|
|
|
Nawet jeśli wzmacniacz ma wysterować słuchawki o niezbyt małej impedancji, jak np. 300-omowe Sennheisery, drugi stopień musi być zrealizowany na lampie, która jest w stanie dostarczyć do słuchawek niezbędny prąd. Pamiętajmy przy tym, że jak w każdym układzie SE, jedna trioda wyjściowa (w tym przypadku dolna) przewodzi stały prąd. Musi to być prąd zdolny „wysterować” słuchawki. Ale druga trioda (tutaj górna) musi być w stanie oddać przez chwilę prąd dwukrotnie większy od prądu spoczynkowego. Zatem w stopniu końcowym trzeba zastosować triodę o wydajności minimum 40 mA. To nie zadanie dla 6SN7, czy ECC82. Z łatwo dostępnych podwójnych triod można by zastosować ECC99 lub 5687. Potrafią one przy zerowym napięciu Usk oddać do obciążenia prąd odpowiednio 38 i 52 mA. John Broskie jednak wskazuje na inną ciekawą triodę – rosyjską 6H30. Trioda ta potrafi oddać prąd szczytowy 2-3 A, oraz 111 mA przy Ua=100V i Usk=0. Aż nadto na potrzeby wzmacniacza słuchawkowego. Jeśli przyjdzie ochota wysterować jakieś „trudniejsze” słuchawki i zasilacz na to pozwoli, można spokojnie zwiększyć prąd spoczynkowy do np. 40 mA bez obawy o kondycję lamp końcowych. Dobra liniowość i trwałość tej lampy stanowią dodatkowe atuty. Na stronie http://www.tubecad.com/2006/04/blog0062.htm został opisany wzmacniacz z takimi triodami przystosowany do napędzenia 32-omowych słuchawek.
Warto zwrócić uwagę na rezygnację z rezystorów katodowych w drugim stopniu. W ten sposób, kosztem nieco wyższych zniekształceń, obniżono impedancję wyjściową do około 50 omów. Dołączanie 32-omowego obciążenia wymusiło także zastosowanie sporego kondensatora elektrolitycznego na wyjściu. W przypadku niestosowania tak małych obciążeń warto rozważyć niewprowadzanie tych poprawek dla zachowania jakości toru audio. Ponadto norma IEC 61938 określa nominalną impedancję wyjścia słuchawkowego równą 120 omów. Stosując dla triody 6N30 rezystor katodowy 75 omów zwiększymy impedancję wzmacniacza właśnie do poziomu około 120 omów. Ale co stanie się, gdy przyjdzie mi ochota dołączyć słuchawki 32-omowe, albo 2 zestawy słuchawek o niewiele wyższej impedancji? Mogą być problemy. W kolejnych artykułach Broskie proponuje ciekawe rozwiązanie bez zrywania z ideą Aikido. W drugim stopniu wzmacniacza zastosował wtórnik katodowy White’a.
