Розрахунок каскаду з навантаженням в аноді
Отже, реостатний каскад посилення з анодним навантаженням.
Найбільш наочним, простим і зручним, але в той же час і досить точним методом розрахунку лампового каскаду, є графічний метод з використанням динамічної характеристики (ДХ). Для лампи, що працює в усилительном каскаді ДХ це залежність анодного струму від напруги на сітці при наявності опору навантаження в анодному ланцюзі і сталості напруги анодного живлення. Вид динамічної характеристики залежить, зокрема, від характеру навантаження, але з метою спрощення будемо розглядати випадок, коли навантаження чисто активна, а швидкість зміни напруги на сітці дуже мала в порівнянні зі швидкістю протікання процесів в лампі [1].
Для розрахунку каскаду найзручніше використовувати вихідну динамічну характеристику.
На Рис. 1 наведено сімейство вихідних статичних характеристик тріода 6С5С. Для побудови динамічної характеристики необхідно задати два вихідних параметра - напруга джерела анодного живлення і опір анодного навантаження. Напруга анодного харчування, в принципі, може бути вельми високим, важливо лише, щоб в робочому режимі різниця потенціалів між анодом і катодом не перевищувала максимального значення, вказаного в довідниках. Опір анодного навантаження визначаються-ється декількома умовами: посиленням каскаду, допустимими спотвореннями, максимальним вихідним напругою і максимальним струмом анода лампи.
Відклавши на осі напруг величину напруги джерела живлення (А), на осі струмів величину (В):
і з'єднавши ці точки прямою лінією, отримаємо динамічну характеристику.
Робоча точка лампи вибирається, виходячи з необхідного зсуву на сітці, яке залежить від необхідного неспотвореного вихідної напруги. Слід, однак, пам'ятати, що чим нижче напруга на сітці щодо катода, тим в більш нелінійної області характеристик ми працюємо і тим вище спотворення. З досвіду конструювання підсилювальної техніки можна зробити висновок про мінімально необхідному зміщення, тобто такому, при якому максимальна амплітуда сигналу на сітці не перевищить величину Uco -0,5В.
У каскадах попереднього посилення опір анодного навантаження я, звичайно, намагаюся вкласти в діапазон (3-10) Rj, де Rj - внутрішній опір лампи. При цьому спотворення не великі [1], а коефіцієнт посилення досить високий.
Схема реостатного каскаду на тріоді 6С5С приведена на Рис. 2, а динамічна характеристика, розрахована для значень Ua = 300 В і Ra = 30 кОм, наведена на Рис. 1 (пряма АВ).
Напруга зсуву на сітці вибрано рівним -4 В, при цьому в точці спокою 0 струм анода дорівнює 5,1 mА, а напруга на аноді 147 В. Ця характеристика вірна для нескінченно малих частот в звуковому ж діапазоні опір розподільного конденсатора Сp дуже малий (т . Е. використовується відносно велика ємність, інакше отримаєте спад АЧХ на низах) і, тому по змінному струмі каскад навантажений не тільки на Ra, але і на паралельне йому Rc-опір сітки подальшого каскаду. Величина цього опору може бути різною (від десятків Мом для малопотужних ламп до десятків кОм для потужних вихідних). Його максимальна величина зазвичай вказана в довідкових даних потужних ламп і перевищувати її ні в якому разі не можна - через термоеміссіі сітки, що нагрівається випромінюванням катода, може розвинутися лавиноподібний процес наростання анодного струму і лампа вийде з ладу. Невелика величина цього опору знижує ЕРС термоеміссіі, не дозволяючи зростати по-потенціалів сітки і, тим самим обмежуючи саморозігрів лампи. Виходить, що опір анодного навантаження буде дорівнює величині
Тому для струму сигналу вихідна динамічна характеристика змінить свій нахил і буде проходити через точку спокою 0 і точку D по осі напруг. Цю точку можна визначити за формулою
У нашому випадку при Rc = 100 кОм виходить UaD = 264 В (пряма OD Рис. 1).
За побудованої нами ДХ можна визначити практично всі параметри каскаду:
1. Максимальна амплітуда вихідної напруги:
а. для негативної напівхвилі:
б. для позитивної напівхвилі:
2. Коефіцієнт посилення реального каскаду:
3. Орієнтовний коефіцієнт 2-й і 4-й гармонік при максимальній амплітуді сигналу:
де ЕО, FO, EF - довжини відрізків на ДХ [4]
4. Опір автоматичного зміщення в катоді лампи:
Таким чином, є всі вихідні дані для побудови каскаду. Величини ємностей визначаються наступним чином.
