Минимизация гармонических искажений в ламповом усилителе. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Усилители мощности ламповые

 Комментарии к статье

В статье рассмотрены результаты исследований линейности лампового каскада с источником тока в анодной цепи. Приведены параметры электрических режимов для ряда усилительных триодов, обеспечивающие наивысшую линейность, и показаны характерные спектры искажений сигнала в этих режимах работы. Даны рекомендации по использованию исследованных ламп.

Исследование потенциальной линейности лампового каскада преследовало несколько целей. Предполагалось объективно подтвердить целесообразность использования источников тока в качестве анодной нагрузки лампы и, таким образом, поколебать уверенность противников такого подхода и укрепить веру его сторонников. Мне хотелось еще раз проверить правильность ряда рекомендаций по выбору режима работы предварительных каскадов, приведенных в [1], где подробно описан каскад с источником тока и приведена методика расчета самого каскада и источника тока. Надеюсь, что результаты моей работы облегчат выбор типа лампы и ее рабочего режима всем радиолюбителям и аудиофилам.

В отличие от предыдущей статьи [2], где испытания многих ламп проводились в режимах, отличавшихся от реальных, полученные результаты можно сразу использовать на практике. В процессе работы были оптимизированы режимы работы лампы в каскаде с источником тока в анодной цепи, обеспечивающие максимальную линейность. Предположительное назначение каскада - работа в цепях предварительного усиления усилителей мощности; это определило перечень испытываемых ламп и величину выходного напряжения, при котором производились измерения.

Измерения параметров проводились в каскаде по схеме, показанной на рис. 1. Фактически схема уже описана [3, 4], каскад дополнен элементами регулирования тока лампы и напряжения смещения. Для исключения влияния входного сопротивления измерительного оборудования использован измерительный буферный усилитель, имеющий очень высокое входное сопротивление и линейность. Обращаю внимание на это условие: в реальных устройствах наилучшие результаты достигаются при использовании катодного повторителя в качестве последующего каскада.

В качестве источника сигнала был использован генератор ГЗ-118, а к выходу буферного усилителя (А1) подключались измеритель нелинейных искажений (ИНИ) С6-9 и спектроанализатор НР-3585А.

Диапазон изменения рабочих токов лампы ограничен снизу необходимыми частотными свойствами каскада, а сверху - допустимой мощностью рассеяния на аноде.

В общем случае верхнюю граничную частоту каскада (по уровню спада на 3 дБ) можно определить по формуле

fгр =1/(2πC∑R').

где Су - полная емкость, включенная параллельно нагрузке (в том числе и выходная емкость лампы), R' - полное эквивалентное сопротивление, включенное параллельно анодной цепи лампы по переменному току.

Частотные свойства каскада определялись для нагрузки в виде катодного повторителя. В этом случае емкость нагрузки очень мала, а полное эквивалентное сопротивление R' практически равно выходному сопротивлению лампы в точке покоя, которое зависит от тока покоя.

(нажмите для увеличения)

Измерения проводились следующим образом: устанавливался минимальный (предварительно рассчитанный) рабочий ток лампы, напряжение на аноде лампы выбиралось в интервале 100... 150 В при эффективном значении выходного напряжения каскада 6 В. Далее, изменением напряжения смещения UCM минимизировался коэффициент гармоник выходного напряжения. Процедура поиска минимума гармоник повторялась для больших значений рабочего тока лампы, и в результате получалось несколько рабочих точек, претендующих на оптимальность; в этих точках поведение каскада исследовалось более подробно. Для ламп, имеющих PSpise модели, диапазон поиска оптимального режима был меньше благодаря предварительному моделированию режимов работы на компьютере.

Оптимальной считается рабочая точка, обеспечивающая наивысшую линейность каскада при наименьшем токе покоя. Имеется в виду следующее: если минимальный уровень гармоник регистрировался при нескольких значениях тока покоя, то оптимальным считался наименьший из них. Режим покоя лампы, соответствующий оптимальной точке, определяется двумя параметрами: напряжением на аноде лампы (UA0) и током катода лампы (Iк0 - он измерялся по падению напряжения на прецизионном резисторе RK) в отсутствие сигнала.

В процессе исследования разных типов ламп был обнаружен один любопытный эффект, как мне кажется, не описанный нигде ранее. Оказалось, что для разных типов ламп характер изменения спектра искажений выходного сигнала, в зависимости от небольших изменений режима по постоянному току, существенно различается. Причем речь идет не о заходе в область малых токов и напряжений, где лампа существенно нелинейна и такие отличия вполне ожидаемы, а в рабочей области, где ничто не предвещает таких аномалий. Эффект носит устойчивый характер и мало зависит от конкретного экземпляра лампы. Было исследовано 18 типов ламп (в эту статью вошел не весь материал), и если лампа вела себя определенным образом, то испытание другого взятого наугад экземпляра давало приблизительно ту же картину.

