Задачи, решаемые анодно-накальным трансформатором
Электронный трансформатор для питания лампового усилителя отвечает за накал ламп. При наличии некоторых конструктивных недостатков – например, падения выходной мощности и необходимости в прогреве ламп – присутствие устройства в схеме лампового усилителя обеспечивает:
- Снижение чувствительности техники к перепадам питающего напряжения.
- Уменьшаются искажения сигнала, источники которых – каскады лампового усилителя.
- Ликвидируется опасная для человека и элементов схемы усилителя анодная составляющая напряжения (300 В).
- В цепи отсутствует подмагничивание.
- Улучшается качество звучания.
Указанные положительные особенности реализуются на фоне мощности лампового усилителя, которая достигает 4…6 Вт (и более, если используемая акустическая система – с хорошей чувствительностью). Коэффициент усиления варьируется за счёт использования ламп с иными характеристиками. Экранирования анодно-накальный трансформатор не требует, но повышает требования к качеству изоляции обмоток первичной и вторичной обмотки: там присутствует опасное для жизни напряжение.
Для реализации преимуществ потребуется подключение усилителей по симметричной мостовой схеме, что упрощает требования к трансформатору: в частности, не нужно фильтровать анодное напряжение, снижаются требования к синхронности накала ламп. Коэффициент трансформации устройства принимается в соотношении не более чем 1:2. Тогда трансформаторы питания для ламповых усилителей обеспечат не только инвертирование фаз, но и сыграют роль согласующих, гарантируя ту самую гальваническую развязку, отсутствие которой часто становится причиной появления неприятных помех и фона.
Важно! Для прогрева элементов схемы лучше начинать прослушивание музыкальных и звуковых фрагментов через 60 минут.
↑ Из 36 «переменки» — 136 «постоянки», это реально!
Читатель воскликнет: «Только что хаял умножители, про Закон Ома толковал, и на тебе!» Но обо всем по порядку. Иной раз недостатками можно пользоваться, каждый это знает из жизненного опыта. Вот отталкиваясь от этого постулата, я и начал конструировать свой блок питания. Мое изложение было бы не полным, без описания портрета моего главного героя, точнее антигероя, современного малогабаритного — трансформатора.
Небольшое путешествие в прошлое. Конечно, самыми лучшими из доступных, были трансформаторы серии «ТАН», военной приемки. Были еще трансформаторы мощностью около 15 Ватт от индикаторных цепей станков с напряжениями обмоток 6,3 и 120В. Питали они лампы накаливания и неоновые лампочки. Качество тоже было нехилым, надежная стяжка, пропитка бакелитовым лаком. А может их, и делали специально для преампов? Шутка. К великому сожалению, они ушли в историю вместе с советским прошлым. На этом с лирикой заканчиваю и приступаю к физике.
Все началось с появления в далеком уже ХХ веке, трансформаторов серии «Т» с заложенными «просадками» напряжения. Тогда они ласково назывались «трансформаторы с уменьшенным расходом меди и стали». Чуете, куда ветер дует? Сейчас об уменьшенном расходе меди стало писать неполиткорректно, вот и создается впечатление, что падение напряжения под нагрузкой, это вещь само собой разумеющаяся, как восход Солнца. Где восходит Солнце, мы знаем, там же предположительно и делают трансформаторы, перегревающиеся при заявленной номинальной нагрузке. Для защиты от очень вероятного возгорания и придумана вся «муть» со встроенными предохранителями. Наличие этой, «защиты» позиционируется как достоинство когда вам «втирают» про трансформаторы с «уникальными» характеристиками. Но если мы рассматриваем трансформатор с позиции качества и надежности блока питания, то падение напряжения в его обмотках должно быть минимальным, а холостой ход стремиться к нулю. Все остальное — лукавство. Естественно, что при соблюдении этих требований, трансформатор не может сильно нагреваться, и термопредохранитель ему нужен как в бане лыжи.
Вы спросите, почему я так долго «источаю яд» по поводу трансформаторов? А вот почему. Трансформатор это основа блока питания. От него зависит качество и безопасность устройства в целом. Поэтому подходить к оценке параметров трансформатора, надо вполне осознано, это экономит нервы деньги и бережет здоровье.
