Ультралинейный усилитель

В. Лабутин

Пентод или триод ?

В течение многих лет этот вопрос постоянно волновал и радиолюбителя и радиоспециалиста при выборе схемы выходного каскада высококачественного усилителя низкой частоты. Малые нелинейные искажения и низкое выходное сопротивление, хорошо демпфирующее подвижную систему громкоговорителя, выгодно отличает триодный усилитель от пентодного. Однако высокая экономичность и небольшое напряжение возбуждения пентодов часто заставляли конструкторов жертвовать качеством усилителя.

Применение отрицательной обратной связи и высококачественных выходных трансформаторов позволило довести качественные показатели усилителей с пентодами или лучевыми тетродами в выходном каскаде до уровня триодных усилителей. Но введение обратной отрицательной обратной связи в усилители с триодами всегда позволяло еще более уменьшить и нелинейные искажения и выходное сопротивление. Проведенные работы по использованию в усилителях НЧ различных видов обратной связи привели в начале 50-х годов к неожиданному решению наболевшего вопроса.

Усилитель с распределенной нагрузкой

Давно практиковалось использовать пентоды и лучевые тетроды не только в обычной схеме включения (рис.1а), но и в триодном соединении (рис.1б). Различие этих схем состоит в том, что экранная сетка переключается с одного вывода первичной обмотки выходного трансформатора на другой вывод. Возникает вопрос: как будут изменяться характеристики усилителя, если плавно перейти от пентодного соединения к триодному, выполнив для этого первичную обмотку с достаточным количеством отводов и присоединяя экранную сетку поочередно к каждому из них? Как и следовало ожидать, все важнейшие показатели усилителя при этом плавно изменялись от характерных для пентодной схемы значений до значений, характерных для триодной схемы.

Рис. 1. Включение пентодов в триодном соединении	Рис. 2

На графике рис.2 приведен типичный ход зависимости максимальной выходной мощности Рвых, внутреннего сопротивления Ri и коэффициента нелинейных искажений Кн от "коэффициента распределения нагрузки" р, который выражается отношением:

р = Zэ / Zа

Zэ - сопротивление нагрузки, приведенное к той части первичной обмотки, которая включена в цепь экранных сеток.
Zа - сопротивление нагрузки, приведенное ко всей первичной обмотки.

Поскольку приведенное сопротивление прямо пропорционально квадрату числа витков, то коэффициент р можно также выразить формулой:

Wэ - число витков первичной обмотки, введенных в цепь экранной сетки.
Wа - полное число витков первичной обмотки.
Коэффициент р = 0 для пентодного соединения и р = 1 для триодного соединения.

Промежуточные значения коэффициента р соответствуют усилителю с распределенной нагрузкой, то есть присоединению экранной сетки к той или иной части первичной обмотки выходного трансформатора. Как видно из рис.2, по мере перехода от пентодного включения к триодному, т.е. по мере увеличения р от нуля до единицы, внутреннее сопротивление и коэффициент нелинейных искажений быстро уменьшаются, а выходная мощность Рвых сначала снижается незначительно. Таким образом, выбирая небольшое значение р можно существенно улучшить значения Ri и Кн при незначительном уменьшении выходной мощности.

Рис. 3. Изменение анодной характеристики лучевого тетрода при изменении коэффициента распределения

Все эти явления могут быть объяснены действием своеобразной отрицательной обратной связи. Но поскольку напряжение обратной связи прикладывается к другому электроду, то эффект здесь получается более сложный, чем в обычных схемах, когда напряжение обратной связи вводится в ту же цепь, в которой действует входной сигнал.

Обратная связь в усилителе с распределенной нагрузкой оказывается нелинейной и можно считать, что в усилителе работает совершенно новая лампа с другими статическими характеристиками. На рис.3 представлено видоизменение одной анодной характеристики лучевого тетрода при изменении коэффициента распределения.

Из этого рисунка видно, как характеристика из пентодной (р = 0) постепенно превращается в триодную (р = 1). Однако самый замечательный эффект наблюдается в случае, когда распределение нагрузки осуществляется в двухтактном усилителе, работающем в классе АВ1.

