XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Конструирование двухтактного (класс В) лампового усилителя для домашнего высококачественного музыкального комплекса
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
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. 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 определённые 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. Причём 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. 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 прошлом учебном году, мы занимались конструированием простого лампового усилителя класса А (однотактный тракт). Продолжением данной работы является, разработка более сложной, с технической и конструкционной точки зрения, модели двухтактного усилителя класса В. В связи с выше сказанным, возникла гипотеза, возможно ли в современное время, используя недорогие компоненты, разработать и создать двухтактный ламповый усилитель, удовлетворяющий потребностям качественного звуковоспроизведения. Эта гипотеза легла в основу цели данной конструкторской работы.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является конструирование двухтактного лампового усилителя класса В из доступных и недорогих электронных компонентов, для домашнего высококачественного музыкального комплекса. Цель работы предполагала решение следующих задач:
- изучение литературных и интернет – источников по вопросам истории разработки электронной лампы и принципам её 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 двухтактного лампового усилителя для высококачественного музыкального комплекса;
- на основе разработанного схемотехнического решения изготовить двухтактный ламповый усилитель класса В с условием использования простых, доступных и дешёвых 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 неё, 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 её увеличению. Как правило в схемотехнических решениях применяется несколько каскадов усиления (как минимум два). Первый каскад является предварительным усилителем, поднимая значение амплитуды сигнала до приемлемого уровня управления сеткой выходной лампы. Но принципиально, любой каскад, построенный на лампе, работает по одной схеме. При появлении на входе (управляющей сетке лампы) положительной полуволны, лампа корректно повторит её на выходе соответственно с большей амплитудой. Но когда положительную полуволну сменит отрицательная, лампа должна закрыться. Это приведёт к потере половины звуковой информации. Чтобы избежать подобного явления, делают смещение «нулевого» уровня входного сигнала в середину рабочего диапазона лампы. В результате этого при прохождении положительной полуволны на входе, лампа пропускает поток электронов (открывается) в большей степени, а при прохождении отрицательной полуволны начинает уменьшать поток электронов к аноду (закрываться) от среднего положения, но не закрывается совсем. По этой схеме работает усилительный каскад однотактного усилителя (класс A) (Приложение лист III, рис. 13). Большим достоинством подобной схемы является то, что вакуумный триод работает в середине своего рабочего диапазона и незамедлительно реагирует на изменения входного напряжения. Но у такой схемы очень низкий КПД (не превышает 30%) поскольку, при отсутствии сигнала на управляющей сетке лампа полуоткрыта и расходует энергию впустую, нагревая окружающее пространство. Поэтому, усилители подобного класса, как правило имеют небольшую мощность. Амплитуда выходного сигнала укладывается в рабочий диапазон триода, причем с запасом. По мере приближения амплитуды выходного сигнала к границам рабочего диапазона лампы, растут искажения, а при приближении к полностью открытому или полностью закрытому состоянию, этот рост резко увеличивается. Принципиальное решение этой особенности состоит в использования для обработки каждой полуволны входного сигнала отдельную лампу, включенную зеркально. В этом случае смещение в рабочую область лампы будет гораздо меньше, что повысит КПД усилительного каскада. Отказаться совсем от смещения нельзя, поскольку переходные процессы из закрытого состояния лампы в открытое требуют времени, что вызывает искажения сигнала. По этой схеме работают двухтактные усилители (класс В). Принципиальная схема двухтактного усилителя приведена (Приложение лист III, рис. 14 - 15). Из схемы видно, что постоянная составляющая анодного тока каждой лампы протекает через половину первичной обмотки выходного трансформатора (для упрощения объяснения взят триодный вариант выходных ламп). Направление тока в половинах обмоток выходного трансформатора, противоположно, и поэтому результирующее магнитное поле в