Текст книги "Hi-end-усилители на «военных» лампах"

2. Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в схеме усилителя-корректора с непосредственными связями

Начальные условия:

Расчет идеальной цепи (не включенной в устройство) рассмотрен главой выше. Все расчеты производятся применительно к стандарту грамзаписи IEC N78, ламповому каскаду на лампе 12Ж1Л. Принципиальная схема приведена на рис.16

Рис.16

Поскольку резистор в цепи первой сетки лампы Л2 отсутствует, то Rвх=бесконечность. Эквивалентная схема упрощается см. рис.17.

Рис.17

Значение R1 вычислено ранее и равно 80,88 кОм. Формула для вычисления Rреал, исходя из эквивалентной схемы, приобретает вид:

R_реал= R1-R_вых, где R_вых=R_iR_a / (R_i+R_a)

вычислено ранее и составляет 57.5 кОм

в схеме R_реал=80,88—57,5=23,38. Ближайший к 23,38 кОм типовой номинал сопротивления – 24 кОм. В результате полная принципиальная схема примет вид, показанный на рис.18.

Рис.18.Винил-корректор с непосредственными связями для стандарта грамзаписи IEC N78.

3.Расчет усилителя-корректора с формированием постоянной времени τ₁ на собственной индуктивности головки звукоснимателя

На рис.19 представлена принципиальная схема корректора постоянная времени τ₁ которого формируется при помощи собственной индуктивности головки звукоснимателя и сопротивления в цепи первой сетки лампы Л1 усилителя.

Рис.19. Винил-корректор стандарта RIAA с формированием τ₁ на собственной индуктивности ГЗМ.

Указанные на схеме R_гзм и L_гзм – это собственные сопротивление и емкость головки звукоснимателя.

Сразу следует оговориться (ссылаясь на И. Гапонова и Е. Бабиченко), что делать такой корректор имеет смысл при следующих ограничивающих условиях:

1. R1/ (R1+Rгзм)> 0,5

2. Емкость С_п (см. рис20) должна быть минимальна, т. е. если параллельно выходу проигрывателя включен конденсатор (такое бывает в промышленной аппаратуре), его надо удалить, или сделать отключаемым. С_п – суммарная ёмкость «кабель+ катушка+ усилитель+ монтаж+ и т.д.», имеющаяся на входе усилителя-корректора.

рис.20

В качестве примера проведем расчет для стандарта RIAA (RCA Victor):

τ₁=75мкс, τ₂=318мкс, τ₃= 3180мкс.

Постоянные времени τ₂ и τ₃ формируются цепочкой R6R7C7 R8. Значения С7 и R8 задаем волевым решением и считаем:

R8 = 270 кОм, С7= 0.0318 мкф

Далее расчет ведется по методике, изложенной в главе «Сосредоточенная цепь коррекции, рекомендованная RIAA в классической схеме усилителя-корректора».

R_вых=57.5 кОм (посчитано ранее),

R_вх=R8=270 кОм (задано).

Сопротивление R7 по постоянному току отключено и потому входное сопротивление второго каскада и выходное сопротивление первого каскада на него не влияют. Без всяких оглядок находим его значение:

R7= τ₂/C7= 3.18*10^—4/31.8*10^—9= 10000 Ом=10 кОм.

Для не включенной в реальный усилитель цепи коррекции сопротивление R6 рассчитывают по формуле

R6= τ₃/C7-R7.

R6=τ₃/C7-R7= 3.18*10^—4/31.8*10^—9—10000=

=90000 Ом= 90 кОм.

Теперь рассчитываем реальное значение R6_реал с учетом влияния R8 и R_вых. Применив формулу:

R6= (R_вых+ R6_реал) R8/ (Rвых+ R6_реал+R8)

И, подставив известные величины, получим уравнение:

90= (57,5+ R6_реал) *270/ (57,5+ R6_реал+270).

Решив его, получим R6_реал=77,5 кОм. Стандартный номинал – 75 кОм. При сборке корректора ставим R6=75 кОм.

Собственно говоря, на этом расчет можно было бы и закончить, а величину сопротивления R1 установить экспериментально, собрав установку, описанную у Гапонова И. и Бабиченко Е. в [7].