Зависимости выходного сопротивления и выходной мощности Рвых сохраняют прежний вид, а коэффициент нелинейных искажений при некотором оптимальном значении достигает минимального значения, не достижимого ни в случае пентодного включения, ни даже в случае триодного включения ламп (штриховая линия на рис.2).

Режим наименьшего значения Кн назван ультралинейным режимом. Характерно то обстоятельство, что в ультралинейном режиме сохраняется почти такой же КПД и выходная мощность, как при пентодном включении, а внутреннее сопротивление приближается к значению, свойственному триодному включению. Таким образом, лампа, работающая в ультралинейном режиме, оказывается лучше пентода и триода.

Усилитель с катодной связью

Дальнейшее улучшение характеристик ультралинейного усилителя достигается перенесением в катодную цепь той части первичной обмотки, которая вводилась в экранную цепь сетки (рис.4 вверху). Следует подчеркнуть, что с точки зрения распределения нагрузки между анодной цепью и цепью экранной сетки эта схема совершенно аналогична предыдущей. Однако теперь добавляется еще обычная линейная отрицательная обратная связь за счет введения напряжения с витков Wк в цепь управляющей сетки, что позволяет еще больше уменьшить выходное сопротивление каскада и нелинейные искажения.

Рис. 4	Рис. 5. Двухтактные схемы включения пентодов

Обычно перенесение всех витков Wк в цепь катода (рис.4 верхняя схема) приводит к очень сильной отрицательной обратной связи и необходимости резкого повышения напряжения возбуждения выходного каскада (до сотен вольт). При этом появляется опасность больших нелинейных искажений еще в предоконечной ступени. Поэтому часто в катодную цепь переносят лишь часть витков, сохраняя остальную часть их в анодной цепи (рис.4 нижняя схема).

Ради упрощения на рис.1, 4 изображены схемы однотактных каскадов. Практически же все эти схемы реализуются исключительно как двухтакные (рис.5). Типичные сравнительные данные рассмотренных схем усилителей, выполненных на лампе 6П3С, приведены в табл.1. Коэффициент демпфирования D, указанный в этой таблице, представляет собой отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению каскада:

D = Rн / Rвых

Таблица 1

Параметр	Триод	Пентод	Ультралин.	Ультралин. с катод. связью
Выходная мощность Рвых, Вт	7	20	16	16
Коэффициент демпфирования, D	3	0,05	1	2
Коэффициент нелинейных искажений Кн, %	1,5	5	0,7	0,4
КПД анодной цепи, %	25	38	36	36

Выходной трансформатор

К выходному трансформатору ультралинейных усилителей предъявляется ряд специфических требований, невыполнение которых сводит на нет все схемные преимущества. У любой обмотки трансформатора всегда имеется некоторая индуктивность рассеяния, обусловленная неполным сцеплением магнитных потоков обмоток. Кроме того, каждая обмотка трансформатора и внешняя цепь, присоединенная к ней, обладают паразитными емкостями.

Рис. 6а. Размещение обмоток трансформатора	Рис. 6б. Размещение обмоток трансформатора	Рис. 6в. Размещение обмоток трансформатора

Наличие этих индуктивностей и паразитных емкостей может привести к большим частотным искажениям в области высших частот, а при наличии отрицательной обратной связи даже к самовозбуждению, ибо создаваемые ими дополнительные сдвиги фазы могут на определенных частотах отрицательную обратную связь превратить в положительную. Поэтому индуктивности рассеяния и паразитные емкости обмоток выходного трансформатора ультралинейного усилителя должны быть сведены к минимуму.

Особенно опасны большие индуктивности рассеяния La1-э1, Lа2-э2 и емкостная связь между анодным выводом одного плеча и экранным отводом противоположного плеча первичной обмотки Са1-э2, Са2-э1. Для уменьшения емкостей надо так размещать половины первичной обмотки и их выводы, чтобы каждый отвод для экранной сетки располагался далеко от анодного вывода противоположного плеча. Далее, в случае секционирования, помогающего уменьшить индуктивности рассеяния, не следует разделять в разные секции экранные и анодные витки одного плеча первичной обмотки. Более того, рекомендуется в каждой секции первичной обмотки сохранять то же самое соотношение между числами экранных и анодных витков, какое принято для всей первичной обмотки.

