Материалы с сайта "NextTube"
Евгений Карпов (ekarNOSPAM@next-power.net)
Зачем это нужно?
Существует несколько причин, по которым не удастся обойти этот этап работы, если Вы хотите построить ламповый усилитель с хорошим качеством звука.
Причина первая.
К сожалению, любители часто используют лампы из случайных источников с неизвестным качеством. И даже если Вы взяли несколько новых ламп из одной коробки, это не является полной гарантией качества.
Я был крайне удивлен, когда отбирая новые лампы 6П36С в триодном включении и беря их из заводской коробки, обнаружил отклонение характеристик у некоторых ламп процентов на 300 от остальных. Общее соотношение получилось следующее – один "инвалид" на двенадцать нормальных ламп. Может, мне крупно не повезло, но навело на мысли, в результате которых появилась эта статья.
Поэтому не пожалейте времени и снимите характеристики имеющихся у вас ламп. Это позволит отбраковать лампы, которые неисправны или имеют существенно отличающиеся от типовых характеристики, что избавит Вас от массы хлопот в будущем.
Не имея соответствующего оборудования, эта работа может занять довольно много времени, но в результате у Вас образуется база данных имеющихся ламп. Далее я покажу (и предложу инструмент), что наличие такой базы данных существенно поможет Вам при подборе ламп для конкретных устройств и расчете их параметров.
Причина вторая.
Для двухтактных и полностью балансных усилителей процедура снятия характеристик становится обязательной, не надейтесь получить высокое качество, не подобрав лампы в пары. В какой-то степени, вопрос подбора ламп затрагивает и схемы, где используется их параллельное включение. Возникающая изломанность проходной характеристики при не подобранных лампах мало способствует хорошему звуку. Редко, когда включают больше двух, трех ламп параллельно, поэтому эффект стохастического сглаживания характеристик больше относится к области теории [1].
В большинстве статей, посвященных двухтактным усилителям, упоминается о необходимости подбора выходных ламп, но по каким критериям их подбирать и с какой точностью, ничего не говорится. Поэтому на вопросе подбора ламп я хочу остановиться более подробно.
В статье Джона Атвуда [2] (John Atwood) (перевод этой статьи был опубликован в журнале "Вестник АРА") достаточно подробно рассмотрена процедура подбора пар, но, на мой взгляд, некоторые затронутые там вопросы требуют уточнения и разъяснения.
По каким параметрам следует проводить отбор.
Характеристики для подбора должны быть объективными и поддаваться точным количественным измерениям. Такие параметры лампы, как крутизна S и усиление µ, мало подходят как критерий подбора. Эти величины измеряются для одной точки на характеристиках и существенно зависят от режима работы лампы.
В выше упомянутой статье были введены такие дополнительные характеристики подобранных ламп, как выходная мощность и ток покоя. Однако оба эти параметра косвенно характеризуют идентичность ламп.
Наиболее полно лампа характеризуется анодными характеристиками.
Рассмотрим реальную ситуацию.
На рисунке 1 показаны реальные анодные характеристики двух триодов, предназначенных для работы в двухтактном каскаде в режиме "АВ1". Ток покоя каскада, например, составляет 20мА, и для этой точки вычисленные значения S и µ следующие:
Tube 1 - Ug=-20.0V Ip=19.6mA Ri=2.22kOhm S=3.3mA/V Mu=7.3
Tube 2 - Ug=-20.0V Ip=19.7mA Ri=2.46kOhm S=3.2mA/V Mu=7.9.
Отклонение значения S в этой точке составит 3.1%, а µ - 7.5%. Численные параметры выглядят приемлемо, но, посмотрев на характеристики, вряд ли можно назвать эти лампы хорошей парой.
Источник - http://www.next-power.net/next-tube/articles/Tube/tube.html
Комментарии
Максимальная величина
Максимальная величина разброса между характеристиками для этой пары ламп составляет 36%. Путем подстройки режимов работы каскада разброс можно уменьшить процентов до 20.
Обратите внимание, что возможность балансировки двухтактного каскада путем изменения напряжения смещения и амплитуды возбуждающих напряжений во многом зависит от вида анодных характеристик ламп. Если Вы проведете на рисунке 1 воображаемую линию нагрузки, становится понятным, что условия симметрии каскада для каждой точки динамической характеристики различны ввиду того, что характеристики используемых ламп расходятся веером.
