Высококачественный усилитель Баксандалла

Недорогой Высококачественный усилтель

ДВУХТАКТНАЯ СХЕМА КЛАССА А МОЩНОСТЬЮ 5 Вт

Полная версия журнала Wireless-World-1957-03 в PDF формате, где была напечатана эта статья

В этой статье приводится конструкция усилителя, рассчитанного на выходную мощность 5 Вт. Используется недорогой выходной трансформатор, но был обеспечен достаточный запас стабильности для широкого диапазона выходных условий.
Автор считает, что 5 Ватт достаточно для качественного воспроизведения в средней гостиной, и в следующей статье представит доказательства в поддержку этой точки зрения.
Усилитель подходит для использования с авторским предварительным усилителем для граммофона и микрофона, описанным в Wireless World за январь и февраль I955, или с упрощенным предварительным усилителем, который будет описан позже.
При разработке этого усилителя была поставлена цель снизить стоимость настолько, насколько это возможно, в соответствии с достижением производительности, не уступающей по слышимости усилителям самого роскошного класса.
Благодаря тщательному вниманию к деталям схемы сохраняются широкие пределы стабильности при любых возможных условиях использования, несмотря на простоту выходного трансформатора, который был специально разработан автором для этого усилителя.
Усилитель имеет высоковольтное напряжение 300 В и, при схеме, показанной на рис. 1, требует синусоидального входного сигнала примерно 4 В об/мин для 5 Вт выходной
мощности в резистивную нагрузку. Поэтому он подходит для использования с предварительным усилителем, описанным в январских и февральских выпусках журнала
Wireless World за 1955 год, или упрощенными версиями этой конструкции. Гораздо более простой предварительный усилитель, в первую очередь предназначенный для использования только с кристаллическими звукоснимателями и радио—тюнерами и использующий только один клапан, будет описан позже.
Путем добавления двух электролитических конденсаторов и двух резисторов к фиг. l схема, выходная мощность 5 Вт может быть получена при синусоидальном входе всего 1,4 В об/мин, при этом производительность в других отношениях практически не меняется.
По мнению автора, усилитель мощностью 5 Вт, при условии, что его производительность чиста на полную мощность, вполне достаточен для домашнего воспроизведения самого
высокого качества, при условии, что громкоговоритель обладает хорошей
эффективностью — и следует помнить, что эффективность громкоговорителей с
подвижной катушкой, как правило, значительно возрастает по мере улучшения магнитные материалы получили более широкое распространение.

Выходной каскад. — Самым дорогим компонентом в высококачественном усилителе обычно является выходной трансформатор, затраты на который иногда превышают 5 фунтов стерлингов. Стоимость выходного трансформатора зависит от многих факторов, но очень высокое отношение индуктивности шунтирования к индуктивности утечки всегда дорого, поскольку оно обязательно предполагает разделение обмоток на множество чередующихся секций.

В данной конструкции усилителя выходные клапаны работают в условиях чистого класса А, и, следовательно, чистые высокочастотные характеристики могут быть получены с
помощью довольно простого трансформатора, поскольку нет необходимости в том, чтобы индуктивность утечки между двумя половинами первичной обмотки была такой низкой, как это необходимо для класса АВ или условия класса В.