Я провел финансово и душевно затратную лабораторную работу по теме «электричество». Не стану утомлять читателя всеми подробностями, скажу только, что несколько «пациентов» ваще нагревались до неприличия на холостом ходу. При подключении номинальной нагрузки, напряжения «радостно проседали» до заявленного уровня. Правда, в виду появления зловещей вони, по настоятельной просьбе жены, испытания были свернуты и один трансформатор «получил прописку» в мусорном ведре.
Особенности проектирования и расчёта анодно-накального трансформатора
Как сделать электронный трансформатор для лампового усилителя? Для успешного решения стоит вспомнить некоторые особенности работы ламповых усилителей. Эти усилители считаются устройствами более низкого уровня, чем несимметричные, но зато обеспечивают необходимую выходную мощность.
Проблема двухкаскадного усилителя – неидеальное затухание появляющихся искажений с подавлением четных гармоник. Но, если удается сохранить уровень искажений на низком уровне, то это обстоятельство в дальнейшем не будет влиять на работу схемы.
Другой характеристикой двухкаскадных ламповых усилителей является высокая общая обратная связь, которая используется для получения необходимых значений коэффициента демпфирования. Это важно, поскольку для увеличения выходной мощности часто используются анодные трансформаторы для ламповых усилителей с низким коэффициентом трансформации. Также стремятся любыми способами снизить число промежуточных компонентов, обеспечивающих прохождение сигнала, например, использовать только один межкаскадный конденсатор, а конденсаторы электролитического типа не применять вовсе.
Намоточные данные трансформатора питания для лампового усилителя определяются из тех соображений, что нити накала ламп часто работают при высоком напряжении постоянного тока и требуют обмотки с высоковольтной изоляцией.
Обычно невозможно объединить высоковольтные обмотки с низковольтными обмотками, когда высокое напряжение превышает 3000 вольт постоянного тока из-за опасности пробоя изоляции. Поэтому большие выпрямительные нити должны нагреваться отдельными трансформаторами. Исключение составляют многофазные выпрямители, где ламповые нити находятся под высоким напряжением, и некоторые вторичные обмотки могут объединяться.
↑ Детали
Для сборки понадобятся собственно пара радиоламп. Можно использовать лампы марки 6Н1П, 6Н2П, 6Н23П
. Очень хорошие результаты получаются с лампой
6Н3П
, но она имеет другую цоколевку, и если вы захотите собрать усилитель на ней — обратите внимание на расположение выводов. Можно воспользоваться более мощной лампой 6Н6П. При ее использовании необходимо обратить внимание на мощность трансформатора накала. Он должен обеспечивать напряжение 6в при токе не менее 2А или 12в при токе 1А. Все эти лампы, за исключением
6Н6П
, всегда есть любом старом ламповом телевизоре, так что с приобретением проблем не возникнет.
Особенности расположения обмоток накаливания
Обмотки накаливания с низкой емкостью иногда требуются для высокочастотных цепей. при небольших номинальных напряжениях, например, для усилителей малой мощности. Здесь воздух занимает преимущественную часть пространства между обмотками. При больших номинальных значениях проблема усложняется, поскольку емкость увеличивается непосредственно по мере того, как растет средняя длина витка катушки для заданного промежутка между обмотками.
По мере увеличения напряжения наступает момент, после которого эффекты утечки потребуют обмотки с масляной изоляцией, после чего емкость возрастает. Существует предельное значение емкости, ниже которого анодно-накальный трансформатор использовать невозможно.
За исключением только что упомянутых отличий, намоточные данные трансформаторов питания для ламповых усилителей мало чем отличается от конструкции небольших силовых трансформаторов обычной частоты переменного тока. Нагрузка постоянна и имеет единичный коэффициент мощности. Реактивное сопротивление утечки не играет роли из-за его квадратурного отношения к нагрузке. Тем не менее, входное напряжение должно быть точно рассчитано, чтобы обеспечить надлежащий срок службы нити накала на лампах усилителя.
