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:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива Миниатюрный робот-трансформер 13.12.2012 Это устройство не похоже ни на что привычное - какая-то гусеница из множества металлических колечек, полосочек, шпилечек, гаек и винтиков в беспорядке накрученных друг на друга, олицетворение хаоса в слесарном ящике. Но на самом деле это очень серьезное устройство. Оно называется миллимотеин - в названии зашифрованы и миллиметровые размеры компонентов и моторизованный дизайн и протеины - сложные молекулы белков, которые, естественно, складываются в невероятно сложные формы. Этот крошечный робот может стать предвестником будущих устройств, которые могли бы сами складываться в практически любые формы, какие можно себе представить. Устройство было задумано Нилом Гершенфельдом, руководителем одного из научных Центров Массачусетского технологического института, приглашенного ученого Ара Кнаяна и аспиранта Кеннета Ченга. Оно было недавно представлено на конференции интеллектуальных роботов и систем в 2012 году. "Его ключевой особенностью является то, что фактически это одномерный робот, который может быть сконструирован в виде непрерывной полосы условно движущихся частей, которые можно затем сложить в произвольной форме", - говорит Гершенфельд. Чтобы построить самого маленького робота в мире, команда должна была придумать совершенно новый вид двигателя: не только малый и мощный, но также способный поддерживать готовность к работе даже при отключенном питании. В принципе, двигатель отдаленно напоминает гигантские электромагниты, используемые в складах металлолома. Те самые, которые могут поднять автомобиль. В них находится мощный постоянный магнит, который, как и обычный природный, не требует специального электрического питания. В паре с ним более слабый магнит - тот, чье магнитное поле наводится катушкой. Эти два магнита разработаны так, что их поля либо суммируются, либо взаимно нейтрализуются, в зависимости от того, как их переключить. Таким образом, сила мощного магнита может быть отключена по желанию - например, чтобы отпустить поднятый груз, например, автомобиль - без того, чтобы расходовать огромное количество энергии на работу электромагнита все время. В миниатюрном исполнении для крошечного робота этот принцип двигателя представляет собой ряд постоянных магнитов в паре с электромагнитами, расположенными по кругу.

Другие интересные новости:

▪ Назван самый тяжелый год в истории человечества

▪ Новый способ омоложения кожи

▪ Объявлены окончательные характеристики стандарта 5G

▪ Черная дыра родила планету

▪ Сенсорный дисплей, не требующий касания пальцев

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Афоризмы знаменитых людей. Подборка статей

▪ статья Как правильно установить акустические системы. Искусство аудио

▪ статья Утконос - это млекопитающее или птица? Подробный ответ

▪ статья Клеома орнитопусовидная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Цветомузыкальная установка с числоимпульсным управлением тринисторами. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Краски-невидимки. Химический опыт

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025