Трансформатор имеет, по сути, только две первичные секции, а вторичная обмотка находится в одной секции между ними.
Дополнительным преимуществом работы класса А является то, что слышимые искажения меньше при данном невзвешенном общем гармоническом искажении, чем в системах класса AB или класса B.
КПД, по общему признанию, ниже, но поскольку 5 Вт считается достаточным для целей, для которых предназначен этот усилитель, более низкий КПД считается несущественным.
Заявленная мощность в 5 Вт на самом деле довольно консервативна, как будет видно из результатов измерений, приведенных ниже; это сделано намеренно и позволяет с уверенностью предсказать, что все усилители, построенные по этой конструкции, будут способны выдавать мощность в 5 Вт при достаточно низких искажениях, во всем диапазоне частот от 35 Гц до
10 кГц, несмотря на влияние допусков на компоненты и клапаны.
Номинальные рабочие условия постоянного тока обеспечивают рассеивание анода в режиме покоя в каждом выходном клапане в 9,5 Вт, при этом максимальное рассеивание, разрешенное производителями, составляет 12 Вт. При таком запасе маловероятно, что номинальная мощность лампы будет превышена в любых версиях встроенного усилителя, и следует обеспечить длительный средний срок службы клапана.
Отрицательная обратная связь берется от нажатия на вторичную обмотку, а не от третичной обмотки, как это было сделано в более ранней конструкции автора. В то время как использование третичной обмотки является все еще рассматриваемая как отличная схема, она, к сожалению, увеличивает стоимость выходного трансформатора больше, чем можно было бы ожидать на первый взгляд по следующим причинам:
(а) Производитель должен выплачивать патентный гонорар за каждый трансформатор.
(b) Представляется желательным при использовании третичной обмотки для обратной связи использовать симметричное расположение намотки с центральной перегородкой на катушке. При более дешевом несимметричном расположении обмоток будет некоторый выходной сигнал на высоких частотах как от вторичной, так и от третичной обмоток из-за постоянного тока с равномерными гармоническими искажениями, подаваемого на первичную обмотку, и маловероятно, что такие напряжения искажения будут одинаково эффективно индуцироваться во вторичной и третичной обмотках.
Следовательно, на высоких частотах применение большого количество отрицательной обратной связи через третичную обмотку может не уменьшить искажение, измеренное на
вторичной обмотке, в такой большой степени, как это имело бы место в противном случае.
Увеличение стоимости, обусловленное необходимостью использования катушки с центральной перегородкой, по сравнению с простым устройством намотки, в котором все слои занимают всю ширину намотки, неизбежно является довольно большим, особенно
потому, что при последней схеме очень удовлетворительный трансформатор может быть изготовлен коммерчески вообще без боковых щек, т.е., используя чередующуюся и пропитанную бумагой намотку на простой трубчатый формовщик.

Автор в долгу перед R F. Gilson, Ltd. и Partridge Transformers, Ltd. за много полезного информация, касающаяся других менее очевидных факторов, влияющих на стоимость трансформатора. Оригинальный выходной трансформатор, разработанный для этого усилителя, использовал сердечник такого размера, который, как позже выяснилось, не очень легко доступен в продаже. Более того, в интересах улучшения отношения
шунтирования к индуктивности утечки был принят пакет, вдвое превышающий ширину средней ветви, но было указано, что использование таких пропорций потребовало бы намотки трансформатора с меньшей, чем обычно, скоростью, что привело бы к значительному увеличению стоимости.