де fH - нижня гранична частота (-3 дБ)
6. Розділовий конденсатор.
де Мн - абсолютний спад АЧХ на нижній частоті (в разах).
7. Вхідна ємність каскаду:
де См - ємність монтажу (зазвичай 10-20 пФ)
Сcк - ємність сітка-катод лампи, вхідні
Cca - ємність сітка-анод лампи, прохідна
К - коефіцієнт посилення каскаду.
По суті, ми отримали повну картину роботи реостатного каскаду посилення на тріоді.
Якщо в якості підсилювального елемента застосовується екранована лампа (тетрод або пентод), то порядок і принцип розрахунку залишаються колишніми. Необхідно, лише врахувати, що для роботи екранованої лампи необхідно подати певний позитивний напруга на другу сітку. Для каскаду попереднього посилення цю напругу легко подавати через резистор від джерела анодного живлення, розрахувавши його величину за формулою:
де Uс2 - напруга на другий сітці для обраного режиму (для малопотужних пентодов зазвичай становить 50-150 В),
Ic2 - струм другої сітки в робочій точці (визначається за характеристиками лампи, які наводяться в довідниках).
Для правильної роботи пентода напруга на другий сітці повинно бути постійним щодо катода, але, оскільки, при зміні напруги на аноді, струм другої сітки істотно змінюється, то її необхідно зашунтувати на землю конденсатором ємністю
Слід врахувати, що формула (6) для оцінки величини спотворень каскаду для пентода дає суттєву помилку через сильний відмінності його характеристик від квадратичної, а тому розрахунок нелінійності слід проводити методом "п'яти ординат" [1], [2]. До речі, результати такої оцінки мають досить високим ступенем достовірності і добре узгоджуються з численними практичними даними, отриманими мною.
При розрахунку каскаду НЕ буде зайвим перевірити в наскільки важкому режимі працює лампа.
Про максимальна напруга на аноді я вже згадував, таким чином Uao має бути менше, ніж Ua max, вказане в довідниках. Правда, тут є одна тонкість. Якщо у вашому випрямлячі харчування застосовані напівпровідникові діоди, то повне напруга живлення з'являється практично відразу після включення пристрою в мережу. Катод лампи, особливо підігрівний, не встигає розігрітися до нормальної температури і в перший момент після включення внутрішній опір лампи дуже високо. А це означає, що всю напругу джерела живлення буде докладено до анода лампи, ще не прогрітій. Таке "жорстоке поводження з твариною" різко скорочує термін служби приладу.
Тому, якщо у вас в пристрої не передбачена затримка включення анодного харчування на 1-2 хв. після включення напруження, що не вибирайте анодное харчування вище максимального анодного напруги застосованих ламп. Інакше, по відношенню до ламп, це буде просто варварством.
Потужність розсіювання на аноді можна визначити за формулою:
Ця величина в жодному разі не повинна перевищувати максимум, обов'язково вказується в довідкових даних. Навіть незначне перевищення веде до різкого зростання температури анода і балона, газовиділення зі скла і внутрішньої арматури і, в результаті, до отруєння катода і загибелі лампи.
Бажано також перевірити теплові режими резисторів каскаду. Потужність розсіювання на анодном резисторі становить:
Для звукової техніки бажано застосовувати резистори з 2-5 кратним запасом по потужності, оскільки додатковий нагрів збільшує наведений шум резисторів і нелінійність опору від прикладеної напруги. Ці ефекти в найбільшою мірою характерні для металоплівкових резисторів, в найменшій - для дротяних і бороуглеродних.
Якщо реостатний каскад застосовується в якості драйвера для потужного вихідного каскаду на сучасних модуляторні лампах типу RB300-3CX, що володіють високими значеннями коефіцієнта посилення ц і крутизни S, то для оцінки можливості роботи драйвера на сітковий ланцюг такої лампи на верхніх частотах необхідно при побудові ДХ, при розрахунку максимальної амплітуди вихідної напруги врахувати наступне: висока динамічна вхідна ємність такої лампи (від 80 до 120 пФ для різних екземплярів) створює додаткове навантаження для анодному ланцюзі. Тому при побудові ДХ слід величину Rc вважати близькою до
де Cвх - вхідна динамічна ємність потужної лампи і, виходячи з цієї орієнтовною величини, будувати ДХ. Строго кажучи, в цьому випадку ДХ є вже не прямий, а еліпсом і точний розрахунок напруг і струмів в цьому випадку більш складний і детально розібраний в [1-3].
