Гибридный усилитель ROSA-HB1

Предисловие

Желание сохранить присущий ламповым усилителям спектр искажений, однако избавиться от дорогого и нелинейного выходного трансформатора, который является одним из главных источников искажений в чисто ламповых усилителях мощности, привело к появлению в усилителестроении ниши посвященной гибридным усилителям. В основном структурно они представляют собой ламповый усилитель напряжения, нагруженный на транзисторный выходной каскад.

В сети можно встретить достаточно большое количество вариантов гибридов, однако большинство из них имеют один или больше из типовых недостатков описанных ниже:

• Низковольтное анодное питание ( лампа работает в неоптимальном режиме и генерирует повышенный уровень искажений );
• Выходной каскад имеющий исходно высокую нелинейность ( зачастую это устаревшая схемотехника ВК );
• Отсутствует или малая 6..10дБ обратная связь с выхода усилителя ( искажения вносимые межкаскадным конденсатором, нелинейности входных и выходных характеристик транзисторов, переключательные (коммутационные) искажения высоких порядков (для реж. АВ) ничем не подавляются и накладываются на полезный сигнал );
• Отсутствие надежной системы слежения за режимом по постоянному току в случае двухполярного питания.

Стремление реализовать схему, которая будет свободна от вышеописанных недочетов, и побудило автора к разработке усилителя представленного в данной статье.

Основополагающие идеи при проектировании усилителя:

• Высокие качественные характеристики;
• Простота и доступность реализации;
• Гибкость настройки и применяемых комплектующих ( фикс.смещение позволяет использовать различные типы ламп без изменений в схеме );
• Усиление по напряжению только в ламповой части.

Особенности схемы позволившие избавиться от типовых недостатков:

• Оптимальное анодное питание ( выбор низковольтной лампы позволяет использовать невысокое анодное для выхода на оптимальный режим );
• Обратная связь с выхода усилителя во 2-ю сетку лампы ( компенсация искажений выходного каскада и межкаскадного конденсатора, с сохранением триодного спектра искажений );
• Линейный выходной каскад с малыми коммутационными искажениями ( выходной каскад вносит преимущественно искажения низких порядков которые легко компенсируются );
• Двухполярное питание и интегратор слежения за режимом по постоянному току ( отсутствие выходного конденсатора, стабильный ноль на выходе ).

Принципиальная схема 

Входной каскад выполнен на маломощном пентоде VL1 с динамической нагрузкой на резисторах R7, R15 совместно с вольтдобавкой через конденсатор C12. Применение динамической нагрузки позволяет получить максимальное разомкнутое "виртуальное" усиление от пентода, с последующим переводом его в псевдо-триодное включение подачей сигнала обратной связи с выхода усилителя во 2-ю сетку. Таким образом происходит линеаризация не только лампы, как в случае входной части на "чистом" триоде, но и выходного каскада, а так же межкаскадного конденсатора.
Смещение лампы фиксированное, это позволяет избавиться от искажений катодного конденсатора, который необходимо было бы применить в случае автоматического смещения.
Регулировка смещения производится подстроечным резистором R3.
Напряжение для второй сетки формируется благодаря падению на резисторе R12, который включен в точку подключения вольтдобавки, что снижает проникновение помехи из шины анодного питания, а так же сохраняет небольшую местную ОС по постоянному току с анода во 2-ю сетку.

Выбор пентода пал на 6Ж1П, как на достаточно низковольтную, линейную и очень распространенную лампу, которая продается даже на АлиЭкспресс с маркировкой 6J1. Благодаря фиксированному смещению, можно легко настроить оптимальный режим для любой лампы, как следствие сохраняется большой простор для экспериментов с различными лампами во входном каскаде.

Выходной каскад выполнен на транзисторах одной проводимости, за основу была взята идея схемы ВК предложенная пользователем IDDQD, в варианте для полевых и биполярных транзисторов, ниже приведена исходная схема и её описание от IDDQD:

"ВК охвачен ООС по току, чем достигается термостабильность. Входное сопротивление сопоставимо с тройкой ЭП (а значит такой ВК подходит для сверхлинейника). Само-собой, полевики можно параллелить (с добавлением истоковых резисторов). Ток драйвера (предвыходных биполяров) легко выставить в диапазоне 20 - 200 мА, что достаточно для прокачки емкостей нескольких пар выходных мосфетов. Выходное сопротивление с одной парой ~0.09 Ом. В биполярном варианте с током покоя 300 - 400 мА наблюдается эффект экономичного А - транзисторы открываются/закрываются плавно, коммутационные искажения на уровне шумов".

Версия ВК на биполярных транзисторах меня заинтересовала своими малыми коммутационными искажениями, и хорошей линейностью, что особенно важно для усилителя с малой глубиной ОС. Ещё одной особенностью является стабилизация тока покоя по датчику тока (резистору R29), что исключает необходимость в контроле температуры выходных транзисторов.