В окончательной конструкции используется квадратная стопка “безотходных” ламинатов
размером 429, изготовленных из обычного кремнийорганического материала, например, сталлоя. Безотходные слои имеют пропорции, показанные на рис. 2, которые позволяют штамповать два слоя “Е” и два слоя “I” из одного прямоугольного листа без остатка отходов, тем самым снижая стоимость.
Это будет видно из рис. 2, что эти слои дают довольно небольшую глубину намотки по отношению к поперечное сечение железа по сравнению с типичными слоями более ранней конструкции, но это помогает обеспечить хорошее соотношение индуктивности шунтирования к индуктивности утечки при простом расположении обмоток.
Дополнительным преимуществом наличия вторичной обмотки только в одной секции, как в настоящей конструкции, является то, что могут быть предусмотрены простые
ответвления для согласования различных сопротивлений нагрузки, что позволяет избежать неудобств, связанных с изменением последовательно—параллельных
соединений между вторичными секциями и, возможно, необходимостью изменения значений компонентов в сети обратной связи. Кроме того, если, например, 15-омный твитер окажется слишком чувствительным при использовании в сочетании с конкретным 15-омным басовым динамиком, твитер (и связанный с ним переход компоненты) могут быть подключены вместо этого через выходные клеммы 7,5 Ом или 5 Ом. 01′, чтобы привести другой пример, 3—омный твитер можно использовать в сочетании с 15—омным басовым динамиком, подключив его к 5-омным, 2,5-омным или 1,25-омным клеммам, выбор опять же зависит от относительной чувствительности и делается на основе слухового суждения. По мнению автора, частой причиной неприятного воспроизведения является плохой баланс между чувствительность басовых и высоких динамиков, особенно когда высокий динамик является более чувствительным из двух; разница в чувствительности в 6 дБ тогда достаточна для обеспечения довольно резкого воспроизведения, предполагая перекрестную частоту в районе 1 кГц / с.
Это будет видно из рис. 1. необычной особенностью схемы является то, что к резисторам смещения выходного клапана не подключены байпасные конденсаторы, что приводит к применению небольшого количества отрицательной обратной связи к каждому выходному клапану. Хотя эта обратная связь, несомненно, улучшает линейность каждого клапана, тем не менее обнаружено, что искажение клапана при заданном выходном
напряжении, вносимое полным выходным каскадом, при отсутствии общей обратной связи, не заметно уменьшается локальной обратной связью. Этот результат, возможно,
поначалу неожиданный, в основном обусловлен тем фактом, что каждый клапан дает гораздо больше искажений второй гармоники, чем третьей; локальная обратная связь обеспечивает существенное снижение искажений второй гармоники и, следовательно,
общего искажения в каждом клапане, но при конкретных используемых условиях эксплуатации происходит чтобы оставить искажение третьей гармоники почти неизменным*.
Искажение второй гармоники, однако, компенсируется в сбалансированном двухтактном каскаде, так что общее искажение на выходе, в основном третьей гармоники, практически не изменяется. Таким образом, в настоящей конструкции отсутствие катодных байпасных конденсаторов
не приводит к полезному уменьшению искажений выходного каскада (при отсутствии общей обратной связи) при использовании согласованных клапанов. Однако причины отказа от конденсаторов заключаются в следующем:
(а) Экономия затрат и пространства.
(b) Уменьшение прямого усиления позволяет практически получить очень хорошие пределы стабильности при подаче общей обратной связи непосредственно от 2,5—омного отвода на выходной трансформатор, что позволяет избежать необходимости в
двух резисторах, которые в противном случае потребовались бы для обеспечения подходящего значения коэффициента обратной связи В. Кроме того, при используемой компоновке синусоидальный входной сигнал составляет приблизительно 4 В обода.
требуется для полной номинальной мощности 5 Вт, что удобно тем, что оно такое же, как и ранее принятое автором.

(с) Если выходные клапаны имеют неодинаковую взаимную проводимость, локальная обратная связь по току в значительной степени компенсирует последствия этого, и плохое согласование клапанов влияет на производительность усилителя меньше, чем в противном случае.
(d) Поведение при перегрузке на высоких частотах несколько улучшается за счет локальной обратной связи по току из-за уменьшения тока второй гармоники,
подаваемого на первичную обмотку выходного трансформатора.
Однако следует понимать, что некоторые читатели, не желающие использовать предварительные усилители, основанные на разработках автора, могут предпочесть более высокий коэффициент усиления, чем тот, который показан на фиг. 1 контур.
Необходимые изменения заключаются в следующем:
(а) Подключите электролитический конденсатор емкостью 50 мкФ 12 В к каждому резистору смещения в выходном каскаде.
(b) Соедините последовательно два резистора, 180 Ом и 100 Ом, между выводом трансформатора 2,5 Ом и землей, резистор 100 Ом идет на землю, и получите обратную связь от их соединения.
Эта модификация существенно не изменит производительность усилителя, за исключением того, что теперь будет получена мощность в 5 Вт при синусоидальном входном сигнале примерно 1,4 В вместо 4 В.
Входной каскад и фазовращатель.— Первая половина двойного триода представляет собой простой усилительный каскад, соединенный постоянным током со второй
половиной, которая работает как разделитель фазы. При таком расположении единственными значимыми элементами, обеспечивающими фазовый переход на низких частотах, являются выходной трансформатор и связь сопротивление-емкость между разделителем фазы и выходными клапанами; тогда можно легко получить большой запас стабильности, сделав постоянную времени связи достаточно большой, что можно сделать, не превышая значение конденсатора связи 0,1 мФ.
На высоких частотах ослабление усиления контура контролируется с помощью сети сопротивление-емкость между двумя половинами двойного триода и дополнительными
сетями R—C через первичную и вторичную обмотки выходного трансформатора.
Хотя не все эти элементы абсолютно необходимы, следует подчеркнуть, что этому аспекту конструкции уделялось большое внимание, чтобы обеспечить большой запас устойчивости при любых возможных условиях нагрузки, а также при отсутствии нагрузки.
Можно с уверенностью предсказать, что, если схема построена в соответствии с заданиями, никаких проблем с нестабильностью возникать не будет, даже при самой экстремальной комбинации эффектов из-за допусков компонентов.
Можно показать, что, предполагая, что клапан вносит искажения только второй гармоники, т.е. имеет простую параболическую передаточную характеристику, применение отрицательной обратной связи приводит к появлению гармонических искажений более высокого порядка; однако все гармоники в конечном итоге становятся незначительными, если применяется достаточное количество обратной связи.
Кроме того, эффект искажения при применении обратной связи отдельно к каждому клапану принятым способом отличается от эффекта применения одинаковой величины обратной связи по всему выходному каскаду; ток сигнала, протекающий в каждом катодном резисторе, отличается от составляющей тока сигнала, протекающей через всю первичную обмотку трансформатора, поскольку первая включает также ток второй гармоники push-push, который неэффективен в отношении трансформатора.