сердечнике трансформатора оказывается равным разности полей, создаваемых током каждой лампы. При одинаковом числе витков половин обмотки и анодных токов ламп магнитные поля компенсируют друг друга и результирующее магнитное поле в сердечнике оказывается равным нулю. Это является одним из важных преимуществ двухтактной схемы. Отсутствие намагничивания сердечника постоянным током - постоянного подмагничивания - позволяет выбирать сердечник меньших размеров, чем для однотактной в усилителях с одинаковой выходной мощностью. Помимо этого, отпадает необходимость в зазоре в сердечнике. На сетки ламп Л1 и Л2 подаются (обычно с фазоинвертора) два одинаковых по амплитуде, но противоположных по фазе напряжения. Поэтому анодные токи ламп также изменяются в противофазе, из этого следует что, когда анодный ток одной лампы увеличивается, анодный ток второй лампы уменьшается (Приложение лист IV, рис. 16 а, б). Поскольку половины первичной обмотки выходного трансформатора включены встречно, то переменное магнитное поле в сердечнике оказывается пропорциональным арифметической сумме анодных токов (Приложение лист IV, рис. 16 в). Поэтому напряжение на вторичной обмотке выходного трансформатора будет вдвое больше напряжения, которое было бы при работе одной лампы. Если каждая из ламп двухтактной схемы развивает выходную мощность Р(вых.), то общая выходная мощность двухтактной схемы будет равна 2Р(вых.). Подобную мощность можно получить включением двух ламп параллельно, в однотактной схеме, однако двухтактная схема имеет целый ряд достоинств, важнейшими из которых являются отсутствие постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора; меньшие нелинейные искажения за счет отсутствия четных гармоник. В режиме класса В рабочая точка выбирается на нижнем сгибе сеточной характеристики ламп (Приложение лист IV, рис. 17). При этом анодный ток покоя лампы близок к нулю, поэтому через лампу протекает анодный ток только при положительных полуволнах входного напряжения. Режим класса В применим лишь в двухтактных схемах. В этих схемах лампы в плечах работают поочередно: во время одного полупериода входного напряжения анодный ток проходит через одну лампу, а во время другого полупериода - через другую лампу. Достоинством режима класса В является его высокий коэффициент полезного действия - до 60-75%. Следует иметь ввиду, что для усилителей режима В нельзя создавать смещение на сетки ламп с помощью сопротивлений в цепи катода. В результате этого часто используется смешанный режим работы выходных ламп АВ. Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами А и В. Напряжение смещения на управляющей сетке выбирают меньше, чем в усилителе класса В, но больше, чем в усилителе класса А (Приложение лист IV, рис. 18). Вследствие этого усиление слабых сигналов в этом режиме происходит в классе А, а сильных - в классе В. Нелинейные искажения в усилителе режима АВ незначительно выше искажений в режиме А, а коэффициент полезного действия значительно больше, особенно при больших амплитудах усиливаемого сигнала. Режим АВ используется только в двухтактных усилителях. Практическая схема двухтактного усилителя на двух лучевых тетродах (или пентодах) и рекомендуемые режимы оконечных двухтактных каскадов приведены в приложении (Лист V, рис. 19). Эта схема отличается от схемы (Приложение лист III, рис. 14 - 15) только способом создания смещения на управляющих сетках ламп. Важным элементом любого лампового усилителя является выходной трансформатор. Он необходим для согласования характеристик выходных ламп с параметрами акустических систем. Большинство акустических систем имеют сопротивление 4-8 Ом. На них подаётся небольшое напряжение и относительно большой ток. Лампы же, работают со сравнительно высокими напряжениями и небольшими токами. Чтобы обеспечить совместную работу этих элементов музыкального тракта и нужен выходной согласующий трансформатор. Этому трансформатору приходится работать во всей полосе звуковых частот, и к нему предъявляются очень высокие требования. Именно поэтому качественный выходной трансформатор спроектировать и изготовить намного сложнее, чем, к примеру, трансформатор блока питания, а его качество определяет качество звучания усилителя в большей степени, чем любые иные элементы схемы. Основная часть цены усилителя приходится на стоимость выходного трансформатора. Среди очевидных преимуществ усилителей класса А можно выделить:
• максимально короткий тракт, абсолютный класс «А»;
• одна лампа в выходном каскаде, не требуется подбор ламп в плече;
• значительная вторая гармоника даёт певучий звук;
• естественное соотношение между чётными и нечётными гармониками.