Схема была доработана добавлением ещё одной ступени повторителя на входе на транзисторе VT1, это сделано с целью увеличения входного сопротивления выходного каскада для работы напрямую от пентода. Так же был доработан узел генератора стабильного тока (ГСТ) для снижения зависимости тока покоя от напряжения питания и температуры выходных транзисторов и силового транзистора ГСТ, как результат ток покоя практически независим от напряжения питания усилителя и температуры выходных транзисторов .

Рассмотрим работу ГСТ подробнее, он выполнен на транзисторах VT3, VT4 и задает ток покоя выходного каскада формируя напряжение смещения на резисторе R20. VT3 является регулирующим транзистором, а VT4 силовым. Смещение для начального отпирания VT3 формируется на диоде VD6, термостабильность достигается равенством температур VT3 и VD6. В качестве датчика тока используется резистор R29 включенный в "+" шину питания выходного каскада. С ростом тока, падение напряжения на нем увеличивается, чем приоткрывает VT3, это в свою очередь призапирает силовой транзистор ГСТ VT4 и снижает ток до прежнего значения, происходит стабилизация. Питание каскада на VT3 выполнено от стабильного напряжения заданного цепочкой R16 + ZD3, что минимизирует влияние изменений питающего напряжения на ток покоя. Таким образом достигается термостабильность выходного каскада без контроля температуры выходных транзисторов.

Регулировка тока покоя происходит настройкой подстроечного резистора R23. При токе покоя ВК порядка 220...240мА происходит резкое снижение коммутационных искажений, дальнейшее повышение тока покоя не приносит значительных улучшений.

Рассмотрим работу выходного каскада. Входная часть ВК на VT1 является классическим повторителем по схеме ОК и необходим для повышения входного сопротивления. Диод VD3 защитный от превышения обратного напряжения на б-э переходах, а VD4 диод антинасыщения. Транзистор VT2 представляет собой фазовращатель, который формирует напряжение "раскачки" выходных двоек на резисторах R18, R20, благодаря вольтдобавке на конденсаторе С16 переменное напряжение на R18 приложено между Б-Э верхней двойки, таким образом управление выходными двойками симметричное. Выходные двойки VT5...VT8 выполнены как составные транзисторы по схеме Дарлингтона.

На плате предусмотрено место для установки "антизвонных" резисторов R27, R28 в базах выходных транзисторов, их необходимо устанавливать только в случае использования транзисторов более высокочастотных чем указаны в схеме, например при установке популярных транзисторов 2SC5200. В случае установки ВЧ транзисторов с малой бэтой (h21э<20) целесообразно в параллель базовым резисторам включить индуктивность порядка 0.33..0.47мкГн для улучшения коэффициента использования напряжения питания (снижения падения напряжения на резисторах в базах выходных транзисторов в рабочем диапазоне частот). В исходном варианте схемы, при применении рекомендуемых автором транзисторов следует установить на место R27, R28 перемычки. 

Примечание: при установке отличных от указанных на схеме выходных и/или предвыходных транзисторов, может потребоваться установка конденсатора для предотвращения самовозбуждения усилителя между коллектором и базой транзистора VT2 номиналом 100пФ 100В.

Опорное напряжение для выходного каскада формируется и поддерживается интегратором на TL071 выполненному по типовой схеме. Выход интегратора подключен на вход ВК через делитель на резисторах R13, R14 в который заведена вольтдобавка с эмиттера VT2 через С11, что позволяет повысить входное сопротивления выходного каскада.

Питание для ОУ формируется благодаря стабилитронам ZD1, ZD2, с его отрицательного плеча питания берется напряжение для регулятора ( подстроечного резистора) R3 смещения лампы.

Технические характеристики

• Напряжение питания: +-15 В...30 В;
• Отклонение АЧХ (20 Гц- 20 кГц), не хуже: +-0.5 дБ;
• Выходная мощность: 60 (45) Вт (4 Ом (8 Ом));
• Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 4 Ом...16 Ом;
• Коэффициент нелинейных искажений:

1 Вт 5 Ом: 0.009%;

10 Вт 5 Ом: 0.015%;

• Коэффициент интермодуляционных искажений:

1 Вт 5 Ом: 0.012%;

10 Вт 5 Ом: 0.05%.

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр 1кГц и ограничение синусоиды в клипе.

Меандр 1 кГц:

Клип 1 кГц:

Печатная плата

Плата усилителя выполнена односторонней, для удобства домашнего изготовления, но содержит 4 перемычки. В гербере они выполнены на верхнем слое меди, потому при изготовлении платы на заводе перемычки впаивать не нужно. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы. 

Габариты платы составили 58мм*76мм, провода и кабели подключаются с помощью клемм, для питания транзисторной части и подключения АС использованы ножевые клеммы 6,3мм, для подключения источника сигнала использована 3-х полюсная клемма с шагом 2,54мм. Для питания ламповой части использована 3-х полюсная клемма с шагом 3.5мм. 

