инж. А. А. Федюков, fedjukov@mail.ru

http://www.fedjukov.narod.ru/

Усилители большой мощности на электронных лампах (выходные каскады усилителей звуковой частоты или радиопередатчиков) обычно работают с фиксированным смещением в режимах AB, B или C. Напряжение в сети питания часто может меняться в достаточно широких пределах, например, 220V± 10%, что приводит к заметному изменению режима усилителя. Питание усилителя, конечно, можно стабилизировать, но, к сожалению, существующие стабилизаторы напряжения имеют ряд серьезных недостатков: линейные стабилизаторы имеют низкий КПД, импульсные источники питания часто являются источником сильных электромагнитных помех, а феррорезонансные стабилизаторы из-за характерного гудения утомляют человека и их сложно применить в электроакустической аппаратуре. Стабилизатор любого типа усложняет изделие и увеличивает его себестоимость. Поэтому стараются использовать усилители, питающиеся нестабилизированными напряжениями. Желательно, чтобы режим усилителя не менялся при колебаниях напряжения сети.

Рассмотрим, как меняется ток покоя и рассеиваемая мощность ламп выходного каскада усилителя при колебаниях напряжения в сети питания. Для простоты рассмотрим однотактную схему (рис.1). Связь выходных ламп с нагрузкой в усилителях низкой частоты обычно делается трансформаторной, а в радиопередающих устройствах - при помощи согласующей цепи, например, П-контура. Поэтому при рассмотрении режима по постоянному току анод лампы можно считать подключенным к источнику питания U_a, т. к. сопротивление первичной обмотки выходного трансформатора или дросселя для постоянного тока невелико. Часто в усилителях применяются пентоды и лучевые тетроды, однако, поскольку их экранирующие сетки подключены к тем же источникам питания, что и анодные цепи, для токов питания в режиме без сигнала их можно рассматривать, как триоды.

Часто на экранирующую сетку лампы напряжение подают через гасящее сопротивление или RC фильтр.

Рис. 2. Усилитель на пентоде с RC фильтром в цепи экранирующей сетки.

Схема такого усилителя приведена на рис. 2. Здесь R_f – сопротивление RC-фильтра; R’_g2 – сопротивление, включенное в цепь экранирующей сетки для подавления самовозбуждения на высоких частотах. Поскольку сопротивления R_f и R’_g2 включены последовательно, для режима по постоянному току их можно рассматривать как одно

Заметим, что обычно R’_g2 много меньше R_f. В усилителях класса AB, B и C ток, потребляемый экранирующей сеткой зависит от уровня входного сигнала, поэтому для обеспечения по возможности меньшего изменения напряжения на экранирующей сетке при изменениях уровня входного сигнала сопротивление R_f стараются выбирать по возможности меньше. Хотя характеристики для триодного включения при R_g2¹ 0 не точно описывают работу лампы, приводимые ниже рассуждения в основном справедливы и включения для ламп с сопротивлением в цепи экранирующей сетки.

Стабилизированный источник смещения показан как гальванический элемент. Анодное напряжение U_a можно считать пропорциональным напряжению в сети питания U_ac.

где k_ar – коэффициент пропорциональности между напряжением сети и анодным напряжением.

В работе [3] этот случай назван режимом фиксированного отношения U_a/U_g1. Действительно, если считать выходные напряжения анодного выпрямителя и выпрямителя смещения пропорциональными напряжению сети, то можно записать:

где k_br – коэффициент пропорциональности между напряжением сети и напряжением смещения. В данном режиме влияние изменения анодного напряжения на анодный ток частично компенсируется изменением напряжения на сетке. Однако, по крайней мере для большинства ламп, применяемых в звуковоспроизводящей аппаратуре при их обычных режимах эксплуатации полной компенсации не происходит. При увеличении напряжения в сети питания, увеличиваются напряжения анода, экранной сетки и накала, и ток анода заметно увеличивается. В качестве примера рассмотрим схему выходного каскада гитарного лампового усилителя, аналогичную Fender Pro Junior.

Как видно из таблицы, при увеличении напряжения сети U_ac анодный ток I_a и мощность, рассеиваемая анодом возрастают, приближаясь к предельно допустимым значениям.

Воспользуемся семейством характеристик лампы 6П14П (см. рис. 6), приведенным в [2]. Предположим, что при анодном напряжении 300V установлен ток покоя 30mA. По характеристикам находим, что для этого потребуется подать на управляющую сетку напряжение смещения равное -11V. Далее предположим, что напряжение в сети увеличилось на 10% и настолько же увеличились напряжения на аноде (соединенном с экранной сеткой), и управляющей сетке. Тогда анодное напряжение станет равно 330V, а напряжение смещения 12.1V. По характеристикам лампы легко увидеть, что анодный ток лампы увеличится примерно до 32mA. Подобным образом можно найти значения анодного тока и для других значений напряжения в сети. Соединив полученные точки мы получим зависимость анодного тока I_a от напряжения в сети U_ac. Из рис. 6 видно, что эта зависимость является растущей. Приведенный способ построения зависимости не является совершенно точным. Во-первых, найденный по приведенному семейству характеристик анодный ток включает в себя и ток экранной сетки. Во-вторых характеристики лампы зависят и от напряжения накала, обычно не стабилизированного.