Преимуществами усилителей класса В и АВ являются:
• двукратное возрастание мощности;
• общее снижение фона и помех, поскольку лампы в плече взаимно их вычитают;
• меньшие требования к качеству выходных трансформаторов;
• способность работать с акустическими системами с более высоким сопротивлением.
Наряду с этими преимуществами, можно отметить ряд недостатков:
• необходимость подбирать парные лампы и балансировать режим их работы, поскольку при работе усилителя необходима строгая идентичность используемых в одном каскаде ламп. Чем в большей степени расходятся параметры ламп, тем хуже будет качество звучания;
• нарушение естественного соотношения между чётными и нечётными гармониками (что существенно обедняет звук);
• более затратная и усложнённая конструкция, поскольку ламп в схеме больше в два раза.
Электронные лампы, применённые в конструкции ламповых усилителей
В предварительном усилителе применяются в основном двойные триоды 6Н23П (или 6Н2П), ЕСС85. Эти лампы содержит в своей конструкции две отдельные лампы (двойной триод), что удобно при построении второго канала стереофонического усилителя или для построения двух каскадов предварительного усилителя (Приложение лист V, рис. 20). 6Н2П – наиболее распространённая лампа при конструировании предварительных каскадов усилителя. Прототипом для разработки её в Советском Союзе послужила американская радиолампа 12AX7WA. Для работы 6Н2П используется постоянное или переменное напряжение накала в диапазоне от 5,7 до 6,3 В. Занижение или завышение указанного параметра приводит со временем к разрушению катода. Триод 6Н2П предназначен для усиления напряжения низкой частоты. ЕСС 85 - двойной триод, предназначенный для усиления напряжения высокой частоты и генерирования в телевизионных приемниках и других радиотехнических устройствах. ЕСС 85 близкий аналог отечественной лампы 6Н23П и зарубежной 12АХ7. В оконечном каскаде применялись лучевой тетрод 6П1П, выходной пентод 6П14П (EL84) и 6П15П – ЕВ (как замена лампы 6П14П (EL84)) (Приложение лист VI, рис. 21 – 23). Для визуализации выходного сигнала применяли индикаторную лампу 6Е2П (EM84, EM87, 6Е2) (Приложение лист VII, рис.24.
Экспериментальные однотактные усилители (разработки прошлого года) [6 - 11]
1.Экспериментальный однотактный монофонический усилитель на выходном пентоде 6П14П (EL 84) [6 - 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 VII, рис. 25 – 26). 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.
2.Экспериментальныйоднотактный (класс А) стереофонический усилитель на лучевом тетроде 6П1Пс 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 применён 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, рис. 27 – 29).
Конструирование экспериментальных двухтактных усилителей мощности [10-12]
Результатом экспериментальной конструкторской работы было создание двух моделей двухтактных усилителей. Предварительные усилители собраны по типовой триодной схеме. Двойной триод в обоих случаях выполняет роль двухкаскадного предварительного усилителя. Вход усилителя нагружен на потенциометр, который выполняет функцию регулятора громкости. Сигнал с потенциометра подается на управляющую сетку первого триода. Второй каскад усилителя собран на втором триоде. В первом случае в качестве двойного триода используется импортная лампа ЕСС 85, во втором усилителе более дешёвая и распространённая лампа 6Н2П. Особенностью второй схемы является встроенный фонокорректор, позволяющий использовать прямой сигнал с магнитной головки магнитофона или звукоснимателя. Питание фонокорректора осуществляется стабилизированным напряжением накального трансформатора через высоковольтный анодный преобразователь. В качестве усилительного каскада используются электронные лампы HIFI6J5 (NE5532). Полный аналог, а по характеристике и звуковому восприятию гораздо лучше, 6Ж5П. Это высокочастотный миниатюрный пентод с короткой анодно-сеточной характеристикой. Предназначен для работы в схемах широкополосного усиления напряжения высокой частоты в усилителях с малым сопротивлением нагрузки. Резисторы автоматического смещения в катодной цепи предварительного усилителя не блокируется конденсатором, благодаря чему создается цепь отрицательной обратной связи по току, с целью улучшения характеристик усилителей. Выходной