Ниже предлагается другой способ, на практике дающий такой же результат. Для этого необходимо иметь измеритель индуктивности (например, Е7—22) и омметр (измеряющий сопротивление постоянному току, подойдет любой мультиметр). Почему, спросите, нельзя использовать в качестве омметра тот же Е7—22. Потому, что он измеряет сопротивление на переменном токе и покажет большее значение из-за влияния индуктивности головки звукоснимателя.

Переходим к расчету цепи, формирующей τ₁=75 мкс. Собственно вычисляем значение R1.

Постоянная времени τ₁ цепи R1R_гзмL_гзм определяется по формуле

τ₁=L_гзм / (R1+R_гзм), где

R_гзм – активное сопротивление головки звукоснимателя,

L_гзм – собственная индуктивность головки звукоснимателя.

1.При помощи мультиметра измеряем активное сопротивление катушки ГЗМ, и индуктивность ее прибором Е7—22 (на частоте 1 кГц). Значения запоминаем.

2.Используя вышеприведенную формулу вычисляем R1.

Пример:

τ₁=75 мкс, имеется ГЗМ Корвет-008. L_гзм= 0,62 Гн,

R_гзм= 1002 Ом.

R1= (L_гзм – R_гзмτ₁) /τ₁=

= (0.62—1002*0.000075) /0.000075=7264 Ом.

3.Подключив омметр ко входу корректора, вращением шлица подстроечного резистора R1 устанавливаем сопротивление равное вычисленному.

4. Подключаем к корректору проигрыватель и оконечный усилитель, подаем на все это питание, и слушаем музыку. Или тестовый диск.

4. Расчет усилителя-корректора с коррекцией, распределенной по каскадам

У корректора с распределенной по каскадам коррекцией есть как свои достоинства, так и недостатки. К достоинствам следует отнести легкость настройки постоянных времени, так как цепи коррекции разделены между собою каскадами усиления и можно считать, что не оказывают влияния друг на друга. К недостаткам – большее число каскадов. Впрочем, это может стать достоинством, если предполагается использовать МС головку воспроизведения, т.к. усиление корректора будет большим, что позволит обойтись без МС-трансформатора. В зависимости от типов применяемых ламп, может встать вопрос о величине шумов усилителя. Если верить теории и практике радиосвязи, основной вклад в шумность тракта вносит первый каскад усиления. То есть, есть смысл его делать на малошумящих элементах.

Показанная на рис.21 структурная схема может быть видоизменена в части расположения времязадающих цепей: возможно формирование τ₂,τ₃ после первого каскада, а τ₁ после второго.

Расчет элементов цепей коррекции мало чем отличается от представленного в предыдущих разделах. Просто, каждая цепь рассчитывается отдельно, так как взаимное влияние отсутствует.

Рис.21. Структурная схема винил-корректора с распределенной по каскадам коррекцией.

Пример:

Задано: Первые два каскада реализованы на лампах 12Ж1Л в пентодном включении, выходной каскад – на лампе 12Ж1Л в триодном включении. Формат грамзаписи TELDEC: τ₁= 50мкс, τ₂=318мкс, τ₃=3180мкс.

Емкость конденсатора С10 берем 0.0318 мкф, резистор R7= 100 кОм (т.к. второй каскад пентодный, это сопротивление нежелательно брать больше 100 кОм см. стр. 22). Сопротивление R6 примем равным 240 кОм. Сопротивление резистора R14 – 270 кОм. Rвых1 и Rвых2 (выходные сопротивления первого и второго каскадов соответственно) одинаковы, рассчитаны в предыдущих главах, и равны 57.5 кОм.

Постоянная времени τ₁ формируется после первого каскада, τ₂ и τ₃ после второго.

Рис.22 Принципиальная схема винил-корректора с распределенной по каскадам коррекцией. Стандарт записи TELDEC.

1.Расчет (приводится по эквивалентной схеме) цепи формирования τ₁=50мкс, приведенной на рис.23.

Сопротивления известны, осталось рассчитать емкость конденсатора С5 по формуле: С5= τ₁ /R_экв, где

R_экв = (R_вых+R6) R7/ (R_вых+R6+R7)

Рис.23. Эквивалентная схема рля расчета цепи коррекции τ₁.