В мощных ламповых усилителях часто необходимо защищать нити накала от высокого начального тока, который они потребляют при номинальном напряжении накала. Это достигается путем автоматического снижения пускового напряжения за счет использования ограничивающего ток трансформатора, который имеет магнитное шунтирование между первичной и вторичной обмотками.
Важно! При выборе исполнения ламп необходимо помнить: когда трубчатая нить холодная, то сопротивление нити составляет небольшую долю от ее эксплуатационного значения.
↑ Схема SRPP
В основе ее лежит так называемый SRPP
каскад (Shunt Regulated Push Pull, По-русски название звучит так — каскад с динамической нагрузкой). Вот и мы уже начали произносить магические заклинания! В качестве усилительной используется лампа двойной триод (в одном стеклянном баллоне размещены две независимые друг от друга радиолампы).
Нижняя по схеме половинка занимается усилением сигнала, а верхняя — играет роль динамической нагрузки. Положительные особенности такого включения — это высокий коэффициент усиления и низкое выходное сопротивление каскада. Усилитель справляется как с низкоомными наушниками сопротивлением 32 Ом так и со студийными мониторами сопротивлением постоянному току в 250 и более ом.
Настройка схемы не представляет никаких проблем. После включения и прогрева ламп (примерно 5 минут) надо проконтролировать напряжение на аноде нижней лампы или катоде верхней. Оно должно быть равным половине напряжения питания (анод верхней лампы). Если это напряжение отличается от нормы более чем на 5-10% его подстраиваем подбирая резистор Rк в катоде нижней лампы. Рекомендуется, на период настройки, поставить туда цепочку из последовательно включенных постоянного резистора на 100 Ом и построечного на 330-470 Ом. После настройки усилителя замеряем тестером полученное сопротивление и ставим постоянный резистор как можно более близкого номинала.
Уменьшение электромагнитных помех от других обмоток
Часто вместо использования нескольких анодных трансформаторов питания используется одно аналогичное устройство, которое содержит несколько независимых обмоток для различных компонентов лампового усилителя.
Основной из них является обмотка блока питания в цепи накала ламп. В этих случаях возникают помехи между отдельными частями схемы. Например, при использовании импульсных источников питания, наличие коротких, но интенсивных импульсов тока усложняют условия функционирования первичной и вторичной обмоток.
Такие импульсы имеют частоту 50 Гц или 100 Гц, в зависимости от типа используемого выпрямителя. Они очень короткие и интенсивные, а также содержат достаточное количество высокочастотных компонентов, которые создают электромагнитные помехи. Эти помехи в дальнейшем распространяются через основные секции трансформатора. Когда помехи достигают обмотки нити накала, они одновременно создают помехи и в катодной цепи. Внешне они воспринимаются как низкочастотный шум, о котором уже упоминалось в начале статьи.
Помехи могут быть уменьшены путем замыкания их на землю с помощью конденсаторов низкой емкости, подключенных с двух концов устройства. Намоточные данные трансформатора питания для лампового усилителя при этом не изменяются.
Интересно, что любой вид трансформатора, встроенного в схему лампового усилителя, способен устанавливать иную частоту звука путем простой регулировки значений омического сопротивления динамиков.
↑ Элементная база
Монтаж навесной, конденсаторы крепятся в зажимах.
Все детали самые распространенные. Использованы трансформаторы ТП-132-3 и ТП-132-14, производителя не указываю, т.к. не могу быть уверен полностью в их происхождении, внешний вид виден на фото.
Трансформатор, питающий накал, ощутимо нагревается при менее чем половине нагрузки, трансформатор анодного питания чуть теплый, правда и куплен он в 2006 году. Конечно, вы можете использовать тороидальные или герметизированные трансформаторы. В любом случае необходим предохранитель, что продиктовано соблюдением мер противопожарной безопасности. Не пугайтесь только, это требование, просто должно быть выполнено по умолчанию, при использовании указанных трансформаторов запас более чем 50%. Диодный мост «D3SB60» выбран по способу крепления, и типу корпуса.