Поэтому я решил добавить к характеристикам лампы еще один субъективный параметр, характеризующий стабильность спектра гармоник выходного сигнала в зависимости от режима лампы по постоянному току (в дальнейшем, просто стабильность). Условно было введено три градации стабильности - "низкая", "средняя", "высокая".

Для ламп, имеющих высокую стабильность, характерно малое изменение спектра выходного сигнала при изменении режимов по постоянному току в широких пределах. Ярким представителем такой группы ламп является лампа 6Н8С: изменение ее режима по постоянному току приводит лишь к незначительному (на 1,5...2,5 дБ) изменению уровня второй гармоники, а высшие гармоники не появляются. Возможно, это одна из причин горячей любви аудиофилов к этой лампе; она прощает все мыслимые и немыслимые ошибки проектирования.

Лампы со средней стабильностью реагируют на изменение режима по постоянному току более остро, но прогнозируемо. Например, при понижении анодного напряжения изменения в спектре выходного сигнала становятся заметными очень скоро: уровень второй гармоники растет, появляются высшие гармоники. Чем дальше отход режима от оптимальной точки, тем выше уровни гармоник и больше их число.

Лампы с низкой стабильностью резко изменяют характер спектра выходного сигнала при относительно небольших изменениях режима по постоянному току и иногда имеют несколько рабочих зон с крутым переходом между ними. Характерным примером может служить лампа 6C3П. При изменении анодного напряжения всего на 6 % лампа резко меняет характер спектра: высшие гармоники исчезают, уровень второй гармоники увеличивается и при дальнейшем увеличении анодного напряжения меняется мало. Когда лампа находится в зоне низкой стабильности, как правило, достигается минимальный коэффициент гармоник и лампа чрезвычайно чувствительна к режиму по постоянному току, незначительным изменением режима можно эффективно управлять уровнем и соотношением амплитуд гармоник. Для некоторых типов ламп приведены характеристики обоих режимов работы.

Отдельно исследованы возможности работы ламп при низком анодном напряжении. Периодически появляющиеся рекомендации по использованию в резистивном каскаде обычных ламп при низком анодном напряжении, мягко говоря, ничем не обоснованы. Использование источника тока в анодной цепи является одной из возможностей реализовать такой режим работы каскада с достаточным усилением и удовлетворительными частотными свойствами, без захода в режим "микротоков". Для ламп, которые приемлемо, на мой взгляд, работали в таких режимах, указаны соответствующие параметры.

На рис. 2 приведен спектр выходного сигнала резистивного каскада на лампе 6Н8С (я специально привожу пример изменения параметров каскада с этой лампой, так как она считается одной из самых линейных). Лампа работает приблизительно в том же режиме (тот же экземпляр), что и в каскаде с источником тока (UA0=187 В, lK0- 4,7 мА), сопротивление анодного резистора равно 20 кОм. Это значение было выбрано в соответствии с часто встречающимися рекомендациями: принимать его сопротивление в 2...3 раза больше внутреннего сопротивления лампы в точке покоя. Для этой лампы внутреннее сопротивление при токе 4,7 мА равно 9150 Ом. Сравним спектрограммы: применение источника тока (рис. 3) привело к уменьшению уровня второй гармоники почти в десять раз, третья гармоника исчезла вовсе!

Соответственно коэффициент гармоник каскада уменьшился с 0,608 % до 0,078 %, и выходной сигнал имеет более благоприятный спектр. При увеличении уровня выходного сигнала преимущества каскада с источником тока проявляются еще сильнее.

В сводной таблице приведены усредненные параметры оптимальных режимов работы всех ламп, а на спектрограммах (рис. 4-12) - характерные для некоторых из них спектры гармоник выходного сигнала.

Следует учитывать, что лампы имеют значительный разброс параметров, и полного совпадения параметров каскада при использовании различных экземпляров ламп не будет, но отличия получаются небольшими - 15...25 %. Поэтому и напряжение на сетке лампы охарактеризовано как ориентировочное и служит исходной величиной для проектирования.

Для комбинированных ламп приведены параметры триодной части; пентод 6Ж38П включен в режиме триода (обратите внимание на эту лампу!).

В результате проведенных исследований и измерений нелинейности усилительных триодов, используемых с источником тока в цепи питания и буферным каскадом, автором сделаны следующие выводы.

1. Сравнение полученных результатов с параметрами резистивных каскадов на тех же лампах доказывает, что использование источника тока (даже на транзисторах!) существенно повышает линейность каскада и улучшает спектральный состав выходного напряжения.

2. Высокая линейность каскада с источником тока в цепи питания и улучшение спектра выходного сигнала существенно расширяют круг ламп, пригодных для применения в высококачественных усилителях звуковых частот. Традиционно критикуемые лампы 6Н2П, 6НЗП, 6Н23П показывают отличные результаты по линейности и качеству звука!

