В данном материале попробуем ответить на часто возникающие при конструировании и производстве современных мощных усилителей НЧ диапазона, но многое из изложенного ниже, будет полезно знать при домашнем конструировании ламповых выходных каскадов KB диапазона. Так, что же такое подобранные лампы и когда они необходимы, когда возникает необходимость их подбора и какова технология их отбора?
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДОБРАННЫХ ЛАМП.
Лампы могут отбираться разными способами. Основные параметры, по которым производится отбор:
1. Ток покоя
Любой ламповый усилитель в режиме А или АВ, имеющий сигнальные, драйверные и выходные лампы, имеет определенные токи Покоя, которые определены анодным напряжением, напряжением смещения и характеристиками самих ламп. Позже мы увидим на конкретных примерах возможность идентификации тока покоя, любой пары ламп, находящихся в одинаковых условиях.
2. Крутизна характеристики.
Крутизна определена, как gm = изменение анодного тока/изменение напряжения сетки & данной рабочей точке и является основным критерием усиления в тетродах и пентодах. Крутизна обычно изменяется при разных анодных токах и анодных напряжениях, поэтому заявленная в паспорте крутизна характеристики верна лишь в том случае, когда приводится рабочая точка для данной крутизны. Крутизна падает при старении лампы. Правильно подобранные лампы будут иметь одинаковую крутизну, но лампы с одним значением крутизны не обязательно окажутся, одинаковы по другим параметрам, так что крутизна сама по себе не является полным показателем хорошего подбора.
3. Усиление
Определяется изменением напряжения на аноде к изменению напряжения сетки в данной рабочей точке и является показателем коэффициента усиления в триодах. Усиление, в основном, не меняется в различных режимах и с возрастом лампы, кроме случая, когда лампа выходит из строя или теряет эмиссию. Усиление также само по себе не является показателем хорошего подбора.
4. Выходная мощность
В усилителях мощности можно обнаружить, что с одних ламп можно выжать большую максимальную мощность, чем с других (подобных). Как правило, это вызвано различными характеристиками, когда рабочая точка отдельной лампы сдвигается в область максимальной мощности. Иногда выходная мощность может быть ограничена недостаточностью эмиссии катода.
5.Разброс от партии к партии при производстве
Даже если две лампы абсолютно подобраны, но при этом они из разных партий или имеют разный ресурс до подбора, они могут со временем "развалится" по характеристикам. Это, особенно, важно для слабосигнального усиления и в усилителях постоянного тока, где критичен дрейф постоянного напряжения. Чем больше различий в параметрах подбираемой пары, тем меньше шансов, что в дальнейшем она этой парой и останется.
НЕОБХОДИМОСТЬ ПОДБОРА ЛАМП
Не все схемы требуют подобранных ламп, но есть такие, которые требуют только конкретно подобранных параметров.
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ЛАМП
Лампы включают параллельно для достижения более высокой выходной мощности или для получения более низкого выходного сопротивления. Передаточная характеристика (зависимость анодного тока от отрицательного смещения на сетке) является суммарной характеристикой каждой лампы. Если подбора по крутизне не было вовсе, то передаточная кривая будет иметь изломы. Тем не менее, при параллельном включении большого количества ламп незначительные несовпадения уравниваются. Одинаковость по анодному току здесь менее критична.
ДВУХТАКТНЫЕ ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ
Существуют две причины необходимости подбора ламп в выходных каскадах: для уменьшения несбалансированного постоянного тока через выходной трансформатор и для компенсации четных гармоник. Разбаланс токов по плечам может вызвать насыщение сердечника, что в результате приведет к снижению индуктивности и росту искажений. Насыщения возможно избежать.