каскад, являющийся усилителем мощности, собран на лампах 6П14П (EL84) и, во втором случае 6П15П. Связь между предварительным и выходным каскадами осуществляется с помощью последовательно включенных конденсатора, и резистора, который предотвращает самовозбуждение усилителя. Смещение на управляющую сетку выходной лампы обеспечивается за счет падения напряжения на резисторе, по которому протекает постоянная составляющая анодно-экранного тока. По низкой частоте резистор заблокирован конденсатором большой емкости. Согласование нагрузки с анодными цепями выходных ламп осуществляется с помощью выходного двухплечевого трансформатора. Отличительной особенностью первой схемы является обеспечение работы анодных сетей ламп усилителя полупроводниковым стабилизированным источником питания, обеспечивающего два анодных напряжения 300 и 350 вольт. Такая схема питания полностью исключает фон переменного тока в выходном каскаде. Недостатком является более сложная и дорогая элементная база. Во втором случае применяется обычная типовая схема анодного питания с одним напряжением 350 вольт. Схемы индикаторных блоков типовые. Переменный резистор позволяет осуществить плавную подстройку индикатора по величине сигнала. В обоих случаях управляющий сигнал снимается с 8 - омной обмотки выходного трансформатора. Блок – схемы, электронные схемы и фотографии собранных двухтактных усилителей представлены в приложении (Лист VIII – IX, рис. 30 – 40).
Исследование выходных характеристик усилителя с помощью осциллографа [13-14]
1.Контроль уровня выходного сигнала осциллографом
Подключив осциллограф к входу усилителя, можно наблюдать поданный звуковой сигнал (Приложение лист X, рис. 41). 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 X, рис. 42). 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. 43).
2.Измерение выходной мощности
Это один из основных параметров усилителя. Для измерения потребуется ряд приборов (генератор сигналов, осциллограф, вольтметр) (Приложение лист X, рис. 44). 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 = 16,5 x 2 /4 = 8,5Вт.
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, 35 Гц – 18500 Гц.
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- изучены доступные литературные и интернет – источники по вопросам истории разработки электронной лампы и принципам её 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 двухтактных ламповых усилителей из доступных электронных компонентов;
- на основе разработанных схемотехнических решений изготовлены экспериментальные образцы стереофонических двухтактных усилителей на выходных лампах 6П14П (EL84), 6П15П по схеме с автоматическим отрицательным смещением на сетках выходных ламп;
- доступными средствами проведены исследования выходных характеристик изготовленных стереофонических двухтактных усилителей. Исследования показали, что несмотря на небольшую выходную мощность, усилители можно использовать в составе домашнего музыкального комплекса. Выходные параметры усилителей позволяют качественно прослушивать музыкальные произведения, воспринимая музыку в полном спектральном диапазоне.
Список литературы и интернет - источников
1.https://controlengrussia.com/retrospektiva/poyavlenie-elektronnyh-usilitelej/ - История усилителей и электронной лампы.
2.http://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/2135-elektronnye-lampy-istoriya-princip-deystviya.html - Электронные лампы - история, принцип действия, конструкция, применение.
3.https://overclockers.ru/blog/remont_accumulyatora_noutbuka/show/66746/pochemu-radiolampy-izobretennye-v-1904-godu-vse-esche-vypuskajutsya-i-v-chem-oni-prevoshodyat-tranzistory - Почему радиолампы, изобретенные в 1904 году, все еще выпускаются и в чем они превосходят транзисторы.
4.https://mirnovogo.ru/elektronnaya-lampa/ - Великие открытия человечества, электронная лампа.
5.https://www.hi-fi.ru/magazine/audio/entsiklopediya-lamp-amp/ - Энциклопедия ламповых усилителей — как они работают и почему нам нравится теплый звук?
6.https://musbench.com/all/se-tube-amplifier-6p14p-6p1p-6n23p/ - Ламповый усилитель.
7.М. Киреев, Радиолюбительский High-End. 40 лучших конструкций ламповых УМЗЧ за 40 лет. «Радиоаматор», Киев, 1999 г.
8.С. Л. Матлин, Радиосхемы (пособие для радиокружков), 1974г.
