XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Мир вокруг нас полон звуков. Звук для человека является одним из важнейших информационных источников в познании окружающего мира. Трудно найти человека, который абсолютно равнодушен к восприятию музыки. Она окружает нас повсеместно и является важнейшим фактором нашего психоэмоционального состояния. Сегодня очевидно, что в таком, на первый взгляд, хорошо проработанном направлении, как высококачественное звуковоспроизведение, далеко не все вопросы до конца изучены и объяснены. Что, касается звука, это вообще сплошной субъективизм. Несмотря утихший интерес к ламповым усилителям, споры о их преимуществах не утихают по сей день. В мире вновь стали наращивать производство радиоламп, а схемотехники разделились на два лагеря, разработчики ламповых усилителей и разработчики транзисторной и цифровой техники. В настоящее время наработано большое количество схемотехнических решений транзисторных и цифровых усилителей. Необходимо отметить их определѐнные преимущества, такие как, компактность, большая мощность, простота изготовления (порой, мощный усилитель представлен одной микросхемой). Но есть одна неоспоримая объективность. С момента зарождения и массового распространения транзисторной техники появилось понятие «мертвый - холодный» транзисторный звук. Ламповый звук - сигнал, прошедший через определенную цепь с использованием усилительного тракта в виде электролампы. Большинство из всех, кто хоть раз имел возможность сравнить напрямую разницу между «ламповым звуком» и транзисторной или цифровой техникой, выбирали первый вариант. Причѐм описывая этот звук, как более приятный и теплый. Специалисты поясняют что, транзисторные электронные звуки имеют четкий звук без каких либо излишеств, либо звук с искажениями, но искажениями неприятными человеческому слуху. Лампа же, наоборот, искажает сигнал таким образом, что он добротно воспринимается человеком. Дэвид Кипортс проверил гипотезу о четных и нечетных гармониках звука. Его исследования выявили, что звук, проходящий через лампу, выдает в основном четные гармоники, а транзисторный усилитель выводит преимущественно нечетные. Таким образом, лампа и выдает «теплый» более приятный звук для человеческого слуха. Именно благодаря большому количеству четных гармоник в спектре, ламповое усиление активно применяется для эстрадной аппаратуры. В самых лучших студиях звукозаписи, даже в современное время, применяются ламповые усилители, а большинство любителей музыки имеют в своих системах ламповые усилители. Особенно если в их системе присутствует проигрыватель виниловых дисков. В настоящее время ламповая техника вновь становится популярной. Это вызвано не только особенностями в ее звучании, но и некоторыми эстетическими особенностями. В связи с выше сказанным, возникла гипотеза, возможно ли в современное время, используя недорогие компоненты, разработать и создать простой ламповый усилитель, удовлетворяющий потребности качественного звуковоспроизведения. Эта гипотеза легла в основу цели данной конструкторской работы.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является конструирование простого лампового усилителя из доступных и недорогих электронных компонентов, для домашнего музыкального комплекса. Цель работы предполагала решение следующих задач:

- изучение литературных и интернет – источников по вопросам истории разработки электронной лампы и принципам еѐ работы;

- изучение литературных и интернет – источников по вопросам схемотехники ламповых усилителей, принципах их работы, особенностям конструкции и монтажа ламповой аппаратуры;

- на основе изученных литературных и интернет – источников разработать схемотехническое решение простого лампового усилителя для музыкального комплекса;

- на основе разработанного схемотехнического решения изготовить простой ламповый усилитель с условием использования простых, доступных и дешѐвых электронных компонентов;

- доступными средствами определить выходные характеристики изготовленного усилителя, и сделать вывод о возможности его использования в составе музыкального комплекса.