C5=0,00005/75000=0,000000000668 Ф.

Из стандартного ряда выбираем С5=680 пф

2.Расчет τ₂= 318 мкс. Но цепь С10R13 разорвана по постоянному току, следовательно, активные сопротивления R12, R14 не оказывают на нее влияния. Спокойно рассчитываем сопротивление R13 (номиналы остальных элементов известны).

Если τ₂= R13*C10, то R13= τ₂/C10.

R13= 3.18*10^—4/ 31.8*10^—9=10000 Ом= 10 кОм.

3. Расчет τ₃ =3180 мкс.

Рис.24. Эквивалентная схема рля расчета цепи коррекции τ₂.

Для того, чтобы τ₃ составило 3180 мкс, очевидно, что суммарное сопротивление всей цепи коррекции должно быть R_сумм=τ₃/C10= 3.18*10^—3 /31.8*10^—9 =100000 Ом=100 кОм.

Суммарное сопротивление складывается из последовательно соединенных сопротивлений R13 и сопротивления цепи R_вых2R12R14. Сопротивление этой цепи (обозначим его как Rx) равно

R_x=R_сумм – R13=100—10=90кОм. Осталось, глядя на рис.25, составить уравнение для вычисления R12.

Рис.25. Эквивалентная схема рля расчета цепи коррекции τ₃.

R_x=R14 (R12+R_вых2) / (R14 (R12+R_вых2)

Подставив в это уравнение известные значения элементов найдем R12:

90=270* (R12+57.5) / (R12+57.5+270)

R12=13950/180=77.5 кОм

Итак, для построения корректора, производящего коррекцию по формату TELDEC, необходимы следующие номиналы радиоэлементов:

R6=75кОм, R12=77.5 кОм, R13= 10 кОм, С5=680пф, С10= 0.0318 мкф.

Винил-корректоры для МС-головок

Однако, в природе существует еще один зверь, который может быть кому-нибудь интересен. Это винил-корректор для звукоснимателей с подвижной катушкой (МС-головки).

Как известно, существуют два типа электродинамических головок звукоснимателей для проигрывания грампластинок:

1. Головки с подвижным магнитом ММ. 2.Головки с подвижной катушкой МС.

Вторые считаются более «правильными». И стоят они гораздо дороже первых. Есть, правда, у них существенный недостаток – малый уровень снимаемого с них сигнала. В большинстве моделей этот уровень лежит в диапазоне 0.4—0.8 милливольт. Следовательно, для таких головок необходим корректор с большим усилением. На практике эту задачу решают двумя способами:

1. Применение на входе корректора повышающего трансформатора.

2. Применение дополнительного каскада усиления.

Каждый из этих способов, с точки зрения инженера, имеет свои достоинства и недостатки.

При применении входного трансформатора корректор имеет низкий уровень шумов, подводимых от входа к выходу. Но теряется универсальность, так как трансформатор должен быть рассчитан под конкретные параметры головки. Понятно, что при этом имеются определенные допуски

При применении дополнительного каскада усиления возрастают шумы корректора, но корректор становится «всеядным», так как не представляет никакой технической сложности сделать на входе корректора регулятор входного сопротивления дискретного типа или с плавной перестройкой.

При снятии АЧХ разницы между корректорами с трансформатором на входе и бестрансформаторными заметить невозможно. Но, вот, мы оставили приборы и включили музыку… Отличия существенные. Выскажу свое мнение о результатах эксперимента (они, кстати, совпали с моими теоретическими размышлениями). Ортодоксы от аудиофилии и меломании могут заранее запастись помидорами и яйцами. Обижаться не стану, ибо «горе вам, когда все люди будут говорить о вас хорошо».

Описание эксперимента

По желанию заказчика было собрано два МС-корректора. Один по схеме, представленной на рис. 26 с повышающим трансформатором на входе, а второй по бестрансформаторной схеме с рис.27. Блок питания – двойное МОНО, нестабилизированное анодное напряжение +300В при стабилизированном накале 12 В. Источник сигнала – МС-головка Clearaudio CONCERTO V2 MC. Оконечные усилители AudioNote PP1 и самодельный однотактный усилитель 4Ж1Л+ГУ-15, описанный в данной книге. Акустическая система HECO Direkt. Сравнивались эти корректоры с промышленным аппаратом Aesthetix Rhea, Rh. Signature американской компании Aesthetix Audio Corporation. Понятное дело, по потребительским качествам (наличие ДУ, заводское исполнение и т.д.) Aesthetix Rhea превзошел обе самоделки.