Jak łatwo zauważyć, nie jest to już układ single ended, lecz push-pull. Zmiany prądu przewodzenia górnej triody, poprzez zmianę spadku napięcia na rezystorze R17, powodują modulację prądu przewodzenia dolnej triody w przeciwnej fazie. Na stronie http://www.tubecad.com/october99/page4.html równania o nieco już bardziej złożonym wyglądzie, ale dobrze opisane, wyjaśniają, że końcówka pozwoli uzyskać największy przebieg, gdy wartość rezystora anodowego drugiego stopnia (R17) wyniesie R=1/gm=ra/mu (w przypadku niestosowania rezystora R8 i zblokowania kondensatorem rezystora R11). Wtedy obie połówki wzmacnianego sygnału w momencie przesterowania zaczynają być symetrycznie „obcinane”. Maksymalny prąd oddawany do obciążenia jest dwukrotnie wyższy od prądu spoczynkowego stopnia wyjściowego, a więc również dwukrotnie wyższy, niż we wcześniej opisywanym wtórniku katodowym Aikido. Broskie zaleca stosować oba rezystory katodowe (jak na rysunku). Kosztem nieco mniejszej maksymalnej amplitudy wyjściowej i większej impedancji wyjściowej poprawia się jakość wzmacnianego przebiegu. Może warto spróbować, tym bardziej, że końcówka push-pull daje do dyspozycji prąd maksymalny dwukrotnie większy od ustalonego prądu spoczynkowego. W układzie bez zblokowanego rezystora katodowego rezystor anodowy powinien mieć większą wartość (w przybliżeniu R17=1/gm+Rk, gdzie Rk=R8=R11). A co z tłumieniem zakłóceń zasilania? Zasada pozostaje ta sama. Dolna trioda otrzymuje na siatce 50% sygnału zakłóceń i przeciwdziała zakłóceniom pojawiającym się na katodzie górnej triody. Łatwo przeanalizować to na poniższym rysunku:
Symulacja dała bardzo zbliżony rezultat współczynnika PSRR, jak w przypadku wtórnika Aikido, to znaczy około 46 dB. Optymalna wartość rezystora R17 jest nieco inna dla warunku otrzymania maksymalnej wartości PSRR i maksymalnej amplitudy sygnału na wyjściu. W rzeczywistym układzie warto więc będzie dobrać optymalną wartość tego rezystora doświadczalnie (warunek maksymalnego współczynnika PSRR wydaje się istotniejszy).
Dla dobrej liniowości stopnia warto ustalić w miarę wysoki prąd spoczynkowy stopnia (przynajmniej 4 mA), a to z kolei wymaga w miarę wysokiego napięcia Uak. Zakładam więc konieczność zasilania wzmacniacza napięciem 170...200 V. Jak już wspomniałem, symulacja układu była niezwykle obiecująca. Czas w takim razie sprawdzić, jak będzie się sprawował rzeczywisty układ. Lutownica do ręki i do roboty!
Zbudowałem układ przedstawiony na poniższym schemacie i zmierzyłem napięcia w poszczególnych punktach układu. Na schemacie zostały naniesione napięcia stałe (kolor niebieski), przebieg zmienny (kolor zielony) i natężenie prądu (kolor czerwony). Pomiary wykonałem przy braku obciążenia oraz z dołączonym obciążeniem R16=300W.
Zachowanie układu było zadziwiająco zgodne ze wcześniej przeprowadzoną symulacją. Zastosowałem umiarkowane filtrowanie napięcia zasilającego dla łatwiejszej analizy tłumienia zakłóceń. Zgodnie z oczekiwaniem otrzymałem nieco gorszy, niż w wyniku symulacji, współczynnik PSRR wynoszący około 38 dB. To i tak bardzo dobra wartość. Przebieg na wyjściu wzmacniacza odstępował sporo od "wygładzonej piły" przebiegu tętnień (spora zawartość wyższych harmonicznych oraz podharmonicznej 50Hz). Na jego postać spory wpływ miała wartość rezystancji anodowej R9 (zastosowałem potencjometr drutowy dla optymalizacji wartości R9 w różnych warunkach pracy), oraz sposób dołączenia do układu obwodu żarzenia. Najmniejszy przebieg zakłócający otrzymałem w przypadku umasienia obwodu żarzenia dla składowych zmiennych (kondensator 0.1uF między obwodem żarzenia i masą układu) oraz dla wartości R9 około 146W. Próby symetryzacji napięcia żarzenia względem masy oraz podnoszenia potencjału obwodu żarzenia do poziomu około 50V w niewielkim tylko stopniu wpływały na przebieg wyjściowy.