Что такое электронная лампа и как она работает [1-4]

В 1883 году американский изобретатель Эдисон, проводя работы над улучшением характеристик лампы накаливания, обнаружил, что сильно разогретая нить накаливания, помещенная в вакуум, начинает выделять в окружающее пространство электроны. Это явление, названное впоследствии «термоэлектронной эмиссией», стало основополагающим принципом работы электронных ламп. Первая электронная лампа была изобретена английским ученым Джоном Флемингом в 1904 году. Используя открытие Эдисона, он создал детектор, который назовут

«двухэлектродной трубкой» или «диодом» (Приложение лист I, рис. 1 – 2). Изобретение телефонии конце XIX века привело к потребности усиления сигнала. Особо остро этот вопрос встал в Америке, из-за огромных расстояний. Несмотря на то, что в Европе расстояния гораздо меньше именно здесь, в Австрии, физик и предприниматель Роберт фон Либен (Приложение лист I, рис. 3 – 4) предложил первый электронный усилитель для телефонных линий. Основой этого устройства была катодно-лучевая трубка разработанная (в 1897 г.) немецким физиком, нобелевским лауреатом, Карлом Брауном (Приложение лист I, рис. 5 – 6). Выдающимся достижением в этой области стало изобретение американского инженера Ли де Фореста (Приложение лист II, рис. 7). В 1907 году он создал лампу с дополнительным третьим электродом, названным им «сеткой» (триод). Появление триодов привело к быстрому развитию радиоэлектроники. Появилась возможность усиливать принимаемый сигнал в сотни раз, чувствительность приемников возросла многократно. Уже в 1907 году Ли де Форест предложил схему лампового приемника. Вскоре появились лампы с увеличенным количеством сеток: тетроды — лампы с двумя сетками; пентоды — с тремя сетками, а также комбинированные лампы: диод-пентод, триод-пентод и другие. Это были универсальные электронные лампы для усиления напряжения постоянного и переменного токов (Приложение лист II, рис. 8 - 9).

Устройство и принцип работы радиолампы очень прост. Например, самая простая радиолампа (диод) состоит из стеклянной колбы с вакуумом. Она имеет два электрода – анод и катод. Для подогрева катода имеется вспомогательный элемент – подогреватель. Катод, при работе лампы, нагревается подогревателем до высоких температур (от 800 до 20000С) и начинает испускать (эмитировать) электроны. Для того, чтобы этот процесс происходил интенсивно, катод покрывается специальным активным слоем, который испускает при нагреве большее количество электронов чем обычный металл. Если на аноде лампы будет положительное напряжение, то под воздействием электрического поля электроны устремятся к аноду, и возникнет электрический ток. Если на аноде будет отрицательно напряжение, то электрическое поле будет отталкивать электроны от анода, и электрический ток будет отсутствовать. Таким образом, электрический ток в одну сторону будет проходить, а в другую нет. Так работает электровакуумный диод (Приложение лист II, рис. 10). Если между катодом и анодом добавить третий электрод – управляющую сетку, то при подаче напряжения на неѐ, появится возможность регулировать величину тока через радиолампу (при положительном напряжении на аноде). Если на управляющую сетку подать отрицательное напряжение, то электрическое поле сетки будет отталкивать излучаемые катодом электроны обратно к катоду, и не пропускать их к аноду. В результате чего электрический ток будет отсутствовать. Если на сетку подать положительное или «нулевое» напряжение, то электрическое поле сетки не будет отталкивать электроны, и они беспрепятственно устремятся к аноду, образуя электрический ток через радиолампу. Таким образом, меняя напряжение на сетке можно управлять работой всей лампы (Приложение лист II, рис. 11). Аналогично работают и многоэлектродные лампы (тетроды, пентоды), усложняется только общая схема управления потоком электронов.

Как работает ламповый усилитель [5]

Любой музыкальный электрический сигнал – это сигнал, имеющий переменную амплитуду и частоту, воспринимаемую слуховым органом человека. Этот сигнал имеет положительную и отрицательную полуволну (Приложение лист III, рис. 12). Амплитуда этого сигнала относительно небольшая и роль усилителя сводится к еѐ увеличению. Как правило в схемотехнических решениях применяется несколько каскадов усиления (как минимум два).