Рис.26

Сравнение Aesthetix Rhea и корректора с МС-трансформатором на входе

Сразу бросилось в глаза, точнее, в уши, что Aesthetix Rhea выиграл по басам, но проиграл по шумам. Шумы у Aesthetix, мягко сказать, порядочные. Что, впрочем, было предсказуемо. На средних частотах корректоры практически равноценны, предпочтения на уровне вкуса, кому-то нравится американец, кому-то наш. По верхним частотам Aesthetix проиграл, звучит, по сравнению с нашим, грязновато.

Сравнение Aesthetix Rhea и трехкаскадного корректора

Это соревнование Aesthetix Rhea проиграл во всем диапазоне частот. По шумам, конечно, не так сильно как предыдущему, но проиграл.

Сравнение трехкаскадного корректора и корректора с трансформатором на входе

Корректор с трансформатором на входе оказался лучше трехкаскадного только по уровню шумов. Во всем остальном впереди трехкаскадный бестрансформаторный корректор. Заказчик слушает только его, корректор с МС-трансформатором лежит в запасе.

ВЫВОД: бестрансформаторный МС-корректор предпочтительнее корректора с МС-трансформатором на входе. Но для тех, кто не согласен с моими доводами, предлагается методика расчета и самостоятельного изготовления МС-трансформатора.

Рис.27

Расчет МС-трансформатора

Наибольшее количество магических пассов происходит именно вокруг корректоров с входным повышающим трансформатором. Фирменные изделия позиционируются продавцами как единственно правильные и лучшие в мире (при проверке на практике, даже для очень дорогих моделей, все оказалось совсем не так). А самодельные трансформаторы очень часто их авторами преподносятся как сделанные по каким-то, только им известным, чудотворным ноу-хау технологиям. Оставим это на их совести. Но, чтобы их не обижать, оговорюсь, что не сомневаюсь, что их изделия, скорее всего лучше фирменных, так как они рассчитывают и изготавливают трансформаторы под конкретные головки, а не пытаются выжать из них универсальность, как это делают известные производители. В книге Г.С.Цыкина подробно описано конструктивное исполнение подобных трансформаторов, и более исчерпывающей информации, чем у него, лично я не нашел. Возможно, плохо искал. Разбирая разные изделия из военной техники, и изучая их конструкцию, ничего не укладывающегося в то, что нашел у Цыкина, не обнаружил. Недостаток фундаментального труда Г.С.Цыкина только один – он неудобен в практическом использовании. Теоретический расчет в одном конце книги, практический – в другом. Конструктивная реализация-в третьем. И в компьютерном варианте книги это создает большие неудобства.

Для того чтобы сконструировать МС-трансформатор в домашних условиях нужно иметь:

1.Набор Ш– или П-образных пластин из пермаллоя. Например, два одинаковых промышленных трансформатора. Удобно воспользоваться входными трансформаторами от усилителя записи магнитофона МЭЗ-28 или от усилителя электронного УЭУ-109. Последние во множестве встречаются на просторах нашей Родины. В обоих случаях кроме набора железа получаем еще и экранирующий кожух. В МЭЗ-28 пермаллой Ш-образный, в УЭУ-109 П-образный.

2.Измеритель иммитанса, например Е7—22.

3.Линейку или штангенциркуль, калькулятор, лист бумаги и ручку

4. намоточный станок (можно и без него, если рука твердая и воля железная).

Шаг первый. Определение исходных данных. Вычисление магнитной проницаемости сердечника

Сначала необходимо вытащить из кожуха трансформаторы. Для МЭЗ-28 это не представляет никакой трудности. Откручиваете три винта М3 по периметру крышки, приподнимаете крышку и вместе с ней извлекаете трансформатор из недр кожуха. С УЭУ-109 дело обстоит посложнее. Крышка кожуха с установленными на ней контактными лепестками плотно посажена на свое место и держится за счет силы трения и трех точек пайки по периметру крышки. Необходимо сначала устранить пайку, а затем выбить крышку, обстукивая ее по периметру кожуха. Иногда достаточно, держа трансформатор на весу, нанести поочередно с обеих сторон короткие удары по кронштейну кожуха. См. рисунок 28.