9.http://us3iat.qrz.ru/radio/1967/6p1p_pa/6p1p_pa.htm - Ламповый усилитель на лампе 6П1П.
10.http://www.radionic.ru/node/1057 - Ламповый калейдоскоп. Источник - Радиохобби, 2001 г., №2.
11.http://trzrus.ru/lamplf.htm - Ламповые усилители низкой частоты.
12.https://stereo.ru/p/m4h03-odnotaktnye-i-dvuhtaktnye-lampovye-usiliteli-osobennosti-zvuchaniya
13.http://radiobooka.ru/peredatchiki/09-05-09.phtml - Измерение параметров усилителя ЗЧ.
14.https://oldoctober.com/ru/tesr_power/ - Как измерить выходную мощность усилителя низкой частоты?
Приложение
Рис. 1. Джон Амброз Флеминг (1849 – 1945). Английский учёный в области радиотехники и электротехники. Известен как изобретатель лампы с термокатодом - первой электронной лампы, названной кенотроном или диодом.
Рис. 2. Лампа Флеминга.
Рис. 4. Лампа Либена.
Рис. 3. Роберт фон Либен (1878–1913). Австрийский предприниматель, инженер-физик, изобретатель. Изобрёл газонаполненный усилительный триод.
Рис. 5. Трубка Брауна.
Рис. 6. Карл Фердинанд Браун (1850 – 1918). Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1909 году. Изобретатель кинескопа.
Рис. 7. Ли де Форест (1873 – 1961). Американский изобретатель, имеющий на своём счету 300 патентов на изобретения. Изобрёл триод - электронную лампу, усиливающую электрический сигнал.
Рис. 9. Реклама ламп в радиотехническом журнале 1938 года.
Рис. 8. Патент на вакуумную лампу 1928 года.
Рис. 10. Принцип работы двухэлектродной лампы (диод).
Рис. 11. Принцип работы трёхэлектродной лампы (триода).
Рис. 12. Диаграмма звукового сигнала.
Рис. 14. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности (класс В).
Рис. 13. Принципиальная схема однотактного усилителя мощности (класс А).
Рис. 15. Принципиальная схема двухтактного усилителя на триодах.
Рис. 16. Анодные токи ламп в двухтактной схеме.
Рис. 18. Рабочая точка выходных ламп в усилителях класса АВ.
Рис. 17. Рабочая точка выходных ламп в усилителях класса В.
Рис. 19. Схема выходного каскада двухтактного усилителя на двух лучевых тетродах
Рис. 20. Электронные лампы предварительного усилителя.
Рис. 21. Выходной лучевой тетрод 6П1П.
Рис. 22. Лампа 6П14П — выходной пентод (полный аналог EL 84).
Рис. 23. Лампа 6П15П — выходной пентод.
Рис. 24. Индикатор выходного сигнала 6Е2П (EM84, EM87, 6Е2).
Рис. 26. Монтаж усилителя.
Рис. 25. Схема экспериментального однотактного (класс А) монофонического усилителя на
выходном пентоде 6П14П (EL 84).
Рис. 28. Шасси усилителя.
Рис. 27. Схема экспериментального однотактного (класс А) стереофонического усилителя на лучевом тетроде 6П1П с автоматическим отрицательным смешением сетки выходной лампы (один канал).
Рис. 29. Монтаж усилителя.
Рис. 30. Блок – схема первого варианта двухтактного усилителя.
Рис. 32. Основная плата усилителя.
Рис. 33. Стабилизированный блок питания.
Рис. 31. Электронная схема первого варианта усилителя.
Рис. 34. Фотографии собранного двухтактного усилителя.
Рис. 35. Блок – схема второго варианта двухтактного усилителя.
Рис. 36. Электронная схема второго варианта усилителя
Рис. 37. Основная плата усилителя.
Рис. 38. Электронная схема индикатора.
Рис. 39. Фонокорректор усилителя.
Рис. 40. Внешний вид второго варианта усилителя.
Рис. 42. Фоновый шум усилителя.
Рис. 41. Входной звуковой сигнал.
Рис. 43. При замыкании входа и добавлении громкости идеальная синусоида.
Рис. 44. Измерение параметров усилителя.