Первая версия базовых схем однотактного усилителя мощности построена на выходном лучевом тетроде 6П1П и с фиксированным смещением на сетку выходной лампы (Приложение лист III - IV, рис. 15 – 16). Предварительный усилитель— двойной триод 6Н23П (или 6Н2П). Эта лампа содержит в своей конструкции две отдельные лампы (двойной триод), что удобно при построении второго канала стереофонического усилителя. Входной звуковой сигнал подается на верхний по схеме вывод регулятора громкости — потенциометра (R1). С потенциометра, через разделительный конденсатор (C1) и резистор (R3) переменное напряжение звуковой частоты поступает на сетку лампы — вывод (2) (вывод (7) для другого канала). Сеточный резистор (R2) и резистор (R6) в цепи катода лампы образуют цепь автоматического смещения лампы предварительного усилителя. Отрицательное смещение на сетке лампы необходимо для еѐ правильной работы. При отсутствии отрицательного смещения лампа всегда будет полностью открыта и через нее будет протекать всегда максимальный ток. В таком режиме лампа не будет усиливать поступающий сигнал, а в случае выходных ламп, они могут выйти из строя (катод сильно раскалится). Поэтому на сетку лампы должно быть подано определѐнное отрицательное напряжение относительно ее катода, которое частично «закрывает» лампу, уменьшая ее ток покоя. В случае с фиксированным смещением катод лампы соединяется с «землей» (обычно через резистор сопротивлением 1 Ом для контроля тока через лампу) а на управляющую сетку лампы через дополнительный резистор подается отрицательное напряжение от отдельного выпрямителя. При автоматическом смещении в цепь катода включается дополнительный резистор небольшого сопротивления (в схеме резистор R6). При этом ток, проходящий через лампу, создает на этом резисторе небольшое напряжение, которое увеличивает потенциал катода относительно «земли». Поскольку сетка лампы соединена с «землей» через резистор (R2), то на сетке получается отрицательный потенциал относительно катода лампы (не относительно земли, а именно относительно катода). Таким образом нужное напряжение смещения создается автоматически. Если начинает возрастать ток через лампу, одновременно увеличивается и падение напряжения на катодном резисторе, и лампа немного более закрывается, ограничивая ток. Преимуществом автоматического смещения является простота конструкции, недостатком –потеря мощности лампы. Ввод в цепь катода лампы резистора создаѐт местную отрицательную обратную связь по переменному току, которая сильно уменьшает усиление лампы. Для устранения этой обратной связи параллельно резистору включается конденсатор большой емкости (С2). Входной сигнал звуковой частоты усиливается первой лампой и с ее анода через разделительный конденсатор (С5) подается на сетку выходной лампы. Выходной каскад собран на лампе 6П1П c фиксированным смещением. Сигнал от предварительного усилителя поступает на управляющую сетку (вывод 7). Одновременно сюда же через резистор R9 подается напряжение смещения от блока питания (регулируется подстроечным резистором блока питания). Катод лампы подключен к минусу питания (земле) через резистор (R12) - 1 Ом (служит для контроля тока, проходящего через лампу – оптимальный для данной лампы 42 - 45 мА). Усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) с выхода на вход усилителя. Это цепь (R4), (R7) и (R8). Резистором (R7) можно регулировать глубину обратной связи. При уменьшении глубины ООС увеличивается усиление всей схемы, но возрастают нелинейные искажения. При увеличении глубины ООС, наоборот уменьшаются искажения, частотная характеристика становится более линейной при снижении общего усиления схемы.

Второй вариант базовой схемы построен с использованием автоматического отрицательного смещения на выходной лампе 6П1П. Этот вариант схемы отличается реализацией смещения выходной лампы. Для реализации автоматического отрицательного смещения на сетке выходной лампы резистор 1 Ом в катодной цепи заменен резистором на 270 Ом (1 – 2 ватта). Параллельно резистору добавлен электролитический конденсатор большой ѐмкости (C5) (для устранения обратной связи). Сеточный резистор (R9) подключен к «земле» (вместо источника напряжения смещения в предыдущей схеме). Положительной стороной такого схемотехнического решения, является отсутствие дополнительной обмотки смещения в блоке питания (Приложение лист IV, рис. 17).

Третий вариант базовой схемы построен с использованием автоматического отрицательного смещения на выходной лампе – пентоде 6П14П (EL 84). У этой лампы большая крутизна характеристики чем у 6П1П, и как следствие, больший коэффициент усиления. Схема для лампы 6П14П отличается только номиналом резистора автоматического смещения (R11). Здесь его сопротивление 120 Ом (справочные данные) (Приложение лист IV – V, рис. 18 – 19).