Рис.28

Далее, извлеките из обоих трансформаторов все пластины и перемешайте их таким образом, чтобы в каждый сердечник попала половина пластин из каждого трансформатора. В итоге получится два практически одинаковых сердечника. Теперь соберите уже с перемешанными пластинами один трансформатор. Если известно количество витков в обмотках трансформатора как в случае с указанными трансформаторами, выбираем обмотку с большим количеством витков и измеряем прибором ее индуктивность L_изм. Затем при помощи линейки или штангенциркуля определяем геометрические параметры сердечника и вычисляем длину силовой магнитной линии, среднюю длину витка и площадь сечения керна сердечника трансформатора.

l_c — длина силовой магнитной линии в см, вычисляемая по формуле:

l_с=2h+2b+0,5πy₁ – (см) для броневого сердечника;

l_с= 2h+2b+πy₁– (см) для стержневого сердечника.

Qc= У1*У2 – площадь сечения керна сердечника

l₀– средняя длина витка, вычисляемая по формуле:

l₀ ≈ 2y₁+2y₂+2,5b – (см) для броневого сердечника;

l₀ ≈ 2y₁+2y₂+1,1 — (см) для стержневого сердечника.

И по формуле µ=8920² L_изм lc / (w²Q_c), где

lc- длина силовой магнитной линии сердечника в см;

w– количество витков в обмотке;

Q_c– площадь сечения керна сердечника см².

Вычисляем магнитную проницаемость μ.

Если число витков неизвестно, тогда после измерения индуктивности катушки необходимо будет смотать измеренную обмотку, подсчитывая количество витков. И вычислить μ по вышеприведенной формуле. В случае отсутствия обмоток придется намотать катушку (достаточно в пределах 100 витков) и провести измерение.

Пример расчета:

Сразу оговариваем, что формулы (имеющиеся в них некоторые константы и упрощения) приведены для случая, когда завал АЧХ на границах воспроизводимого диапазона равен -1Дб.

Рассматривается наиболее распространенный на практике случай, когда источник и потребитель (лампа первого каскада) включены несимметрично, т.е. схема не балансная.

Входной трансформатор изготавливается без подъема в области высших частот и включен с шунтом во вторичной обмотке (наиболее часто встречающийся на практике случай). Его эквивалентная схема показана на рис.29.

Рис.29

Дано: МС-головка Clearaudio CONCERTO V2 MC.

Собственная индуктивность головки Li= 35 мкГн

Активное сопротивление катушки головки R_i=30 Ом

Импеданс R_в=50 Ом.

Рекомендуемое значение приведенного к первичной обмотке сопротивления нагрузки трансформатора R_пр2= 300 Ом.

Нижняя граница диапазона F_н= 20 Гц.

Верхняя граница F_в=30000 Гц.

Коэффициент частотных искажений на нижней и верхней границах одинаковы и равны М_н=М_в=1.22 (для -1Дб).

Источник железа сердечника —

трансформаторы от магнитофона МЭЗ-28.

w=1440 витков, lc=10.3 см, lo =8.5 см, Qc-1.27см²,

L_изм=77 Гн.

Подставляя эти значения в формулу для нахождения µ, получаем µ=8920² 77*10,3 / (1440²*1,27) =23962

Итак, магнитная проницаемость сердечника равна

µ=23962

Шаг второй. Электрический расчет трансформатора

1) Определение величины индуктивности первичной обмотки трансформатора L₁ и индуктивности рассеивания L_s (на высоких частотах).