3. Коэффициент усиления каскада с источником тока стремится к значению, равному величине μ лампы (при достаточно большом входном сопротивлении следующего каскада). В общем случае это позволяет уменьшить необходимое число каскадов при сохранении заданной чувствительности.

4. Уменьшение анодного напряжения лампы приводит к ухудшению линейности каскада. Хотя каскад с источником тока позволяет реализовать такой режим работы для большинства ламп, использовать такие режимы в высококачественных усилителях не рекомендуется. Этот вывод справедлив не только для обычных радиоламп, но и для тех, которые предназначены для работы при низком напряжении. Исследование ламп 6С63Н [1] и 6Н27П (типовое анодное напряжение - 28 В) показало, что наилучшая линейность каскада достигается при гораздо большем анодном напряжении.

5. В случае питания усилителя нестабилизированным напряжением следует использовать лампы с высокой спектральной стабильностью гармоник. Применение стабилизированных источников питания снимает это ограничение и дает возможность использовать все перечисленные здесь лампы со стабильным результатом.

6. Если лампа имеет ярко выраженную зону с низкой стабильностью спектра, то, по-видимому, ее следует избегать, так как сведений о временной стабильности такого режима нет (во всяком случае, у автора). При настройке усилителя с использованием только ИНИ существует опасность попадания именно в такую рабочую зону, так как именно в этом режиме достигается наименьший общий коэффициент гармоник в выходном напряжении каскада.

Литература

1. Карпов Е. Схемотехника гибридных ламповых усилителей низкой частоты. - Интернет-издание: next-power.net/ next-tube/ru/index.php3.
2. Карпов Е. Спектры гармоник в электронных лампах. - Радио, 2003, № 11, с. 14-16.
3. Карпов Е. Одноламповый усилитель. - Интернет-издание: next-power.net/next-tube/ru/ index. рhрЗ
4. Карпов Е. TB3 в ламповом УМЗЧ. - Радио, 2003, № 4, с. 11-15.

Автор: Е.Карпов, г. Одесса, Украина

Смотрите другие статьи раздела Усилители мощности ламповые.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Искусственная мышца из кристаллической пластмассы 19.07.2019 Ковалентные органические каркасы (covalent organic frameworks, COFs) - класс легких твердых материалов, в которых простые органические строительные блоки, такие как углеродсодержащие молекулы, связаны с борной кислотой или альдегидными группами, с ковалентными связями. В целом по своему составу этот материал не отличается от обычных пластмасс, однако на молекулярном уровне у него совершенно иная структура. Если в твердых пластмассах полимерные цепи молекул соединяются хаотично, то в COF они образуют кристаллическую структуру. Между этими цепями образуются поры, благодаря чему материал очень легкий. COF можно использовать для хранения газа (например, водорода) и для доставки лекарств. Однако эти каркасы обычно существуют в виде нано- или микроразмерных кристаллических порошков - они хрупкие и из них нельзя сделать более крупные листы или мембраны, которые были бы полезны для многих практических применений. Ученые попытались улучшить механические свойства COF, используя линейные полимеры в качестве строительных блоков. Исследователи из Китая и США получили полимерные ковалентные органические каркасы (polyCOF) на основе существующей структуры COF, но во время синтеза соединения они добавляли полиэтиленгликоль (ПЭГ) к реагентам. Цепи ПЭГ перекрывали пористое пространство COF, создавая более компактную, прочную и стабильную структуру. В отличие от обычных каркасов, полимерные каркасы можно включать в гибкие мембраны, которые могут многократно изгибаться, скручиваться или растягиваться без повреждений. Чтобы продемонстрировать, как polyCOF можно использовать в качестве искусственной мышцы, команда сделала из фольги куклу, к которой прикрепили полученную мембрану. Под воздействием паров этанола кукла "садилась", а когда потом паров прекращался - ложилась обратно. Исследователи повторили эти действия несколько раз, заставляя куклу сгибаться. По словам исследователей, расширение пор polyCOF под воздействием газа, вероятно, объясняет гимнастические "способности" куклы.

Другие интересные новости:

▪ Магнитные GPS в носах лососей

▪ Дом с гелиостатом

▪ Ночное освещение влияет на поведение рыб

▪ Оптоволоконный приемопередатчик Ethernet

▪ Модули памяти VLP RDIMM DDR4 64 ГБ от Virtium

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электропитание. Подборка статей

▪ статья Что сей сон означает? Крылатое выражение

▪ статья На каких самолетах и для чего устанавливали перископ? Подробный ответ

▪ статья Ориентирование по свету. Советы туристу

▪ статья Массы для поделок. Простые рецепты и советы

▪ статья Вращающаяся рука. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025