На примере НЧ-технологии, прим. RW3AY. Для снятия проблемы с насыщением сердечника, делается воздушный зазор в сердечнике, как это делается в SE выходных трансформаторах, за счет снижения индуктивности. В свою очередь снижение индуктивности должно быть скомпенсировано увеличением количества витков, что усугубляет высокочастотные проблемы. Вот, поэтому большинство производителей НЧ трансформаторов предпочитают доводить воздушный зазор до минимума, для того, чтобы схема работала с минимальным разбалансом по постоянному току. Что касается тороидальных трансформаторов, так они вообще не имеют воздушного зазора! Как быть?
Кроме этого, точная балансировка пушпульной схемы позволяет исключить любые четные (2, 4, б и т. д.) гармоники, появившиеся в ее усилительных элементах (но это не касается подавления четных гармоник, присутствующих во входном сигнале!). Отсутствие разбаланса по плечам особенно важно для усилителей в режиме АВ и В, где лампы выключаются на часть периода. Поэтому в тщательно сбалансированной схеме суммарные искажения будут снижены путем подавления четных гармоник. Таким образом, пытаясь абсолютно сбалансировать лампы, можно, уменьшить суммарные искажения, особенно, на малых уровнях сигнала.
Подбор на больших уровнях сигнала также необходим для предотвращения эффекта "выпрямления", когда лампы несбалансированны. Такой эффект создает условие для протекания несбалансированного тока, пропорционального уровню сигнала. Степень требуемого подбора выходных ламп зависит от цепей смещения и схемы драйвера. Если применяется нерегулируемое фиксированное смещение (как в большинстве дешевых усилителей), или единая регулировка смещения на оба плеча одного канала в более серьезных "машинах", то необходим полный отбор ламп по анодному току.
Любой разбаланс по плечам ведет к потерям в выходном трансформаторе. Если же имеется регулировка смещения отдельно для каждой лампы или регулировка баланса смещения (иногда, называемая DC-коромысло), то одинаковость самих ламп по анодным токам менее важна и достаточно лишь сходства характеристик. Когда обеспечен баланс по переменному току, то требование абсолютной одинаковости выходных ламп на предельных токах еще менее критично. К сожалению, процедура балансировки по переменному току без соответствующих приборов затруднительна.
ТЕХНОЛОГИИ ПОДБОРА
При исследованиях использовалось большое количество ламп EL34 и 6BQ5 и при поиске лучшего способа подбора их в пары, были разработаны следующие технологии подбора;
ПРОГРЕВ
Собственные параметры многих ламп изменяются после первых часов работы. В прошлом лампы для чувствительных усилителей постоянного тока перед установкой стояли на прогреве 48 часов. Обнаружилось, что в мощных лампах (китайских EL34 и югославских 6BQ5) значение анодного тока в основном стабилизируется за несколько часов прогрева при нормальном отборе тока; 12 часов тренировки — это хороший компромисс между стабильностью и достоверностью данных в наших тестовых экспериментах. Хотя это происходило не со всеми лампами, поэтому лампы, подобранные сходу, без длительного прогрева, пришлось подбирать заново после недолгого использования. - ИЗМЕРИТЕЛИ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМП
Для большинства пользователей измеритель ламповых характеристик является единственным прибором, который дает полное представление о параметрах лампы. Но так ли это? Как только появляется "лампомер", сразу становится очевидным следующее. Например, два триода с одинаковым т, но с разными анодными характеристиками имеют заметно разные анодные токи, в тоже время два разных триода с одинаковой крутизной S, также обладают разными анодными токами. Поскольку большинство "ламномеров" измеряют крутизну без контроля анодного тока, совершенно ясно, что такие приборы для подбора ламп не совсем Пригодны, так как потребуется дополнительный контроль токов. -
ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
Лучший способ подбирать лампы в пару по анодному току. Для этого их надо установить их в тестовый прибор, который задает условия, идентичные рабочему усилителю, выставить смещение для требуемого тока и отметить его. Одинаковость на максимальных режимах проверяется на больших напряжениях и токах для уверенности, что подобранные лампы имеют одинаковые характеристики в разных рабочих точках. Будьте осторожны, не превышайте мощность рассеяния анодом или экранной сеткой слишком долго, пока проводите эти испытания!