Стабилизатор «7806» на 6 Вольт. Добавлять лишние детали для получения 6,3 Вольта, смысла не имеет, оптимальное напряжение накала именно 6 Вольт. Еще ниже его делать уже нельзя, упадает усиление лампы, «поплывут» и все остальные параметры. Если напряжение накала 12 Вольт, соответственно используется стабилизатор «7812», даташит аналогичен «7806». Не забудьте увеличить рабочее напряжение C4 и С5!
Трансформатор можно взять ТП-112-12. Диоды «1N4007» намного перекрывают требования надежности, просто они были под рукой. Современные технологии позволяют делать хорошие диоды, падение напряжения на них минимально, нагрева нет вообще. С1 и С2 взяты с существенным запасом т.к. от них зависит нагрузочная характеристика удвоителя. С3 также максимально возможной емкости (у меня С3 220 мкФ, резистор R1, 10 кОм). Если вы ограничены размерами модуля питания, то можно емкости пересчитать, исходя из потребностей. Сопротивление R1 лучше брать отечественное МЛТ на 1 Ватт, если резистор от неизвестного производителя, ставьте на 2 Ватта. Теперь несколько слов о монтаже. Монтаж довольно компактен, но температурный режим это позволяет.
Мост и стабилизатор установлены на
КПТ-8
, (я предпочитаю отечественную пасту и считаю ее вообще самой лучшей). Микросхема стабилизатора изолирована от шасси, это облегчает, последующую разводку «земли». Если вы твердо уверены, что помех не будет, можете не изолировать. Я изолирую всегда, если радиатор электрически связан с корпусом. Таким образом, отрицательные шины низкого и высокого напряжения в БП разделены.
Конденсаторы С4 и С5, должны быть подключены в непосредственной близости к выводам стабилизатора, иначе он может работать нестабильно или вообще не запустится.
Диод D3 (в цепи стабилизатора) выполняет защитную функцию и если исключено нештатное отключение нагрузки, его можно не ставить.
Не советую питать индикаторный светодиод стабилизированным напряжением, лучше сделайте отдельный вывод, как это указано на схеме. Светодиод возьмите экономичный, это особенно важно, если от низковольтного канала питается еще и ОУ. Токоограничивающий резистор R2 светодиода, рассчитывайте после измерения напряжения с подключенной основной нагрузкой. В качестве фенечки у меня переключатель Standby, можете его упразднить, хотя ради сбережения «здоровья» лампы я бы его оставил.
P.S. Про зажимы для крепления конденсаторов, можно прочитать в моем сообщении: «Поклонникам навесного монтажа ламповых УЗЧ посвящается».
Всем удачи, Михаил.
↑ Сборка
Далее, на конкретном примере я опишу свой вариант реализации схемы этого усилителя. Когда-то давно я увидел фотографию моддинг-проекта корпуса ПК, созданный модером Arsgera под названием «Поэт» . В этом компьютерном корпусе выполненном в виде деревянной шкатулки с профилем А. С. Пушкина на верхней крышке в качестве декоративного элемента использовался старинный серебряный подсвечник. Идея мне тогда понравилась, но хотелось бы подсвечник использовать не просто как декоративный элемент. Идея эта мне припомнилась, когда я обдумывал как же внешне оформить будущий усилитель.
Я предпринял поход по сувенирным и антикварным лавкам и в результате приобрел пару (пусть и не старинных, но красивых) подсвечников и небольшую деревянную шкатулку от винного набора. Вот так предположительно должно было получиться.
Я замерил внутренние размеры шкатулки и по ним сделал металлическое шасси, на котором разместил трансформаторы и электролитические конденсаторы. Там же разместилась колодка с клеммами, на которой будут распаяны все остальные детали. В качестве основания послужила стальная пластина выпиленная из бросовой боковины компьютерного корпуса.
В задней стенке коробочки необходимо было проделать отверстие, для установки разъема подключения питания, сетевого выключателя и разъемов для наушников и сигнального кабеля. Здесь меня ждала большая неприятность. Когда я сверлил коробку, сверло случайно перекосилось и коробка треснула. Красивый красный рояльный лак, которым была покрыта шкатулка в нескольких местах отвалился и внешний вид был испорчен, как я думал окончательно.