Более благоприятный случай, когда характеристики используемых ламп приблизительно параллельны и смещены друг относительно друга. Тогда подстройкой напряжения смещения можно обеспечить хорошую симметричность каскада.
Поэтому подбор пар ламп для двухтактного каскада целесообразно проводить непосредственно по анодным характеристикам. Использование такого метода имеет два существенных преимущества. Во-первых, обеспечивается высокая точность и однозначность подбора ламп, во-вторых, анализируя характеристики, можно сделать вывод о возможности уменьшения асимметрии плеч каскада подстройкой режимов работы.
Конечно, существует и недостаток – высокая трудоемкость.
Теперь следует выяснить, какой разброс параметров ламп является допустимым и на что он влияет. Для этого обратимся к теории работы двухтактного каскада [3].
Подавление пульсаций питающего напряжения.
Уровень фона, генерируемый выходным каскадом, характеризуется коэффициентом фона КH, который определяется следующим соотношением:
где Idm– ток выходного каскада, соответствующий номинальному уровню сигнала, IHdm– ток выходного каскада, вызванный наличием пульсаций. Если опустить промежуточные преобразования, значение КH определится выражением
где dS = S1-S2 – разброс крутизны ламп, S – средняя крутизна ламп, USm– амплитуда сигнала на сетках, UHSm– амплитуда пульсаций, приведенная к сеточной цепи, UHPm– амплитуда пульсаций в анодной цепи, µ- коэффициент усиления. Как Вы видите, коэффициент фона непосредственно зависит от величин крутизны ламп в точке покоя и при полной симметрии равен 0. Выражение (2) удобнее представить в виде
Для нашего примера получим следующие результаты:
Зададим желаемый коэффициент фона КH=0.0001 (-80db)
Подставив эти значения в (3) получим, что величина
не должна превысить 0.06V.
Распределение уровней амплитуд пульсаций между сеточной и анодной цепями зависит от схемы каскада и Вашего желания (как правило, доля анодных пульсаций составляет 70 - 80 % ). Формула (3) полностью справедлива для триодов, для экранированных ламп в скобках должен присутствовать третий член, учитывающий пульсацию напряжения на экранирующих сетках [4].
Попутно хочу обратить Ваше
Попутно хочу обратить Ваше внимание на то, что в двухтактном каскаде существует эффект модуляции выходного сигнала пульсациями, заключающийся в возникновении в выходном сигнале комбинационных частот, равных
, 
….., где fs - частота сигнала, fr - частота пульсаций напряжения питания. Его возникновение объясняется нелинейностью характеристик ламп и существует даже в полностью симметричном каскаде [5].
На слух эффект вторичной модуляции воспринимается как нелинейные искажения. Поэтому необходимо, задавшись коэффициентом вторичной модуляции, определить допустимый уровень пульсаций питающего напряжения. При расчете источника питания пользуются меньшим из двух полученных значений.
Нелинейные искажения.
Разброс статических характеристик ламп приводит к разным наклонам динамических характеристик анодных токов и, соответственно, к неполной компенсации четных гармоник.
Точный расчет значений коэффициента гармоник сильно затруднен, но используя ряд упрощений, можно получить оценочные значения, исходя из максимального разброса статических характеристик. Коэффициент гармоник KDбудет равен
Это значение относится ко второй гармонике.
Задавшись максимальным разбросом крутизны в 5%, 10% и 20%, вычислим значение KD.
KD(5%)=2,1%; KD(10%)=4,2%; KD(20%)=8,4%
(продолжение следует)
Дополнительные
Дополнительные факторы.
Асимметрия ламп влияет не только на нелинейные искажения и подавление пульсаций напряжения питания. В результате асимметрии в области высших частот возникают фазовые искажения, увеличивающие амплитуды комбинационных тонов при усилении многочастотного сигнала.
Непосредственно на коэффициент гармоник они не влияют, но существенно ухудшают качество звука.
Максимально допустимая асимметрия по фазе составляет 5-8°.
При этом значение коэффициента комбинационных частот составит 3-6% [4]. Не забудьте, что в величину асимметрии по фазе входит и асимметричность фаз возбуждающих напряжений.
Подведем итог.
По приведенным выше формулам Вы сможете предварительно оценить, как повлияет разброс имеющихся у Вас ламп на параметры усилителя, или какая точность необходима для получения желаемых результатов.
При выборе допустимого значения асимметрии следует учитывать режим работы выходного каскада и глубину обратной связи, которой он охвачен.