Для всех вариантов можно применить однотипный источник питания. Анодный выпрямитель имеет типичную схемотехнику. Диодный мост собран на любых подходящих по току и напряжению диодов (КД206, 1N4007 и других). Можно применить готовый диодный мост. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются пассивным фильтром, состоящим из конденсаторов (С2), (С4) и дросселя (L1) (можно заменить на обычный резистор сопротивлением  22 — 24 Ом и мощностью не менее 5 Вт). Вцепи накала ламп используется переменное напряжение 6,3 В. Параллельно проводам цепей накала включен подстроечный резистор (R1), позволяет минимизировать наводки от цепей накала с частотой 50 Гц (Приложение. лист V, рис. 20). В случае использования первого варианта базовых схем с ручной подстройкой отрицательного смещения на сетке выходной лампы, потребуется источник отрицательного напряжения. Для этого используется стабилизатор напряжения (входное напряжение с силового трансформатора 24В, выходное стабилизированное отрицательное напряжение -22В). В схеме стабилизатора можно применить любой диодный мост с соответствующими параметрами и любой транзистор средней мощности (BD140, КТ814, КТ817) PNP типа. Цепочка стабилитронов в базовой цепи транзистора должна быть на суммарное напряжение 22 вольта. Подстроечный резистор служит для регулировки напряжения смещения и соответственно тока покоя выходной лампы (Приложение лист V, рис. 21).

Экспериментальный однотактный монофонический усилитель на выходном пентоде 6П14П (EL 84) [8]

Экспериментальный однотактный монофонический усилитель на выходном пентоде 6П14П (EL 84) строился по обычной схеме с использованием автоматического отрицательного смещения на выходной лампе (Приложение лист VI – VII, рис. 22 – 24). Отличием является, использование лампы 6Н2П для построения двух каскадов предварительного усиления. Номинальная выходная мощность усилителя на частоте 1000 Гц при коэффициенте нелинейных искажений 3% составляет 2 Вт. Диапазон частот, воспроизводимых усилителем 50 - 14000 Гц, Чувствительность входа при номинальной выходной мощности — 250 мВ. Вход усилителя нагружен на потенциометр (R1), который выполняет функцию регулятора громкости. Сигнал с потенциометра (R1) через регулятор тембра (C1, R2, С2, R3, R4) подается на управляющую сетку первого триода лампы 6Н2П. Регулятор тембра необязателен и многие конструкции ламповых усилителей его не имеют, предпочитая естественный спектр звучания. В верхнем положении потенциометра (R2) осуществляется подъем высоких частот, поступающих на управляющую сетку лампы через конденсатор небольшой емкости (С1), в нижнем положении потенциометра высокие частоты срезаются конденсатором (С2). Нагрузкой первого каскада усилителя служит резистор (R5). Резистор автоматического смещения (R7) в катодной цепи не блокируется конденсатором, благодаря чему создается цепь отрицательной обратной связи по току, с целью улучшения характеристик усилителя. Второй каскад усилителя собран на втором триоде лампы 6Н2П. На управляющую сетку этой лампы усиленный сигнал подается с анода первой лампы через разделительный конденсатор (С4). Выходной каскад, являющийся усилителем мощности, собран на лампе 6П14П. Связь между предварительным и выходным каскадами осуществляется с помощью последовательно включенных конденсатора (С5) и резистора (R14), который предотвращает самовозбуждение усилителя. Смещение на управляющую сетку выходной лампы обеспечивается за счет падения напряжения на резисторе (RI2), по которому протекает постоянная составляющая анодно-экранного тока. По низкой частоте резистор заблокирован конденсатором (С6) большой емкости. Согласование нагрузки с анодной цепью лампы 6П14П осуществляется с помощью трансформатора (Тр. 1), вторичная обмотка которого, нагружена на динамики (общее сопротивление 4 Ом). Питание усилителя осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В с помощью выпрямителя, выполненного по мостовой схеме. Силовой и выходной трансформаторы использовали от старой ламповой аппаратуры. Потребляемая мощность усилителя составляет 50 Вт.