Примеры правильного размещения обмоток выходного трансформатора приведены на рис.6. Для усилителей с выходной мощностью до 15-20 Вт простейшая из приведенных схем намотки дает хорошие результаты (рис.6а).

Поскольку индуктивности рассеяния возрастают с увеличением размеров выходного трансформатора, большую роль играет правильный выбор сердечника. Большой выходной трансформатор далеко не всегда работает лучше. Для того, чтобы при умеренных размерах сердечника обеспечить достаточную индуктивность первичной обмотки, необходимую для неискаженной передачи низших частот, целесообразно применять наиболее высококачественные марки трансформаторной стали: Э330, Э370, Э47, Э48. Наилучшая толщина пластин - 0,35 мм. При более тонких пластинах снижается коэффициент заполнения сечения сердечника, и индуктивности рассеяния возрастают. Более толстые пластины увеличивают потери на вихревые токи.

Требования к выходному трансформатору еще более повышаются в случае охвата глубокой отрицательной обратной связью усилителя в целом. Практически именно качество выходного трансформатора ограничивает допустимую глубину обратной связи и этим ставит предел улучшению характеристик всего усилителя. Оптимальные значения коэффициента распределения для отечественных выходных ламп вместе с типовыми электрическими режимами применения их в ультралинейных усилителях приведены в табл.2.

Таблица 2

Типы ламп	Еа, В	Rк, Ом	Rа-а, кОм	р, %	Рвых, Вт	Кн, %
6П1П	250	430	10	5	8	0,5
6П3С	385	350	6,6	18,5	20	0,7
6П6С	300	470	10	5	10	0,5
6П14П	300	130	8	18,5	10	0,5

Коэффициент нелинейных искажений указан для усилителя в целом при условии дополнительного охвата его отрицательной обратной связью глубиной 20 дБ.

Практические схемы ультралинейных усилителей

На рис.7 приведена схема ультралинейного усилителя с выходной мощностью до 10-12 Вт при коэффициенте нелинейных искажений менее 0,5%. Ко входу усилителя требуется подводить сигнал до 1 В, развиваемый предварительным усилителем, в котором установлены регуляторы громкости и тембра.

Рис. 7. Принципиальная схема ультралинейного усилителя

Выходной трансформатор выполнен на сердечнике из пластин Ш-19 стали Э-330 - 0,35 мм, набор 30 мм. Каждая половина первичной обмотки состоит из 2000 витков ПЭЛ-0,18 с отводом от 860-го витка. Вторичная обмотка (под сопротивление звуковой катушки 15 Ом) содержит 176 витков провода ПЭЛ-0,83. Схема намотки может быть любой. Намотка осуществляется рядами с прокладкой после каждого слоя провода двух слоев конденсаторной бумаги. Между первичными обмотками и секциями вторичной обмотки прокладывается по два слоя шелковой лакоткани.

Схема выходного ультралинейного каскада на лучевых тетродах 6П3С дана на рис.5. Она обеспечивает максимальную мощность в нагрузке до 20 Вт при коэффициенте нелинейных искажений менее 1%. Для возбуждения этого каскада сеткам ламп надо подводить сигнал напряжением около 20 В. Выходной трансформатор аналогичен предыдущему и отличается от него лишь увеличенным до 40 мм набором стали и первичной обмоткой, каждая половина которой состоит в данном случае из 1840 витков провода ПЭЛ-0,18 с отводом от 790-го витка. Порядок намотки трансформатора прежний.

В заключение следует указать, что постройка ультралинейного усилителя целесообразна при условии, что прочие звенья воспроизводящего устройства также обладают высокими качественными показателями и не вносят существенных нелинейных искажений. Поэтому надо обращать внимание на выбор электроакустических приборов (громкоговорителей, звукоснимателя, микрофона), ибо они являются основными источниками нелинейных искажений.

В. Лабутин. "Радио" №11/1958 год