Тенденция проектировать и тестировать усилители, исходя из предположения о нагрузке с чистым сопротивлением правильного значения, должна быть отвергнута; поскольку громкоговоритель с подвижной катушкой имеет импеданс, который значительно возрастает на высоких частотах, а при использовании длинного провода громкоговорителя также будет заметна шунтирующая емкость. Таким образом, безопасная процедура для усилителя общего назначения заключается в проектировании с большим запасом стабильности не только на 15—омной резистивной нагрузке, но и в только при экстремальном состоянии емкостной нагрузки. В данной конструкции можно безопасно использовать провода громкоговорителей длиной не менее 100 ярдов, и это не приведет к нестабильности, даже если громкоговоритель на дальнем конце по какой-либо причине временно отключен.
Шунт сопротивление—емкость на вторичной обмотке является очень эффективным способом увеличения запаса стабильности при отсутствии нагрузки; когда он присутствует, добавление 0,01 мФ на вторичную обмотку выходного трансформатора практически не влияет на прямоугольный отклик без нагрузки, и, по крайней мере, в прототипе даже 0,05 мФ не вызывает колебаний. Без R—C шунта добавление 0,01 мФ при отсутствии нагрузки приводит к выраженному звону, а 0,05 мФ — к сильным колебаниям.

Источник питания. В интересах экономии используется схема выпрямителя с конденсаторным входом и сглаживающим резистором вместо более обычного дросселя.
Кривая регулирования для источника питания показана на рис. 3. Из-за работы выходных ламп в чистом классе А общий ток, потребляемый усилителем, изменяется менее чем на 2% между нулевой и полной номинальной мощностью, так что в зависимости от объема программы колебания напряжения, доступного для операционные предусилители, измерители пиковых программ и т.д.
С указанным выпрямительным клапаном и сетевым трансформатором (прототип был
поставлен компанией Stern Radio, Ltd.), общий ток высокой мощности до 100 мА может подаваться без превышения номинального значения этих компонентов. Поскольку
постоянный ток, потребляемый самим усилителем, вряд ли превысит 80 мА, что позволяет разумно учитывать допуски компонентов и клапанов, на внешние устройства может безопасно подаваться постоянный ток примерно до 20 мА. Читатели, желающие обеспечить большую внешнюю нагрузку h.t., чем эта, должны соответствующим образом изменить конструкцию источника питания; как именно это делается, не имеет значения,
если результирующая мощность напряжение находится в пределах от 280 В до 320 В и не содержит намного больше 2 В об/мин при пульсации 100 С/с.
Строительство.— Компоновка, принятая в прототипе, показана на фотографиях. Усилитель и его блок питания занимают, грубо говоря, отдельные половины корпуса, так что
читатели, желающие собрать их как отдельные блоки, могут использовать практически одинаковую компоновку.
Однако макет не является критичным, и нет причин, по которым не следует использовать другие макеты, при условии соблюдения следующих пунктов:
(а) Компоненты, связанные с соединительной сетью между двумя половинами двойного триода, должны быть установлены близко к держателю клапана, чтобы уменьшить нежелательные паразитные емкости.
(b) Нельзя допускать, чтобы анодные выводы выходного каскада подходили слишком близко к проводке предыдущих частей схемы.
(c) Сглаживающий резистор 330 Ом должен быть установлен таким образом, чтобы его нагрев не повредил другим компонентам.
(d) Трансформаторы должны быть расположены таким образом, чтобы напряжение шума, индуцируемое в выходном трансформаторе рассеянным магнитным полем от сетевого трансформатора, не приводило к нежелательно высокому уровню шума на выходе усилителя. В случае сомнений перед сборкой усилителя можно провести простой
эксперимент следующим образом. Подключите первичную обмотку сетевого трансформатора к сети, а вторичную обмотку выходного трансформатора — к громкоговорителю.