Для этого надо определить необходимое активное сопротивление первичной обмотки r₁, приведенное к первичной обмотке активное сопротивление вторичной обмотки r₂' и импеданс первичной обмотки на высоких частотах R_в. Активное сопротивление первичной обмотки r₁ равно:

r₁ = r₂'= R_i (1/ ε²—1) /2, где ε=0,8 (рекомендуемое Цыкиным значение)

r₁ = r₂'= 30 (1/ 0,8²—1) / 2=8,4 Ом

Импеданс на высоких частотах R_в равен:

R_в=r₁+r₂'+Ri= 8.4+8.4+30=47 Ом,

это почти совпадает с паспортным значением для головки– 50 Ом. Что косвенно подтверждает истинность рекомендаций Г. С. Цыкина по выбору величины ε=0,8.

2) Определение сопротивления эквивалентного генератора R_эн:

R_эн= [(r₁+ R_i) (r₂'+ R_пр2)] / (r₁+ r₂'+ R_i + R_пр2) =

= (8.4+30) (8.4+300) / (8.4+8.4+30+300) =34.1 Ом

3) Определение необходимой индуктивности первичной обмотки трансформатора L₁:

L₁=0,159R_эн/ (F_н (М_н²—1) ^½) =

=0,159*34,1/ (20*0,508) =0,534 Гн

4) Коэффициент включения нагрузки а равен

а= R₂/R_i=300/30=10.

5) Вспомогательный коэффициент А_в:

А_в=а/ (1+а) =10/ (1+10) =0,91

6) Определяем индуктивность рассеивания L_s:

L_s=0,225R_в (M_в²—1) ^¼/ [F_в+F_в (1—2/ (1+a)) ^½].

L_s=0,225*47*0,71/ (30000*1,904) =1,314*10^—4 Гн.

7) Проверка трансформатора на реализуемость.

Определим параметр σ=L_s/L₁. Если (для пермаллоевого сердечника) σ˂0,003, то трансформатор конструктивно реализуем. Проверка:

σ =0,0001314/0,534=0,000246 ˂ 0,003

Вывод: трансформатор технически реализуем.

8) Определяем максимально возможный коэффициент трансформации n:

n=w₂/w₁=0,159 (M_в²—1) ^¼/ (F_в (A_в+L_s+C) ^½),

где С – емкость входного узла корректора, составленная из емкости трансформатора С_тр, емкости монтажа схемы С_м и входной емкости С_вх=С_с1 (емкость первой сетки с₁ лампы первого каскада).

С= См+ Стр+ Свх.

С_с1 лампы 12Ж1Л равна 4 пф.

См=30 пф (обычное значение по Цыкину).

Стр=20 пф (максимальное значение по Цыкину для пермаллоевых трансформаторов).

Итого получается С =20 пф+30 пф+4 пф= 54 пф.

Подставив полученные значения в формулу расчета коэффициента трансформации, получаем:

n=0,159*0,71/ (30000 (0,91*9,5*10^—3*54*10^—12) =10,52

Получить больший коэффициент трансформации при заданных технических условиях невозможно. Но и этого значения достаточно для МС-головки. Если нужен меньший, чем допустимый, коэффициент трансформации, то он волевым решением задается разработчиком, и дальнейший расчет производится с выбранным значением коэффициента трансформации. Мы же продолжим расчет с максимальным значением. В реальном каскаде из-за влияния других элементов входной цепи сигнал на выходе трансформатора будет несколько меньше, чем n* Uвх. Реальная величина сигнала на выходе трансформатора определяется коэффициентом передачи К_о. В нашем случае

К_о= nА_в=10,52*0,91=9,5

9) Вычисление величины сопротивления шунта вторичной обмотки трансформатора R₂: R₂=n²R_пр2=10,5²*300=33075 Ом.

Выбираем типовое значение сопротивления 33кОм.

10) Определение активного сопротивления вторичной обмотки трансформатора: r₂=n² r₂' = 8,4*10,52² = 926 Ом.

Значения активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток трансформатора необходимы для определения диаметра провода, которым будут наматываться данные обмотки.

На этом электрический расчет трансформатора закончен. В результате проведенных вычислений получили:

Индуктивность первичной обмотки L₁=0.534 Гн

Индуктивность рассеивания на ВЧ Ls=2.6 мГн

Сопротивление первичной обмотки r₁=8.4 Ом

Сопротивление вторичной обмотки r₂=926 Ом

Сопротивление шунта вторичной обмотки R₂=33 кОм

Коэффициент трансформации равен n=10.52

Магнитная проницаемость сердечника равна µ=23962