Аналогичным образом анодный ток покоя и рассеиваемая анодом мощность растут и в усилителях на других лампах (замечено у 6550 и EL34). Таким образом, возникает противоречие между потребностью увеличить ток покоя для достижения наименьших искажений и необходимостью иметь большой запас по рассеиваемой мощности, чтобы усилитель выдерживал увеличение напряжения в сети.

Предложен способ, позволяющий компенсировать влияние напряжения сети на анодный ток или рассеиваемую мощность. Суть его заключается в том, что при изменении напряжении в сети U_ac и, соответственно на анодах U_a и экранных сетках U_g2 ламп нужно обеспечить бОльшее изменение напряжения смещения U_g1, т. е.

и dU_g1/dU_ac > dU_g2/dU_ac.

Для стабилитрона с напряжением стабилизации U_z, для обеспечения напряжения смещения U_g1 напряжение выпрямителя смещения U_br должно быть

где k_d – коэффициент передачи делителя напряжения смещения.

Схема подобная приведенной на рис. 8 предложена для ламп 6Н13С в работе [3]. Подобная схема была использована автором для пентодов и лучевых тетродов типа 6П14П-ЕВ, 6П3СЕ, 6П6С, 6V6, 6650WE, 6550EH. Совместно с автором В. Чистиков применил подобную схему для ламп EL34.

Практически постоянный анодный ток при колебаниях напряжения в сети был получен в усилителе на лампах EL34 (см. табл. 3). В этом усилителе была применена цепочка стабилитронов с общим напряжением U_z» 21V.

Схема, подобная приведенной на рис. 8 была применена в усилителе на лампах 6П6С. При 220V в сети анодный выпрямитель давал +380V, экранные сетки ламп 6П6С и предварительный усилитель подключались к анодному выпрямителю через RC-фильтр из сопротивления SQP (проволочное в керамическом корпусе) 1kW 5W и конденсатора 47m F 450V. Выпрямитель смещения давал около -85V. Для компенсации изменений тока покоя использовалась цепочка из девяти стабилитронов BZX85C3V6 (на 3.6V). Стабилитроны указанного типа выбраны потому что имеют большой отрицательный коэффициент напряжения стабилизации, т. е. при перегреве усилителя падение напряжения на стабилитронах уменьшается и лампы получают большее напряжение смещения. Замечу, что падение напряжения на стабилитронах BZX85C3V6 сильно зависит от протекающего через них тока. Напряжение 3.6V, указанное в справочных данных получается при протекании указанного их изготовителем тока. В данном усилителе через стабилитроны пропускался несколько меньший ток, поэтому падение напряжения на них получается меньше, чем указано в справочниках. Ток покоя устанавливался равным 20mA, для чего на управляющие сетки подавалось напряжение смещения около –35V (для разны экземпляров ламп может немного отличаться). Ток покоя оствавался практически постоянным в дипазоне напряжений сети от 200V до 240V. В тот же усилитель устанавливались лампы 6V6EH Electro Harmonix; c ними ток покоя также оставался практически постоянным при изменениях напряжения в сети.

Для ламп 6П3СЕ использовался следующий режим питания (при 220V в сети): напряжение анодного выпрямителя +420V (экранные сетки питаются от него же), напряжение выпрямителя смещения –100V, падение напряжения на стабилитронах 30V; ток покоя устанавливался равным 34mA. При колебаниях напряжения в сети ток покоя оставался практически постоянным.

Данные, характеризующие работу подобной схемы в усилителе на лампах 6550EH приведены в табл. 4. В этом усилителе падение напряжения на стабилитронах U_z» 45V.

Как видно из табл. 4, здесь при росте напряжения в сети уменьшается не только анодный ток, но и мощность, рассеиваемая анодом. Следует отметить, что в этой конструкции анодные и экранные цепи питаются от разных выпрямителей; напряжения на анодах U_a и экранных сетках U_g2 сильно отличаются. В этом случае нельзя для режима по постоянному току рассматривать лампу как триод. Такой режим с отличающимися напряжениями на аноде и экранной сетке является типовым для многих выходных ламп. Поскольку анодный ток пентодов и лучевых тетродов в большей степени определяется напряжением на экранирующей сетке, чем на аноде, расчет зависимости тока покоя от напряжения сети питания следует вести по семействам характеристик для разных напряжений на экранирующей сетке. Здесь может оказаться полезной работа [5].

3. Известны устройства, в которых выпрямители питания и смещения подключены к одной вторичной обмотке. В таких устройствах при увеличении мощности, потребляемой по цепи питания уменьшается напряжение смещения. Часто применяется один силовой трансформатор с несколькими вторичными обмотками, к которым подключены подогреватели ламп, выпрямители питания и смещения. В этом случае при увеличении мощности, потребляемой от одной из вторичных обмоток уменьшается напряжение не только на ней самой, но и на остальных вторичных обмотках. Таким образом возможно изменение напряжения смещения при изменении мощности, потребляемой другими нагрузками силового трансформатора (обычно анодными цепями). Если в устройстве применена компенсационная схема со стабилитроном подобная приведенной рис. 8, изменение напряжения смещения и, следовательно, тока покоя будет еще сильнее. Уменьшить это явление можно, применив отдельный трансформатор для цепей смещения. Также для получения напряжения смещения, зависящего только от напряжения в сети питания возможно использование оптронной развязки или “изолирующего усилителя” (с емкостной связью между источником и приемником).