Используемая схема с триодным каскадом предпочтительнее более простой схемы шунтирования последовательной комбинации C и R непосредственно через анодную нагрузку. В последнем случае при
повышении частоты шунт становится эффективным в снижении коэффициента усиления только тогда, когда его импеданс падает до значения, сопоставимого с сопротивлением клапана, которое намного ниже значения анодного нагрузочного резистора. Однако на гораздо более низких частотах, чем эта, шунт сопротивление-емкость будет серьезно ограничивать колебания анодного напряжения, доступные без перегрузки.
При перемещении трансформаторов будет обнаружено, что, даже когда они находятся очень близко друг к другу, есть определенные положения, в которых гул почти равен нулю. Одним из таких положений является положение, при котором ось обмоток сетевого трансформатора проходит через центр выходного трансформатора под углом 90° к оси обмоток последнего. В авторской компоновке трансформаторы расположены не совсем таким идеальным образом — для принятия этого потребовалось бы увеличить размер корпуса — но гул, хотя и заметный при первом включении, падает до совершенно незначительного уровня, как только усилитель прогревается и обратная связь становится эффективной в уменьшение выходного шума.

Будет видно, что в прототипе вместо групповой доски были использованы полосы тегов.
Используемый тип ленты для наклеек, на которой расположены метки с шагом 1/4 дюйма, позволяет рекомендовать ее для домашнего оборудования; ее легко обрезать по длине, при необходимости бирки можно снять для крепления винтами, а две полосы могут быть установлены на нужном расстоянии друг от друга для размещения конкретных компонентов. используется в элегантной манере. Полоса легко доступна, например, у G. W. Smith & Co., 3, Лайл-стрит, Лондон, W.C.2.
Для подключения к предусилителям и т.д. предусмотрен 6—контактный разъем*. Вход усилителя вывод в соответствующем кабеле должен быть экранирован отдельно, но ни один из других выводов в этом кабеле экранировать не требуется. В прототипе для входа также предусмотрен коаксиальный разъем Belling-Lee, который может оказаться удобным
в тех случаях, когда источник входного сигнала не получает питание от настоящего усилителя. Еще одно условие заключается в том, что один вывод на 6—контактном разъеме подключен к выходной клемме усилителя на 15 Ом; это позволяет встроить в блок предварительного усилителя простой измеритель пиковой программы, схема которого будет приведена позже., при желании, но подается с сигналами от вторичной обмотки выходного трансформатора.

Розетку можно приобрести в компании Painton & Co., Ltd., Кингсторп. Нортгемптон, и
имеет номер по каталогу 500472. Соответствующий штекер для ввода кабеля имеет номер 500198.