Экспериментальный однотактный (класс А) стереофонический усилитель на лучевом тетроде 6П1П с автоматическим отрицательным смешением сетки выходной лампы [9-11]

Вариант экспериментального усилителя построен на основе базовой схемы с использованием автоматического отрицательного смещения на выходной лампе 6П1П. Отрицательное смещение лампы предварительного усилителя организовано посредством цепи обратной связи. Условием изготовления усилителя был полный отказ от применения полупроводников. Поэтому в схеме питания усилителя применѐн ламповый диодный выпрямитель на параллельных лампах 6Z4. Лампы достаточно малого размера, в отличие от 5Ц4С и подобных, и удобны, с точки зрения эстетики усилителя. Силовой трансформатор и выходные трансформаторы, приобретены на Китайском торговом сайте (под выходную лампу 6П1П и номинальную потребляемою мощность 60 - 70 Вт. Усилитель построен по схеме с отсутствием регулятора тембра, с целью воспроизведения естественного музыкального спектра. Номинальная выходная мощность усилителя на частоте 1000 Гц при коэффициенте нелинейных искажений 2 - 3% составляет 4 Вт. Чувствительность входа при номинальной выходной мощности — 250 мВ. Принципиальная и монтажная схемы усилителя представлены в приложении (Лист VII – IX, рис. 25 – 28).

Исследование выходных характеристик усилителя с помощью осциллографа [12-13] 1.Контроль уровня выходного сигнала осциллографом

Подключив осциллограф к входу усилителя, можно наблюдать поданный звуковой сигнал (Приложение лист IX, рис. 29). Прохождение этого сигнала можно увидеть и на сетке выходной лампы, визуально оценив величину усиления сигнала. Собственный шум усилителя можно наблюдать на экране осциллографа, при подключении его к выходу усилителя без подачи звукового сигнала (Приложение лист IX, рис. 30). Субъективно оценить качественные показатели усилителя, можно наблюдая на экране осциллографа за поведением синусоиды замкнутого состояния входа усилителя. При добавлении громкости синусоида должна иметь минимальные искажения, возрастая при этом по амплитуде (Приложение лист X, рис. 31).

2. Измерение выходной мощности

Это один из основных параметров усилителя. Для измерения потребуется ряд приборов (генератор сигналов, осциллограф, вольтметр) (Приложение лист X, рис. 32). В качестве нагрузки применили последовательные сборки резисторов (1 Ом – 10 Вт, 4 резистора в сборке (4 Ом)). На вход усилителя (на оба канала) подали частотный сигнал генератора 1 кГц (стандартный для измерений). Регулятор громкости усилителя при этом, переводим в максимальное положение. Параллельно нагрузке подключаем вход осциллографа и вольтметр. Наблюдаем на экране осциллографа синусоиду выходного сигнала. Увеличивая уровень входного сигнала с генератора, наблюдаем за появлением на синусоиде видимых на глаз искажений. Появление их говорит о том, что коэффициент нелинейных искажений соответствует 5 – 10 %. Считаем эту мощность максимальной. Мощность рассчитаем по формуле: P=U x 2/R = 7,65 x 2 /4 = 3,8Вт.

3. Измерение амплитудно - частотной характеристики (АЧХ)

Отсутствие специальных измерительных приборов (анализатора спектра) позволило оценить АЧХ по субъективным показателям падения напряжения на выходе усилителя. Для измерения АЧХ усилителя нужно установить определенное напряжение на выходе усилителя (например, 3 В). Уменьшать частоту генератора в сторону низких частот до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя не упадет менее 2.0 – 2.1 В. Это будет нижняя граничная частота усилителя. Аналогично, увеличиваем частоту генератора в сторону высоких частот до падения напряжение на выходе усилителя (2.0 – 2.1 В). Это будет верхняя граничная частота усилителя. Измерения показали частотный диапазон примерно, 50 Гц – 16000 Гц.

Выводы

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

- изучены доступные литературные и интернет – источники по вопросам истории разработки электронной лампы и принципам еѐ работы, схемотехники ламповых усилителей, принципах их работы, особенностям конструкции и монтажа ламповой аппаратуры;

- на основе изученных литературных и интернет – источников разработаны схемотехнические решения построения простых ламповых усилителей из доступных электронных компонентов;

- на основе разработанных схемотехнических решений изготовлены экспериментальные образцы монофонического и стереофонического усилителей на выходных лампах 6П14П и 6П1П по схеме с автоматическим отрицательным смещением на сетке выходной лампы;