5 ms/dz; 5 mV/dz Nie trudno się domyślić, że po dołączeniu słuchawek dało się usłyszeć wyraźny przydźwięk sieci. Okres przebiegu zakłóceń wynoszący 20 ms wskazuje na spory wpływ obwodu żarzenia. Postanowiłem sprawdzić, na ile zmaleją zakłócenia na wyjściu po zastosowaniu żarzenia lamp prądem stałym. Zlutowałem mostek, filtr i prosty stabilizator napięcia na układzie uA723. Dlaczego stabilizator? Jeżeli trzeba "zgubić" zbyt wysokie napięcie, to dlaczego zamiast rezystora nie zrobić stabilizacji? Strata energii podobna, a dodatkowo dość istotne korzyści: prąd jest rzeczywiście stały, napięcie żarzenia regulowane i praktycznie niezależne od poboru prądu, oraz miękki start obwodów żarzenia. Po włączeniu wzmacniacza z żarzeniem prądem stałym przebieg zakłócający na wyjściu wyglądał teraz tak:
10 ms/dz; 5 mV/dz Mniejsza amplituda i łagodniejszy kształt. Może nie idealny, ale więcej pewnie przy takim zasilaczu już nie wycisnę. Optymalna wartość R9 w tym przypadku to około 130W. Tętnienia zasilania wzmacniacza zostały stłumione o 40.5 dB. To powinno wystarczyć, by wraz z porządnym zasilaczem napięcia anodowego zapewnić idealną ciszę na wyjściu niewysterowanego wzmacniacza. Do tej pory wszystkie próby wykonywałem przy bardzo słabej filtracji napięcia zasilania (stała czasowa filtru RC zaledwie 4.8 ms). W następnym kroku wzmocniłem filtrację członu RC (stała czasowa 20 ms). Tętnienia zasilania zmalały do wartości 250 mVpp. Oczywiście to ciągle co najmniej o 2 rzędy wielkości za dużo w stosunku do pożądanej wartości. Teraz przebieg na wyjściu przy stosowaniu żarzenia prądem zmiennym wyglądał tak:
5 ms/dz; 5 mV/dz Zgodnie z oczekiwaniem otrzymałem lepsze tłumienie tętnień sieci (100 Hz), przez co wpływ napięcia żarzenia (50 Hz) stał się jeszcze bardziej oczywisty. Taki sam pomiar przy zastosowaniu żarzenia prądem stałym dał następujący przebieg wyjściowy:
5 ms/dz; 5 mV/dz Także widać wyraźnie podstawę 50 Hz (wpływ sprzężeń? prowadzenie mas? metoda pomiaru?), ale przebieg jest ładnie wygładzony. Poziom tego przebiegu wynosi -38.4 dB w stosunku do poziomu tętnień zasilacza. Na koniec tej serii testów jeszcze trochę zwiększyłem filtrowanie zasilania (R=240W, C=500uF). Przebieg wyjściowy doprowadziłem do postaci bardzo wygładzonej piły o wielkości 2.5 mVpp. Co ciekawe, już teraz, po przyłączeniu słuchawek, nie byłem w stanie usłyszeć przydźwięku sieci. A do celu przecież daleko. Aikido ciągle czeka na przyzwoity zasilacz! Tłumienie zakłóceń działa. Ale czy działa prawidłowo wzmacnianie sygnału, do czego przecież jest projektowany ten układ. Dołączyłem do wejścia prosty generator przebiegów i zmierzyłem następujące napięcia i prądy w układzie (kolor niebieski-napięcia stałe, kolor czerwony-prądy spoczynkowe, kolor zielony-napięcie wzmacnianego przebiegu sinusoidalnego):
Zmienionych zostało kilka elementów, by ustalić prąd pierwszego stopnia na około 5.6 mA i drugiego stopnia na około 30 mA. Obciążeniem jest rezystor 330W. Na wejście został podany sygnał sinusoidalny o napięciu 1 V rms i częstotliwości około 1 kHz. Wzmocnienie pierwszego stopnia wynosi 11, drugiego 0.71. Wzmocnienie całego wzmacniacza równe jest 7.83. Następnie sprawdziłem, jakich napięć i prądów jest w stanie dostarczyć wzmacniacz do obciążenia. Maksymalna amplituda sygnału na wyjściu bez widocznego zniekształcenia przebiegu wyniosła ±15V:
5 V/dz; 200 us/dz; R16=330W Niezbyt łagodne szczyty
sygnału są winą mojego prostego generatora, a nie efektem wzmacniania sygnału.