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ В КАСКАДЕ
Одним из методов подбора парных ламп является проверка их в живой усилителе. Например, в НЧ усилителях баланс по постоянному току может быть проведен на частоте насыщения сердечника. Это делается путем подачи на вход синусоидального сигнала, дающего полную мощность на эквивалент нагрузки, и понижения частоты до тех пор, пока сигнал не станет отчетливо искажаться на экране осциллографа. Для хороших трансформаторов это частота сигнала от 40 Гц и ниже.
Критерием подбора ламп в динамическом режиме является наличие минимальной второй гармоники. Отбор ламп в каскаде так, как описано выше, дает хорошие результаты только в том случае, если подобранные в пару лампы отбирались на усилителе, где они будут использованы в дальнейшем. Тем не менее, из-за возможных разбалансов в тестовом усилителе специальные приборы все равно требуются, так как лампы могут не подойти для использования в другом усилителе. Довольно трудно таким способом подобрать более чем одну пару ламп.
ХАРАКТЕРИОГРАФ
Самым быстрым способом подбора ламп в Пару, согласно их рабочим характеристикам во всем диапазоне, является использование лампового характериографа, наподобие Tektronix 570. Кривые характеристик двух ламп могут быть ясно сравнимы на экране электроннолучевой трубки. Если кривые совпадают, то лампы можно считать парными. Численные значения токов и напряжений с экрана получить несколько сложнее, поэтому хорошим способом подбора является использование характериографа с предварительным измерением по постоянному току в статическом режиме, методом, описанным выше. Затем пары с одинаковым значением смещения могут быть измерены на характериографе. Как правило, они будут совпадать в этой точке. Если нет, выберите другую пару с похожей величиной смещения. Очевидно, таким способом можно сделать подбор если не всех, то большинства ламп.
Характериограф четко показывает кривые характеристик двух разных по устройству Ламп КТ66 с одинаковым током в определенной рабочей точке (смотреть нужно по центру экрана), но с разными характеристиками на крайних точках. Например, характеристики старейшей КТ66, сделанной в Англии (с, серым графитовым покрытием внутренней стороны баллона), и характеристики 7581/КТ66 General Electric более позднего производства (примерно середины 70-х). На обоих экранах шаг развертки по сеточному напряжению 5 вольт. По абсциссе - 50 вольт на клетку. По оси ординат 20 мА на клетку. Хотя в центральной части экрана лампы выглядят очень похожими, при крайних значениях токов они заметно разнятся друг от друга.
НЕКОТОРЫЕ ТОНКОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ХАРАКТЕРИОГРАФОМ
При подборе пар либо одновременно включайте накалы обеих ламп, либо дайте лампам прогреться несколько минут, чтобы температура катодов стабилизировалась. В том случае, когда лампы будут использоваться только в триодном включении (для тетродов и пентодов), будет разумно проверить их на характериограф именно в триодном включении. Если в обычном или ультралинейном - установите напряжение питания для второй сетки несколько ниже предельного анодного.
Если кривые имеют непривычно изломанный вид или изображение на экране слегка размыто, возможно, лампа влетела в паразитную генерацию. Попытайтесь подвигать соединительные провода относительно друг друга и убедитесь, чтобы антипаразитные резисторы в сетках (управляющей и экранной) были припаяны непосредственно к лепесткам панелек с минимальной длиной выводов. Если эти манипуляции не дадут нужного результата, попробуйте подключить конденсатор малой емкости (0,001 мкФ) с анода и/ или второй сетки на катод, естественно, непосредственно на выводах панельки.