Вид платы в редакторе:

Компоненты 

Перед запайкой компонентов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу. очень удобно для этого использовать тестер типа MG328a.
Проверять необходимо как б/у так и новые компоненты.

Резисторы

Резистор R29 необходимо применить металлопленочный мощностью 2 Вт (на печатной плате применено резисторы номиналом 0.47 Ом 1...2 Вт 2шт в параллель);

Резисторы R3, R23 подстроечные типа 3296;

Резистор R30 необходим мощностью 0.5-1 Вт, на печатной плате установлен резистор 10 Ом типоразмера 2010;

Остальные резисторы 0.25 Вт, на плате применены резисторы типоразмера 1206.

Конденсаторы

Конденсаторы С3, С9, C11, C12, С15, С16, C17 электролитические полярные, использовать на указанное в схеме напряжение или выше;

Конденсаторы С1, C8 плёночные на напряжение 63/100 В, С6, C7 плёночные на напряжение 250 В;

Остальные конденсаторы применены керамические типоразмера 1206. В случае отсутствия номинала допустимо спаривание нескольких элементов последовательно или параллельно для получения нужной ёмкости.

Диоды и стабилитроны

Диод VD1...VD4, VD6, VD8 типа LL4148 или аналогичный;

Диод VD7 типа BAS85 или аналогичный, может быть заменен на LL4148.

Диод VD5 типа SS16 или аналогичный;

Стабилитроны ZD1...ZD3 на напряжение 6.8 В.

Радиолампа

Лампа VL1 применена 6Ж1П (она же 6J1);

С панелькой типа ПЛК7-1п, или ПЛК7-4к, посадочное место универсальное.

Транзисторы

Транзисторы VT1, VT3 установлены BC856 (могут быть заменены на MMBT5401);

Транзисторы VT2, VT4...VT6 установлены BD139/ BD140 (могут быть заменены на КТ814/ КТ815);

Транзисторы VT7, VT8 установлены MJL21194 (могут быть заменены на (TIP35C, TIP3055, КТ819ВМ\ГМ (c учетом распиновки и корпуса)).

Рекомендации по сборке

В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.

• Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на конденсаторы типоразмера 1206, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
• Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
• Не рекомендуется применять проволочные резисторы;
• Рабочие напряжения конденсаторов могут быть выше указанных на схеме;
• Допускается применение тех типов транзисторов, что указаны на схеме или возможные замены указанные в перечне элементов;
• Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации;
• Транзисторы VT4, VT5 - VT8 должны быть установлены на теплоотводы (транзисторы не обязательно должны иметь тепловой контакт) через теплопроводящие изоляторы, после закрепления их на радиатор следует убедиться в отсутствии контакта между радиатором и коллектором для каждого из этих транзисторов;
• Рекомендуемая площадь радиатора для выходных транзисторов (VT7, VT8) не менее 600 см^2 при пассивном охлаждении, предвыходных транзисторов(VT5, VT6) не менее 50 см^2, транзистора ГСТ (VT4) не менее 15 см^2;
• При установке подстроечного резистора R23 в плату (типа 3296W), его сопротивление должно быть максимально.

Фото собранного устройства

Первый запуск и настройка усилителя

После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно (направления диодов, полярность конденсаторов, тип транзисторов (пнп/нпн)) и их ориентация в пространстве.

Перед первым включением подстроечный резистор смещения лампы R3 устанавливается в среднее положение, подстроечный резистор R23 тока покоя должен иметь максимальное сопротивление.

Если все в порядке, можно подключать блок питания, первый запуск следует проводить включив лампу накаливания последовательно первичной обмотке трансформатора. При включении лампа должна кратковременно загореться и потухнуть. Для усилителя рекомендуется использовать блок питания со стабилизацией анодного и накального напряжения.

Далее необходимо настроить постоянное напряжение на аноде лампы VL1 (5й вывод лампы) с помощью подстроечного резистора R3, оно должно составлять 130-150 В. После можно приступить к настройке тока покоя. Замкнув вход усилителя необходимо подстроечным резистором R23 добиться падения напряжения на резисторе R29 порядка 50 мВ, что будет соответствовать току покоя 230 мА. Следующим шагом необходимо проверить уровень постоянного напряжения на выходе усилителя, он должен быть не более 10...30 мВ, в случае если постоянное напряжение выше и составляет до 5...7 В, а все предыдущие регулировки не вызвали проблем, вероятнее всего был плохо отмыт флюс в области запайки узла интегратора, следует повторить отмывку и просушить плату, после чего повторить проверку.

Далее можно подключить акустическую систему через модуль защиты АС  и подать сигнал на вход усилителя (защита АС обязательна в связи с длительным переходным процессом при включении).

Если все предыдущие пункты не вызвали проблем усилитель будет работать, теперь можно убрать лампу из первичной обмотки трансформатора и наслаждаться прослушиванием.

P.S. Внизу прикреплен архив содержащий .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы, а так же гербер файлы для изготовления платы на производстве.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout