„88-50” – 50-watowy wzmacniacz o małych zniekształceniach

Audio, Styczeń, 1958, Vol. 42, No. 1 (Następca czasopisma RADIO, Est. 1917).
W. I. HEATH i G. R. WOODVILLE

Mimo, że zniekształcenia harmoniczne są poniżej 0,5 procenta praktycznie w całym pasmie przenoszenia, ten 50-watowy wzmacniacz jest stosunkowo prosty w konstrukcji i wymaga jedynie dbałości o właściwe okablowanie.

   W przypadku wzmacniaczy audio średniej mocy lampa elektronowa KT66 stosowana w stopniach końcowych stała się dobrze znana za sprawą słynnego wzmacniacza Williamsona. Jej dobra reputacja związana z niezawodnością sprawiła, że jest bardzo poszukiwana jako element „gotowych” wzmacniaczy wysokiej jakości, jak i wzmacniaczach budowanych samodzielnie przez pasjonatów audio.

   Ostatnio pojawiła się nowa lampa elektronowa o symbolu KT88. Jest to pentoda o większej mocy admisyjnej wynoszącej 40 watów i większej transkonduktancji (konduktancji wzajemnej) równej 11mA/V.

   Lampa elektronowa KT88 umożliwia przy wykorzystaniu takich samych konfiguracji układowych konstruowanie wzmacniaczy audio klasy Hi-Fi o większych mocach wyjściowych, a więc wzmacniaczy o większych wymaganiach zarówno podczas ich wykorzystywania w mieszkaniach jak i ogólnie pojmowanym sprzęcie nagłaśniającym. Ta większa moc wyjściowa jest uzyskiwana bez konieczności stosowania wyższych napięć anodowych niż tych stosowanych w dotychczasowych przypadkach. Lampa elektronowa KT88 umożliwia to dzięki mniejszej impedancji anodowej. Przykładowo w układzie z polaryzacją automatyczną (katodową) możliwe jest uzyskanie mocy wyjściowej 30 watów przy napięciu anodowym 375V, w porównaniu z napięciem 425V wymaganym dla lampy elektronowej KT66. Maksymalna moc uzyskiwana przy polaryzacji automatycznej dla pary lamp elektronowych KT88 przekracza nieznacznie 50 watów dla napięcia zasilającego 500V. W niniejszym artykule opisano projekt i budowę takiego wzmacniacza. W drugim artykule przedstawiony zostanie analogiczny opis dotyczący dedykowanego do wzmacniacza przedwzmacniacza. Oba układy są przedstawione na Rys. 1.


Rys. 1. Wygląd zewnętrzny wzmacniacza i przedwzmacniacza opisanego przez autorów. Niniejszy opis dotyczy wyłącznie 50-watowego wzmacniacza mocy.

   Wzmacniacz o symbolu "88-50" (lampy elektronowe KT88 i 50 watów mocy wyjściowej) został zaprojektowany w taki sposób aby zapewnić wysoką wydajność i pełną gamę obsługiwanych źródeł dźwięku bez stosowania skomplikowanych rozwiązań układowych i nietypowych elementów. Tym samym jest to układ, który można nazwać ekonomicznym. W powiązaniu z dedykowanym przedwzmacniaczem umożliwia odtwarzanie dźwięku praktycznie z dowolnego źródła takiego jak tuner radiowy, gramofon z wkładką magnetyczną lub krystaliczną, mikrofon lub bezpośrednio z głowicy odtwarzającej z taśmy magnetycznej. Przełącznik obrotowy umożliwia wybór źródła sygnału i jednocześnie dostosowuje czułość toru i korekcje częstotliwościowe do wymaganych parametrów źródeł sygnału. Przedwzmacniacz jest niezależnym urządzeniem połączonym ze wzmacniaczem mocy za pomocą elastycznego kabla. Umożliwia on bezstopniową regulację głośności, regulację tonów itp. Elementy regulacyjne są tak dobrane, że charakterystykę neutralną uzyskujemy dla środkowego położenia elementów regulacyjnych. Aby wyeliminować jeden z największych problemów urządzeń Hi-Fi w przedwzmacniaczu znajduje się filtr dudnieniowy zbudowany w oparciu o interesujący prosty obwód elektryczny.

Wzmacniacz mocy

   Schemat ideowy wzmacniacza mocy pokazany jest na Rys. 2. Stopień końcowy to konfiguracja ultralinearna. Pracuje w nim para lamp elektronowych KT88. Są one sterowane przez podwójną triodę (B329/12AU7) czyli lampę elektronową o małej impedancji anodowej (impedancji wewnętrznej). Pierwszy stopień oraz inwerter fazy zbudowane są na podwójnej triodzie o dużym współczynniku wzmocnienia (B339/12AX7). Małe zniekształcenia oraz duży współczynnik tłumienia uzyskiwany jest dzięki globalnemu sprzężeniu zwrotnemu o głębokości 22dB. Czułość wzmacniacza dla mocy wyjściowej 50 watów wynosi około 0.5Vrms. Prostownik dostarczający napięcie anodowe 500V wykonany jest na lampie elektronowej U52/5U4G. Termistor w układzie prostownika zabezpiecza elektrolityczne kondensatory filtrujące przed nadmiernym napięciem w okresie nagrzewania wzmacniacza. Z uwagi na fakt, że w układzie zastosowano układ przeciwsobny możliwe było uproszczenie układu filtracji napięcia anodowego i tym samym zmniejszenie kosztu zastosowanych elementów.


Rys. 2. Schemat ideowy wzmacniacza mocy.

   Połączenie tetrod lub pentod w konfiguracji ultralinearnej jest w ostatnich latach coraz częściej stosowane z uwagi na fakt, że możliwe jest uzyskanie określonej mocy wyjściowej przy zniekształceniach porównywalnych lub nawet mniejszych niż w przypadku triod. Jak widać ze schematu przedstawionego na Rys. 2 siatki ekranujące są połączone z dodatkowymi wyprowadzeniami uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego w taki sposób, że napięcie sygnału audio na każdej siatce stanowi ułamek napięcia na odpowiedniej anodzie. W celu uzyskania pożądanych efektów stosunek zwojów dla siatki ekranującej do liczby zwojów dla anody może się zawierać w przedziale od 20% do 40%. Aby uniknąć utraty stabilności (wzbudzeń) w zakresie bardzo wysokich częstotliwości po zastosowaniu sprzężenia zwrotnego sprzężenie pomiędzy poszczególnymi sekcjami transformatora wyjściowego musi być bardzo silne. Jest to łatwiejsze do uzyskania dla stosunku  zwojów siatka ekranująca/anoda około 40%, co oznacza, że odczep dla każdej połówki uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego powinien być wyprowadzony na 40% uzwojenia w stosunku do wyprowadzenia anodowego. Układ ultralinearny zapewnia niską impedancję wyjściową i dobry współczynnik tłumienia można łatwo uzyskać dzięki sprzężeniu zwrotnemu.

   Obwód sterujący lampy elektronowe końcowe również pracuje w konfiguracji przeciwsobnej (push-pull) i dzięki symetrycznemu sterowaniu zapobiega niezrównoważonej pracy stopnia końcowego nawet w przypadku pojawienia się prądu siatki podczas przeciążenia wzmacniacza. Do sterowania wybrano lampę elektronową B329/12AU7 z uwagi na małą impedancję anodową (wewnętrzną) wynoszącą około 10,000Ω. Dzięki temu przesunięcie fazowe związane z pojemnościami wejściowymi stopnia końcowego pojawiają się powyżej 50,000Hz. W połączeniu z symetrią układu zapewnia to stabilność wzmacniacza w zakresie wysokich częstotliwości po zastosowaniu globalnego sprzężenia zwrotnego.

   Trioda podwójna o dużym współczynniku wzmocnienia (B339/12AX7) w obwodzie inwertera fazy pracuje w układzie samobalansującym i zapewnia odpowiednią czułość po zastosowaniu sprzężenia zwrotnego.

Obwody równoważące/balansujące

   Sygnał przeciwsobny na na anodach inwertera fazy jest zbalansowany z dokładnością do około 2% pod warunkiem, że rezystory R8 i R9 o wartości 1MΩ są jednakowe. Jeszcze lepszy balans można uzyskać jeśli wartość rezystora R9 jest około 2% większa od wartości R8, przy czym rzeczywista wartość nie jest tak istotna. Jeśli dysponujemy miernikiem porównawczym, dobrym podejściem jest zastosowanie rezystorów o tolerancji 5% i dobranie rezystora R9 o większej wartości. Kondensatory stabilizujące C5 i C6 również powinny mieć takie same wartości.

   Balans poprawia się dodatkowo dzięki zastosowaniu niezbocznikowanego rezystora katodowego R18 w stopniu sterującym.  Stopień końcowy znajdują się indywidualne rezystory katodowe R27 i R28 o dobranych wartościach, które pozwalają na eliminację nieznacznych odchyłek charakterystyk lamp mocy.

   Ogólne zbalansowanie wzmacniacza osiągnięte dzięki powyższym zaleceniom i konfiguracji układowej jest całkowicie zadowalające dla większości zastosowań. Jednakże, jeśli dysponujemy generatorem sygnału audio i oscyloskopem możliwe jest wykonanie dodatkowych regulacji w celu minimalizacji zniekształceń. W tym celu należy do układu wlutować wstępnie ustawiony potencjometr drutowy R39. Należy go umieścić w obwodzie anodowym stopnia sterującego tak jak jest to pokazane na Rys. 2. Sygnał z wyjścia generatora powinien mieć częstotliwość pomiędzy 200Hz a 2000Hz i być pozbawiony zniekształceń (szczególnie drugiej harmonicznej). Poziom sygnału z generator powinien być tak dobrany aby na obciążeniu zastępczym uzyskać maksymalną moc wyjściową. Można to sprawdzić przez zwiększanie amplitudy sygnału z generatora aż do momentu pojawienia się niewielkiego spłaszczenia się jednej, bądź obu połówek sygnału wyjściowego w związku w pojawieniem się prądu siatek sterujących lamp elektronowych końcowych (KT88). Regulację balansu przeprowadzamy potencjometrem R39 ustawiając go w pozycji, dla której zniekształcenie sygnału wyjściowego jest symetryczne.

Stabilność wzmacniacza

   Sprzężenie zwrotne, którym objęty jest wzmacniacz powinno być ujemne w całym zakresie częstotliwości wzmacnianych sygnałów doprowadzonych do jego wejścia. Poza tym zakresem sprzężenie zwrotne powinno być ujemne lub nie mające wpływu na pracę układu. Jeśli tak nie jest to na charakterystyce częstotliwościowej dla niektórych częstotliwości pojawią się lokalne maksima (podbicia) i nawet niewielkie zmiany w obwodzie sprzężenia zwrotnego lub warunkach obciążenia mogą powodować oscylacje na wspomnianych częstotliwościach. Ta tendencja wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym do oscylacji związana jest z przesunięciami fazowymi w obwodach sprzęgających poszczególne stopnie oraz w samym transformatorze wyjściowym. Częstotliwości wzbudzania się (oscylacji) położone są tuż powyżej i poniżej pasma audio. Sposobem radzenia sobie z tym problemem jest przesunięcie tych częstotliwości jak najdalej poza pasmo przenoszenia, a następnie zmniejszenie głębokości sprzężenia zwrotnego w zakresie bardzo wysokich i bardzo niskich częstotliwości.

Stabilność w zakresie niskich częstotliwości

   Podbicie w zakresie niskich częstotliwości występuje tylko w przypadku, gdy zastosowane jest sprzężenie zwrotne. Jest to wynikiem połączonych przesunięć fazowych powodowanych przez kondensatory sprzęgające w powiązaniu z opływnościami siatkowymi lamp elektronowych oraz indukcyjnością uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego w powiązaniu z impedancjami obciążenia i podłączonych lamp elektronowych. Podbicie występuje dla częstotliwości poniżej 20Hz i powoduje efekt warkotu nazywany potocznie "motorboating". Występuje on, gdy wzmacniacz i przedwzmacniacz są podłączone do tego samego napięcia anodowego. Podbicie jest minimalizowane przez dobór stałych czasowych obwodów sprzęgających tak aby były one różne i jak najmniejsze.

   W praktyce osiąga się to przez wstawienie specjalnego układu do obwodu sprzęgającego umieszczonego jak najbliżej wejścia. Układ składa się z szeregowego kondensatora o niewielkiej pojemności zbocznikowanego rezystorem o dużej oporności. W ten sposób wraz ze zmniejszaniem się częstotliwości sygnału maleje wzmocnienie wzmacniacza i dla bardzo małych częstotliwości powiązane jest ono z dzielnikiem rezystancyjnym utworzonym przez wspomniany rezystor i oporność wejściową stopnia wzmocnienia. Kondensator szeregowy dla małych częstotliwości stanowi praktycznie rozwarcie i nie wprowadza przesunięcia fazowego. Aby uzyskać redukcję wzmocnienia równą 20dB (10:1) rezystor bocznikujący powinien mieś wartość dziesięć razy większą od rezystora upływowego w obwodzie siatki sterującej lampy elektronowej. Pojemność kondensatora powinna być na tyle mała, aby dla bardzo niskich częstotliwości miał on impedancję równą lub większą od bocznikującego rezystora.

   Ponieważ wzmacniacz "88-50" ma konfigurację symetryczną układ eliminujący podbicie w zakresie niskich częstotliwości musi być wmontowany w dwóch miejscach. Jak pokazano to na Rys. 2 tworzą go elementy C7, R14, R16 oraz odpowiednio C8, R15 i R17. Zastosowane wartości zapewniają stabilność w zakresie niskich częstotliwości dla dowolnego transformatora wyjściowego umożliwiającego uzyskanie pełnej mocy wyjściowej do częstotliwości 40Hz.

Stabilność w zakresie wysokich częstotliwości

   W większości wzmacniaczy ze względu na rezonanse związane z transformatorem wyjściowym, przed zastosowaniem sprzężenia zwrotnego na charakterystykach częstotliwościowych pojawiają się podbicia w pasmie częstotliwości od 100kHz do 200kHz. W przypadku transformatora zastosowanego w prototypie wzmacniacza '88-50" ze względu na małe indukcyjności upływu pomiędzy różnymi uzwojeniami, pierwsze podbicie pojawia się dla częstotliwości około 100kHz. Takie podbicie zwykle prowadzi do utraty stabilności po zastosowaniu sprzężenia zwrotnego. Podobnie jak w przypadku niskich częstotliwości należy tu zastosować odpowiedni układ stabilizujący. Układ ten składa się z dwóch podukładów (Rys. 2) zbudowanych z elementów C5, R12 oraz C6 i R13.

Lokalizacja obwodów stabilizujących

   Układy stabilizujące w miarę możliwości umieszczono jak najbliżej wejścia wzmacniacza. W ten sposób zminimalizowano wpływ efektu Millera (przesunięcie fazy w zakresie wysokich częstotliwości) oraz wpływ parametrów transformatora wyjściowego i obciążenia.

Transformator wyjściowy (głośnikowy)

   Wymagania dotyczące parametrów transformatora wyjściowego przeznaczonego do zastosowania w ultraliniowym stopniu końcowym wzmacniacza lampowego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym obejmują odpowiednią wartość indukcyjności uzwojenia pierwotnego (indukcyjność pierwotna) oraz małe indukcyjności rozproszenia. Indukcyjność pierwotna powinna być wystarczająca do uzyskania mocy znamionowej dla niskich częstotliwości sięgających 40Hz. Indukcyjności rozproszenia pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, pomiędzy obu połówkami uzwojenia pierwotnego oraz pomiędzy sekcjami związanymi z odczepami ultraliniowymi nie powinna dla każdego przypadku przekraczać wartości 6mH.

   Transformatorem wyjściowym użytym w prototypowym wzmacniaczu był WO866 wyprodukowany przez R. F. Gilson Ltd., St. Georges Road, Londyn, SW19. Zastosowano w nim rdzeń z żelaza krzemowego. Choć przeznaczony do pracy na niższych mocach wyjściowych niż te, które można uzyskać z KT88, dawał bardzo dobre wyniki, jak pokazują krzywe, w zakresie częstotliwości od 40Hz do 20kHz. Doskonałe wyniki uzyskano również z transformatorami Partridge Type 5353 i Savage 4N1. Ten ostatni daje pełną moc wyjściową do około 20Hz. Wszystkie te transformatory miały niezbędne małe indukcyjności rozproszenia i częstotliwość rezonansową około lub powyżej 100kHz. 

Konstrukcja i montaż

   Na Rys. 3 przedstawiony jest spód obudowy (chassis) wzmacniacza mocy. Prototyp został zbudowany na podstawie o wymiarach 14 cali x 9 cali x 3 cale. Rozplanowanie wnętrza jest zgodne z metodą listwy montażowej z elementami umieszczonymi obok siebie „w linii” z jednym zaciskiem uziemiającym w pobliżu gniazda wejściowego i pierwszej lampy (B339/12AX7). Jeśli używane są większe transformatory, konieczne może być zwiększenie rozmiaru obudowy, ale pokazany układ jest ważny i należy go przestrzegać. Uznano za celowe montowanie transformatorów z zaciskami skierowanymi do dołu ze względów bezpieczeństwa. 


Rys. 3. Widok podstawy (chassis) od spodu pokazujący rozmieszczenie elementów i okablowanie.

   Transformator zasilający powinien być jak najbardziej jak to możliwe oddalony od obwodów wejściowych i zamontowany tak aby powodował jak najmniejszy przydźwięk (Rys. 1).

   Wszystkie mniejsze elementy zostały umieszczone na pojedynczej płytce montażowej. Większe kondensatory sprzęgające i kondensatory bocznikujące obwody katodowe lamp elektronowych są przymocowane bezpośrednio do boku obudowy, co zapewnia ich ekranowanie. Wyjątkiem jest kondensator C14, który musi być odizolowany. Dla ułatwienia serwisowania wzmacniacza pod płytką montażową prawie nie ma okablowania.

   Przewody żarzenia należy ułożyć jako pierwsze, skręconymi podwójnymi przewodami wzdłuż wygięcia obudowy i gniazdek lamp elektronowych. Należy zadbać aby przewody żarzenia nie krzyżowały się z przewodami obwodów siatek sterujących lamp elektronowych. Zasilanie żarzenia lamp elektronowych przedwzmacniacza należy również doprowadzić do 8-nóżkowego  złącza na obudowie. Oba zasilacze muszą mieć odczep środkowy uziemiony do obudowy lub sztuczny odczep środkowy wykorzystujący dwie równe rezystancje. Wspomniany wyżej punkt uziemienia powinien znajdować się w pobliżu pierwszej lampy elektronowej i oczka w formie „gwiazdy” przykręconego podkładką zabezpieczającą dla dobrego kontaktu. Wszystkie obwody należy za pomocą izolowanego okablowania dolutować do tego jednego punktu chassis.

Podłączenie sprzężenia zwrotnego

   Po zakończeniu montażu i sprawdzeniu jego poprawności do wzmacniacza należy podłączyć obciążenie zastępcze i wyłączyć obwód sprzężenia zwrotnego przez odlutowanie końcówki rezystora R11. Jeżeli napięcia mierzone na opornikach polaryzacji katod są zbliżone do tych pokazanych na Rys. 2, wówczas do wejścia może być podłączony sygnał testowy około 100mV. Do obciążenia zastępczego podłączamy równolegle głośnik. Jeśli generator audio nie jest dostępny, do wejścia można podłączyć rzeczywiste źródło sygnału np. gramofon. Dodatkową rezystancję około 47kΩ należy połączyć szeregowo z R11.

   Przy słyszalnym sygnale testowym należy podłączyć sprzężenie zwrotne i zaobserwować, czy słyszalny sygnał jest głośniejszy czy cichszy. Jeśli sprzężenie zwrotne zwiększa moc wyjściową, połączenia z transformatorem wyjściowym muszą zostać odwrócone. Jeżeli sprzężenie zwrotne zmniejszy moc wyjściową, to połączenia są prawidłowe, a sprzężenie zwrotne może być połączone z usuniętą dodatkową rezystancją. Ta metoda eliminuje ryzyko oscylacji i ewentualnego uszkodzenia lamp elektronowych w stopniu mocy i transformatora.

Działanie wzmacniacza

   Maksymalna moc wyjściowa wzmacniacza ze sprzężeniem R-C może być zdefiniowana jako maksymalna moc możliwa do uzyskania bez doprowadzania lamp elektronowych końcowych do pracy z prądem siatki, co można łatwo zaobserwować na oscyloskopie. W tych warunkach moc wyjściową zmierzoną na różnych zastępczych obciążeniach rezystancyjnych na uzwojeniu wtórnym transformatora WO866 pokazano na rys. 4.


Rys. 4. Krzywa pokazująca moc wyjściową stopnia końcowego na lampach elektronowych KT88 dostarczaną do obciążenia dla częstotliwości 500 Hz.

Moc wyjściową 50 watów uzyskuje się przy równoważnym obciążeniu między anodami lamp elektronowych mocy wynoszącym 5kΩ, co odpowiada rezystancji obciążenia wtórnego 10.7Ω (w przypadku transformatora wyjściowego WO866). Dla 15-omowego obciążenia wtórnego przekładnia transformatora WO866 daje obciążenie pierwotne 7kΩ i przy tym obciążeniu można uzyskać 40 watów mocy wyjściowej. Dzięki dwóm 15-omowym głośnikom połączonym równolegle uzyskano by moc około 60 watów, z nieco większymi zniekształceniami. Obciążenia między anodami lamp KT88 poniżej 4kΩ zwiększają zniekształcenia i nie są zalecane. Przy częstotliwościach powyżej i poniżej 500Hz impedancja głośnika jest zwykle większa niż wartość nominalna, a zatem efektywne obciążenie jest wyższe.

   Na rys. 5 pokazana jest charakterystyka częstotliwościowa przy mocy wyjściowej około 1 wata przy obciążeniu 10.7Ω. Charakterystyka nie ma żadnych podbić w całym zakresie częstotliwości od 10Hz do 100kHz co wskazuje, że układy stabilizujące są bardzo zadowalające i dobrze współpracują z transformatorem wyjściowym o charakterystyce opisanej wcześniej. W konsekwencji wzmacniacz jest całkowicie pozbawiony tendencji do pasożytniczych oscylacji. Tendencja do spadku charakterystyki przenoszenia poniżej 10Hz jest typowa dla stabilizowanego wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym i bardzo pomaga w utrzymaniu stabilności dla niskich częstotliwości, w przypadku gdy przedwzmacniacz jest podłączony do tego samego źródła zasilania.


Rys. 5. Odpowiedź częstotliwościowa wzmacniacza dla mocy wyjściowej równej 1 wat.

   Maksymalną moc można uzyskać w paśmie audio od 30Hz do ponad 20kHz (Rys. 6). Ten sam rysunek pokazuje, że przy maksymalnej mocy, zniekształcenia powiązane z drugą i trzecią harmoniczną są mniejsze niż 0,1% przy 500Hz. Ich zwiększenie przy 100Hz i 5000Hz są wynikiem działania układów stabilizujących, które redukują skuteczne sprzężenia zwrotne przy wysokich i niskich częstotliwościach. Jest to jednak niewielka cena za wydajność wynikającą z dobrej stabilności. Zniekształcenia harmoniczne zmierzono do 15kHz, a testy odsłuchowe potwierdziły zalety przedstawionych wyników. Należy również zauważyć, że te wartości zniekształceń są mierzone przy pełnej mocy w całym zakresie częstotliwości. 


Rys. 6. Maksymalna moc wyjściowa odniesiona do 50 watów w całym zakresie częstotliwości oraz zniekształcenia zmierzone dla mocy znamionowej.

   Maksymalną moc wyjściową uzyskano dla sygnału sterującego 0.5Vrms. Stosunek sygnał/szum wynosi 73dB dla otwartego wejścia i powyżej 90dB dla zwartego wejścia wzmacniacza. Głębokość ujemnego sprzężenia zwrotnego wynosi 22dB dla częstotliwości 500Hz i impedancji obciążenia 10.7Ω (24V na wyjściu). W przypadku stosowania innych wartości impedancji obciążenia należy zmienić wartość rezystora R11 (4700Ω) proporcjonalnie do wynikowego napięcia wyjściowego.

Treść artykułu udostępnił ku radości "lampomaniaków" Grzegorz 'gsmok' Makarewicz