ЧТО ТАКОЕ "ПОДОБРАННЫЕ ПАРЫ" В ПРОДАЖЕ
Эта статья не вызвана желанием дать оценку лампам, продаваемым как подобранные пары, но призвана заострить внимание на тех моментах, которые необходимо знать при их покупке. Опыт приобретения парных ламп у продавцов ранее уже обсуждался на встречах "огнепоклонников" в Сан-Франциско. Обычно на вопрос о применяемых технологиях подбора продавцы либо не знали, как это делалось, либо мололи чепуху, говоря, что это их частные (секретные) методики. Некоторые покупатели отмечали, что купленные ими лампы оказались абсолютной парой, Другие наоборот, что характеристики заметно разошлись при проверке ламп на характериографе.
Вот несколько вопросов, которые уместно задать продавцу при покупке парных ламп:
- Подвергались ли лампы термотренировке? Как долго? Происходило ли это с токоотбором, либо грелись только нити накалов? (Прогрев только накалов, без токоотбора, ничего не даст для стабилизации ламп.)
- При каких анодных и сеточных напряжениях проводился отбор? (В идеальном случае они должны быть близки условиям работы в вашем усилителе.)
- Происходил ли подбор по одному-единственному значению, либо в нескольких точках? (Компьютеризованные тестеры или аналоговые характериографы обычно проводят измерения в широком диапазоне характеристик.)
- Насколько точен подбор? (5% или точнее,) По каким параметрам велся отбор?. (Смещение на сетке для получения данного анодного тока - наиболее приемлемый ответ. Не решайтесь на покупку, если отбор велся только по крутизне.) Часто методики подбора пар держат в секрете под видом ноу-хау, однако нет нужды скрывать их и покупатель, отдавая деньги, должен знать, за что он их отдает.
ПОДВЕДЕМ ИТОГ
Подбор ламп по парам не является магией, но так ли уж нужны пары в любом случае? Однако если придерживаться следующих советов, вы наверняка добьетесь лучших результатов за те деньги, которые потратили. Лампы для усиления слабых сигналов редко требуют подбора, исключением являются усилители постоянного тока (что в настоящее время мало актуально) и полностью балансные схемы.
Строго подобранные пары нужны только в усилителях, где отсутствует балансировка плеч по анодному току (как ни смешно, это касается как раз дешевых усилителей). Убедитесь, что подбор Ламп производился после тренировки, а критерием их подобия является равенство анодных токов при едином напряжении смещения на управляющей сетке. Не приобретайте ламп, парность которых гарантирована только ламповым измерителем.
6. Внешний вид
Хотя, этот момент более психологический, нежели практический, покупатель, найдя внешние различия при взгляде на пару подобранных ламп, может решить, что это вовсе не пара и качество работы из-за этого может пострадать.
СЛАБОСИГНАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Подобранные лампы или одинаковые половинки ламп (в двойных триодах) обычно используются в усилителях постоянного тока с тем, чтобы свести до минимума разность параметров, связанных со старением и непостоянством тока накала. В звуковых и измерительных схемах для компенсации помех входных сигналов используются дифференциальные усилители.
В этих схемах помехоустойчивость максимально зависит от подбора. Элементы управления балансом по постоянному току помогают минимизировать разброс ламп не только в момент включения подобранной пары, но и при старении ламп. Для дифференциальных усилителей типовой подбор ламп необходим почти по всем параметрам:
- анодному току,
- крутизне
- партии производства.
Дифференциальные усилители также используются как фазоинверторы, но здесь всегда имеется присущий данному типу схемы некоторый разбаланс, который делает тщательный подбор менее необходимым, чём в полностью балансном дифференциальном усилителе. В звуковых усилителях балансные схемы, требующие подбора ламп, как правило, не используются. Однако исключением являются полностью балансные схемы, которые применяются в современных усилителях с балансным входом.
От редактора. Внимательный читатель понимает, что большинство приведенных примеров и экспериментальных данных приводится при подборе ламп для высококачественных низкочастотных усилителей мощности. Но, на мой Взгляд, большую часть сказанного можно использовать и при предварительном отборе ламп для ВЧ усилителей мощности, там, где предстоит устанавливать две и более ламп.
Материал подготовил Ю. Погребан, (UA9XEX)