Если выходной каскад работает в режиме "А", влияние асимметрии на качественные показатели существенно меньше, чем в классе "B".
Введение отрицательной обратной связи уменьшает влияние асимметрии приблизительно пропорционально ее глубине.
Следовательно, при работе выходного каскада в классе "А" и глубине обратной связи 8 - 12 db вполне допустима асимметрия 15 - 20%. Если выходной каскад работает в классе "B", при той же глубине обратной связи допустимая асимметрия не более 5- 10%.
Такой выбор значения величин асимметрии позволит Вам реализовать усилитель с коэффициентом гармоник 0.8 - 2%. Лампы, подобранные с точностью 5% и выше, будут хороши для очень качественного усилителя с уменьшенной глубиной обратной связи (7 - 8 db).
При изготовлении эксклюзивных усилителей в действие вступает правило - чем точней, тем лучше. Однако следование этому правилу требует наличия большого числа ламп одной партии производства (лампы из одной партии обеспечивают меньший "разбег" характеристик при эксплуатации).
Как это сделать?
Если у Вас есть характериограф, позволяющий одновременно наблюдать характеристики двух ламп, дальше можете не читать. Но, к сожалению, большинство любителей ламповой техники лишены этого чудного прибора, и поэтому вернемся к дедовским методам - более трудоемким, но не менее точным.
Итак, Вы сняли анодные характеристики имеющихся у Вас ламп и получили наборы численных значений. Сразу возникает вопрос, что с ними делать. Если ламп не много, то можно вручную построить графики или воспользоваться, например, программой Excel (стандартные средства Excel строят графики весьма своеобразно) и оценить качество ламп. Но если ламп несколько десятков и вы хотите получить количественные характеристики по параметрам ламп и их разбросу, начинаются проблемы.
Специально для этого случая я написал небольшую программу Comp.p , позволяющую быстро и эффективно решить поставленные задачи (это обещанный ранее инструмент).
Программа реализована в виде функции Matlab и предназначена для визуализации экспериментальных данных и подбора пар ламп любых типов. Для проведения вычислений используются не какие- либо виды моделей ламп, а только введенные данные.
Программа позволяет:
Программа очень проста в использовании и снабжена простым, интуитивно понятным интерфейсом.
Требования к знанию Matlab минимальные, а именно: запустить окно управления Matlab и указать путь к каталогу, где находится сама программа и файлы данных (более подробная информация об установке, запуске, формате входных данных и выборе режимов работы программы находится в файле ChelpRU.txt).
Чтобы Вы могли использовать программу более эффективно и избежать ошибок, я опишу алгоритмы, которые используются при вычислениях.
1. Построение анодных
1. Построение анодных характеристик.
Построение анодных характеристик производится путем интерполяции введенных отсчетов тока и напряжения для каждого значения сеточного напряжения.
Интерполяция производится только в диапазоне введенных данных кубическим сплайном. Использование сплайн-интерполяции на гладких кривых обеспечивает высокую точность при небольшом количестве узловых точек (вполне достаточно 4 - 5 пар отсчетов напряжение - ток для одного значения сеточного напряжения).
2. Вычисление основных параметров лампы.
Программа позволяет вычислить крутизну - S, коэффициент усиления -µ , и внутреннее сопротивление Ri исследуемой лампы. Вычисление параметров производится по стандартным формулам:
где ΔIp - приращение анодного тока, ΔUp - приращение анодного напряжения, ΔUg - приращение напряжения управляющей сетки. Для вычисления значения S необходимо иметь величину ΔUg, но в программе используются только те значения сеточного напряжения, которые есть в исходных данных. Поэтому расчет для кривых, соответствующих максимальному и минимальному значению сеточных напряжений, невозможен, и эти значения сеточного напряжения исключены из диалога выбора.
Промежуточные значения Up и Ip получают путем интерполяции введенных данных. Для получения приемлемой точности желательно снять анодные характеристики при 6 - 7 значениях сеточного напряжения. Если данных для расчета недостаточно, будет выведено предупреждение.
2. Подбор пар ламп.
Сравнение происходит следующим образом. Каждая лампа сравнивается с каждой. Для сравниваемой пары ламп вычисляется погрешность между характеристиками, соответствующими одинаковым сеточным напряжением, и запоминается. Из полученных промежуточных значений погрешностей для данной пары ламп выбирается максимальное. В результате получается одно число, характеризующее величину разброса и используемое для сравнения. Это очень жесткий критерий отбора, гарантирующий, что разброс не превысит заданного порога в любой точке характеристик.