Moc oddawana do obciążenia to około 340 mW. Gdyby dołączyć do wyjścia słuchawki
Sennheiser HD600, teoretyczny poziom dźwięku wyniósłby 122.7 dB. Piszę
"teoretyczny", ponieważ jest to wartość wykraczająca poza
dopuszczalną dla tych słuchawek i najpewniej uległyby one zniszczeniu. A jeśli
nie słuchawki, to przetworniki słuchacza Po zwiększeniu sygnału wejściowego o 1-2 dB na wyjściu daje się zauważyć obcinanie górnej połówki sygnału:
5 V/dz; 200 us/dz; R16=330W Obcinanie jest bardzo łagodne i powinno wprowadzić głównie drugą harmoniczną. W momentach obcięcia przebiegu górna trioda 6N30 dostarcza około 62 mA prądu, z czego 45 mA wpływa do obciążenia, a pozostałe 17 mA przepływa przez dolną część lampy. Przy takim wysterowaniu ta górna trioda (VT4) pobiera już prąd na siatce (Usk dochodzi do 0V) przez rezystor R7. Stopień sterujący nie jest przygotowany, by podołać takiemu zadaniu, i dodatnia połówka przebiegu wyjściowego zostaje ograniczona. Remedium byłoby zwiększenie prądu spoczynkowego obu stopni. W praktyce nie ma jednak takiej potrzeby, gdyż niezniekształcony przebieg o amplitudzie ±15V aż nadto wystarcza do wysterowania 300-omowych słuchawek. Po przyłączeniu obciążenia o wartości 32W maksymalny sygnał wyjściowy bez widocznych zniekształceń wyniósł ±2V:
1 V/dz; 200 us/dz; R16=32W Moc wydzielona na obciążeniu wyniosła 62.5 mW, zaś szczytowy prąd przepływający przez obciążenie wyniósł 62.5 mA. Gdyby zamiast rezystora 32W jako obciążenie przyłączyć słuchawki Grado GS1000, wygenerowany zostałby poziom dźwięku o wartości 116 dB. Takie wysterowanie jest dopuszczalne dla tych słuchawek. Jest mało prawdopodobne, aby ktokolwiek chciał wykorzystywać wyższe poziomy w słuchawkach. Po niewielkim zwiększeniu poziomu sygnału wejściowego wzmacniacz łagodnie obcina obie połówki przebiegu:
1 V/dz; 200 us/dz; R16=32W Zmierzyłem także pobieżnie pasmo przenoszenia wzmacniacza przy obciążeniu rezystorem 32W. Górnej granicy nie byłem w stanie określić, gdyż mój generator nie pozwala uzyskać częstotliwości większej od 200 kHz. Przy tej częstotliwości nie widać było jeszcze obniżenia amplitudy sygnału wyjściowego. Od dołu 3 dB częstotliwość graniczna wyniosła około 3 Hz. Może się wydawać, że niepotrzebnie jest taka niska. Jest jednak bardzo istotny powód, by jej nie zwiększać, o którym wspomnę omawiając finalny schemat wzmacniacza. Dla wyższych wartości obciążenia R16 dolna częstotliwość graniczna będzie oczywiście odpowiednio niższa.
|
 
Wszelkie prawa zastrzeżone - © Marcin Sławicz 2008 |
Dla drugiego stopnia wzmacniacza
wybieram lampę 6H30P. Lampa będzie mogła pracować z prądem spoczynkowym 30
mA i w razie potrzeby oddać do obciążenia prawie drugie tyle, co powinno
wystarczyć każdym przyłączonym słuchawkom. Stopień wystarczy zasilić napięciem
około 150 V, choć nieco wyższe też można zastosować.
