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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Экономная система управления климатом 26.06.2013 Технология, разработанная в Северо-западной Национальной Лаборатории (США), позволит большому офисному зданию сэкономить до 18% годового потребления энергии, причем это не только сбережет десятки тысяч долларов, но и сделает работу людей более комфортной. Столь существенной экономии энергии можно добиться всего лишь благодаря одному фактору: автоматическому учету количества людей в помещении. Инженеры разработали концепцию использования простого устройства, которое регулирует мощность системы вентиляции/отопления в зависимости от того, сколько людей находится в помещении. Может эта идея и выглядит банальной, но до сих пор такие устройства широко не использовались, и обычно системы вентиляции/отопления работают с одинаковой мощностью вне зависимости от того полно помещение или пусто. В результате, например, часто в больших залах, рассчитанных на тысячи человек, нескольким сотням людей холодно. Климатические системы в крупных зданиях, офисных, вокзалах, больницах и т.д., почти всегда работают на полную мощность и почти всегда не совпадают с "зоной комфорта" людей. Для решения этой проблемы команда инженеров провела серию экспериментов в большом офисном здании размерами 48х73 м с 12-ю этажами и подвалом - в общей сложности площадь здания составила около 46 000 квадратных метров. Ученые провели моделирование: запрограммировали виртуальную модель климатической системы здания на обогрев при температуре воздуха ниже 21 градуса Цельсия и охлаждение при температуре выше 24 градуса Цельсия. По вечерам и выходным температура могла колебаться в более широком коридоре. Расчеты показали, что в 13 из 15 регионов США "умная" система, оценивающая количество людей в помещении, позволит сэкономить не менее $40 000 в год для каждого здания, похожего на то, что было смоделировано. При этом в двух городах, Дулут и Фэрбенкс, экономия превысила $100 000 в год, в основном из-за снижения необходимости нагревать воздух, закачиваемый с улицы. Даже в очень жарких городах, Эль-Пасо и Майами, где экономия предполагалась небольшой, удалось сэкономить $33 400 и $23 500 соответственно. Новая технология очень перспективна. Дело в том, что попытка сэкономить на освещении, конечно, похвальна и правильна, но освещение потребляет крохотное количество энергии по сравнению с отоплением и вентиляцией. Например добавление "умного" датчика измеряющего количество людей в помещении, позволяет экономить до 40% энергии здания даже при использовании систем HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха), которые считаются очень совершенными.

Другие интересные новости:

▪ Автомобильная подвеска-генератор

▪ Китайские безымянные смартфоны подешевели

▪ Процессоры Intel Haswell с поддержкой DirectX 11.1

▪ Портативный аккумулятор Asus ZenPower Max

▪ Сидячая работа укрепляет умственные способности

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрику. Подборка статей

▪ статья Как сделать маленький бокс большим или кое-что о заполнении. Искусство аудио

▪ статья Почему некоторые люди боятся высоты? Подробный ответ

▪ статья Машинист бульдозера и скрепера. Должностная инструкция

▪ статья Пробник для диодно-транзисторной логики. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Охлаждение видеокарты. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026