Использованный метод сравнения накладывает одно ограничение: будут сравниваться только те лампы, у которых анодные характеристики сняты при одинаковых сеточных напряжениях (одинаковом наборе значений) и одного типа.
Анодные характеристики лучшей пары ламп выводятся на экран, а в управляющее окно Matlab выводится таблица, где лампы рассортированы по максимальному разбросу. Пример результата сравнения 10 ламп 6П3С (6L6G) в триодном включении показан на рисунке 2 и приведенной ниже таблице.
Tube 6P3C-T Triode 02-May-2002
Best pair is tubes 1 and 5, accuracy 7.25%
5% accuracy
None
10% accuracy
1
5
20% accuracy
2 7 7 9
9 9 10 10
Рисунок 2
Как Вы видите, пара довольно хорошая. Оперируя с числовыми значениями, выбрать такую пару самостоятельно будет сложно.
Количество сеточных напряжений, для которых производится подбор, может быть любым: чем точнее Вы хотите осуществить подбор, тем больше значений используйте. Как правило, достаточно четырех значений.
В программу можно загружать
В программу можно загружать одновременно лампы разных типов, в принципе, программе безразлично, какие характеристики интерполировать и сравнивать. При такой работе следует учитывать, что для осей координат градуировка определяется максимальными значениями анодного тока и напряжения, которые были обнаружены в процессе загрузки данных. Поэтому при загрузке ламп, сильно разнящихся по этим значениям, будет неудобно наблюдать графики. Есть еще одна особенность работы в "разно-типовом режиме": подбор производится для ламп с типом, совпадающим с типом лампы первой в списке.
Наличие базы данных ламп и использование описанной выше программы существенно облегчает процесс побора ламп не только для двухтактных и драйверных каскадов, но и сортировку ламп для каскадов предварительного усиления стереофонических усилителей.
Технические рекомендации
Если Вы снимаете характеристики ламп для их подбора, то целесообразно использовать описанную ниже методику.
Временно установите на шасси ламповые панельки по числу имеющихся ламп, если ламп много, то установите хотя бы штук 7 - 10.
Соедините их выводы в соответствии с рисунком 3. Для экранированных ламп - соедините третью сетку с катодом.
Установив нужные значения сеточных и анодных напряжений, измерьте анодный ток каждой лампы.
Перейдите к следующей точке на характеристике и.т.д.
Такой метод измерения позволяет исключить погрешности установки значений потенциалов электродов для разных ламп и значительно уменьшает необходимое время.
Конечно, необходимо использовать стабилизированные источники напряжений с защитой по току.
Резисторы R и конденсаторы C служат для подавления возможного самовозбуждения ламп. При испытании мощных "правых" ламп резисторы надо удалить, чтобы исключить погрешности, вызываемые сеточными токами. Также для уменьшения погрешностей используемый амперметр должен иметь минимальное падение напряжения.
Определенные проблемы может вызвать источник напряжения накала Vh. Для мощных ламп потребляемый ток достигает десятков ампер. Решением этого вопроса в домашних условиях может стать использование мощного накального трансформатора, подключенного к сети через бытовой феррорезонансный стабилизатор от старых телевизоров.
Проявляйте особую осторожность при снятии характеристик экранированных ламп.
При низких анодных напряжениях и напряжениях первой сетки больше или в районе нуля, ток второй сетки может вырасти до больших величин и повредить лампу (вплоть до отгорания выводов в мощных лампах, лично проверил, очень эффектно, но дорого). Поэтому я рекомендую снимать характеристики лампы приблизительно в области рабочих режимов и контролировать ток второй сетки.
Перед началом испытаний лампы надо прогреть на средних мощностях, долго хранившиеся лампы необходимо тренировать.
Заключение
Практически все ламповые усилители, проектируемые или изготовляемые в настоящее время, являются эксклюзивными устройствами, и их создатели желают получить от них эксклюзивные параметры. Поэтому не пренебрегайте возможностью улучшить параметры Вашего устройства тщательным отбором используемых компонентов, и затраченные усилия окупятся сторицей.
Литература
Источник - http://www.next-power.net/next-tube/articles/Tube/tube.html
Использованы материалы с сайта (с) "NextTube" (http://www.next-power.net) с разрешения автора проекта.