Для подключения громкоговорителей используются большие винтовые клеммы (Belling-Lec, кат. № L. 1004/11), и, хотя они дороже, чем разъемная планка, они, по мнению автора, являются наиболее желательной формой разъема для этой цели. Прокладки для розеток, как правило, рано или поздно приводят к использованию спичечных палочек!
Детали трансформатора.—Трансформатор, подходящий для этого усилителя, может быть
получен от R. F. Gilson, Ltd. и известен как тип WO 893. А Аналогичный трансформатор может быть получен от Partridge Transformers, Ltd. и известен как их тип P4076.
Для читателей, которые предпочитают наматывать свой собственный трансформатор, детали намотки приведены ниже.
Ядро 1 в пачке слоистых пластин (промежуточный размер 429А), как показано на рис. 2, толщиной 0,35 мм из обычного кремниевого железа, такого как Stalloy (111А), Silcor II
(29А) или Strantranis № 1 (43А). Слои могут чередоваться поочередно обычным способом.
Частота, до которой усилитель способен выдавать свою полную номинальную мощность, может составлять заметно снижается при использовании ламинатов “Unidi” или “Unisil”.
Они изготовлены изориентированного по зерну кремниевого железа, такого, которое
обычно используется в сердечниках типа С, и обладают превосходными магнитными свойствами в направлении прокатки, но не под прямым углом к этому направлению.
Однако при “безотходных” слоях, как видно из рис. 2, слои могут быть легко проштампованы таким образом, что на протяжении большей части магнитной цепи поток в материале находится в предпочтительном направлении. Несмотря на техническое
преимущество этого материала, автор сомневается в том, что его использование в настоящем усилителе даст какое-либо слышимое преимущество любому виду
музыкальной программы. Трансформатор с ламинациями “Unidi”, в остальном аналогичный обычной модели, может поставляться R. F. Gilson, Ltd. и Partridge Transformers, Ltd., которые описывают его как свой тип P4077.
Катушка Чтобы соответствовать сердцевине, 1/16 дюйма материала.
Обмотки
Секция (1). 1650 витков 38 мм по массе, в девять или десять слоев, с 0,002 или 0,003 дюйма трансформаторной бумаги между слоями.
Перед намоткой секции (2) накройте тремя слоями ткани толщиной 0,005 дюйма.
Раздел (2). В три слоя, с бумагой толщиной 0,002 или 0,003 дюйма между слоями, следующим образом :
первый слой — 42 витка по 22 s.w.g. enam.
2—й слой — 29 витков по 20 с.ш.г. энама.
3—й слой — 29 смокингов из 20 ш.г. энама.
Все соединения между слоями должны быть выведены, как показано на рисунке. (Рис. 4.)
Накройте тремя слоями ткани толщиной 0,005 дюйма перед намоткой секции (3).

Раздел (3). Как секция (1) и намотана в том же направлении.
Накройте внешнюю часть секции (З) тканью Empire для защиты.
Если вторичная обмотка намотана с катушкой, вращающейся в том же направлении, что и для первичных секций, то обратная связь будет отрицательной, как и требуется, когда
внешняя часть секции (3) подключена к аноду выходного клапана, сетка которого питается от катода фазоразветвителя.
Домашнему конструктору рекомендуется использовать фактический намоточный провод
для подключения ко всем секциям. Альтернативный метод пайки гибких (многожильных) выводных проводов к первичной обмотке, снижающий опасность обрыва проводов после
завершения намотки, приводит к образованию комков в обмотке в местах проклеенных соединений и, следовательно, обеспечивает равномерную намотку на простой ручной намоточной машине (например, ручной дрели). значительно сложнее. При достаточно осторожном обращении нетрудно избежать поломки 38 s.w.g. провода во время сборки
трансформатора, но подключение к внешней цепи должно осуществляться через плату с маркировкой или клеммную колодку, расположенную таким образом, чтобы провода 38
s.w.g. на задней панели платы не могли быть легко повреждены.
Тесты
Следующие цифры были получены на прототипе от R. F. Gilson, Ltd.:
Общее первичное сопротивление .. 422 Ом
Общее вторичное сопротивление .. 0,45 Ом
Индуктивность утечки, измеренная
при 1000 с/с по всей первичной
обмотке при коротком замыкании всей вторичной обмотки . . . . . . 54 мН
Индуктивность утечки, измеренная при 1000 Гц через одну половину первичной обмотки при коротком замыкании другой половины . . . 77 mH
Общая первичная индукция, измеренная при 50°С/с и 10 В, составило 60 Н (60 генри)