Багато питань викликає і визначення оптимального положення робочої точки лампи. З одного боку, небажано вибирати зміщення занадто великим, бо в цьому випадку лампа буде працювати в нелінійній області характеристик; а з іншого - неприпустимо, щоб амплітуда сигналу перевищувала величину зсуву, тому що з'являється в цьому випадку сітковий струм, сильно спотворить форму вхідного сигналу. У той же час, лінійність лампи зростає в міру зростання анодного струму або наближення напруги зсуву до Про В. За винятком особливих випадків, коли потрібно штучно збільшити нелінійність каскаду, наприклад, для компенсації спотворень вихідної лампи, я можу рекомендувати як можна менше зміщення, але так, щоб сітковий струм не виникало ні за яких робочих умовах.
Кілька слів про шляхи зниження фону в каскадах, загострення яких живиться змінним струмом. Існує ряд схем (Рис. За, б), призначених для зменшення фону. Схема на Рис. За використовується для роботи з лампами прямого напруження (УО186, 300В, 2АЗ. SV-572 і ін.). В цьому випадку переміщенням движка резистора (обов'язково дротяного, високої якості, бо через нього замикається ланцюг сигналу на землю) домагаються найменшого значення фону на виході каскаду.
Схему на Рис. 3б рекомендується застосовувати для вхідних каскадів, а на Рис. Зв для драйверних. При цьому можна домогтися напруги фону, наведеного до сітки лампи всього 5-12мкВ, що цілком достатньо для більшості схем підсилювачів, (крім RIAA-коректорів і мікрофонних каскадів).
І, нарешті, до питання про усунення ламп. Існують два способи організації зміщення на сітку: фіксоване зміщення, коли негативна напруга заводиться на сітку від окремого джерела (Рис. 4), і автоматичне, за рахунок падіння напруги від струму, що протікає в ланцюзі анод-катод на резисторі в ланцюзі катода (Рис. 2 ). Як відомо, найчастіше застосовують другий спосіб. Він всім хороший, крім двох моментів:
а) По суті справи, опір в катоді організовує місцеву ООС по току, що знижує посилення каскаду і збільшує його вихідний опір. Іноді це буває корисно, але далеко не у всіх випадках. Крім того, як і в будь-якому пристрої з ОС можуть (підкреслюю - можуть, але не повинні) виникнути проблеми зі стійкістю і зміною спектра внесених каскадом спотворень. Як би широкосмугового ця ОСС була, вплив на вищі гармоніки у неї менше, ніж на нижчі. Особливо це помітно в каскадах на лампах з високим внутрішнім опором.
б) Зазвичай, для зняття частини проблем (зниження посилення і зростання вхідного опору) бідний катодний резистор шунтируют великий ємністю. Все було б добре, якщо б не одна маленька неприємність - через цю ємність протікає вся змінна складова струму сигналу і таким чином безліч негативних властивостей конденсаторів спокійнісінько впливає на звуковий сигнал. У тому числі і тому панове Н. Kondo і Н. Riechert в своїх конструкціях (Ongaku, Niero і т.д.) не шунтируют катодні резистори вхідних ламп.
А ось спосіб фіксованого зсуву, хоч і менш поширений (через незручності, викликаного додатковим джерелом негативного напруги) цих недоліків не має. Крім того, він дозволяє в дуже широких межах змінювати режим роботи лампи, тобто переміщати робочу точку по всій довжині ДХ. Єдиний недолік фіксованого зсуву (зрозуміло, крім додаткового джерела) полягає в застосуванні додаткового конденсатора в ланцюзі сітки лампи. Але ж набагато легше підшукати хороший конденсатор малої місткості, ніж такий же за якістю - великий і найчастіше електролітичний.
Це дуже схематична і коротка картина роботи реостатного каскаду не претендує на повноту і академічність, але і те небагато, що було сказано, переконає вас, що навіть такий простий пристрій несе в собі тисячі підводних каменів і проблем, нехтування і незнання яких ведуть в темні тупики аудіо-пекла.
1. Войшвилло Г. В. Підсилювачі низької частоти на електронних лампах.
М. Связьиздат, 1963
2. Марк М.Г Підсилювачі високої і низької частоти. Госенергоіздат, 1932
3. Лампові підсилювачі, т.1. т.2, пров. з англ. М. Радянське Радіо, 1950, 1951
4. Берг А.І. Основи радіотехнічних розрахунків, ч.1, ч.2. Л. Вид. ВМА, 1928