

Сон является одной из самых фундаментальных потребностей человека. Он влияет на обмен веществ, работу сердца и мозга, иммунитет и общее самочувствие. Современный ритм жизни часто заставляет людей жертвовать сном ради работы, учебы или развлечений, но ученые предупреждают: регулярный недосып может иметь далеко идущие последствия для здоровья и долголетия. Исследователи из Орегонского университета здравоохранения и науки пришли к выводу, что сон менее семи часов в сутки связан с сокращением продолжительности жизни. По данным специалистов, хроническая нехватка сна не только вызывает усталость и снижение работоспособности, но и постепенно сказывается на здоровье органов и систем, увеличивая риски развития различных заболеваний. Для анализа ученые использовали обширную национальную базу данных США, сопоставляя показатели ожидаемой продолжительности жизни на уровне штатов с результатами опросов Центров контроля и профилактики заболеваний за период с 2019 по 2025 годы. Они учитывали мно ...>>

Случайная новость из Архива Fujifilm возвращается на рынок черно-белой фотопленки 15.06.2019 Компания Fujifilm объявила, что она вновь выходит на рынок черно-белой фотопленки после прекращения производства более года назад. Новая пленка Neopan 100 Acros II разрабатывается с учетом пожеланий "миллениалов и поколения Z", которых компания называет "новыми энтузиастами пленки". Пленка Neopan 100 Acros II будет доступен как в 35-миллиметровом, так и в 120-миллиметровом форматах. Fujifilm заявляет, что технология Super Fine-Σ обеспечивает меньшую зернистость и большую четкость по сравнению с оригинальной пленкой Neopan 100 Acros. Fujifilm начнет продажи новой пленки в Японии этой осенью, а выход новинки на другие рынки будет зависеть от спроса. Эта новость примечательна тем, что энтузиасты пленочной фотосъемки привыкли ожидать только плохих новостей от производителей пленки. Fujifilm является одним из немногих оставшихся таких производителей. Ранее в этом году Fujifilm объявила о повышении цен на пленочные продукты для фотосъемки на 30%. Также компания часто вообще прекращает производство пленки, как это было в случае с ее монохромной линией в прошлом году.

Другие интересные новости:

▪ Corning Gorilla Glass для в автомобилей

▪ Новое семейство многоканальных ЦАП

▪ Самый маленький спутник-телескоп

▪ Умная куртка Levi's

▪ Открыта новая форма кислорода

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Преобразователи напряжения, выпрямители, инверторы. Подборка статей

▪ статья Мария фон Эбнер-Эшенбах. Знаменитые афоризмы

▪ статья Что такое брюшной тиф? Подробный ответ

▪ статья Универсальный верстак. Домашняя мастерская

▪ статья Выносной антенный индикатор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Тест на цвет. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026