Практики в ламповите усилватели "Practices in tube amps"


Отдавна имам идея да споделя най-важното, което съм научил и натрупал като опит от моята дългогодишна работа с лампите.
Имам предвид някои практически похвати и тънкости, които съм прилагал при изработването на лампови устройства.
В тази статия ще коментирам някои начини за намаляването на брума проникващ в сигнала.
Борбата с шумовете и брумовете е един от най-съществените при реализирането на висококачествени апаратури.
Много от аудиофилите занимаващи се с правене (DIY) на лампови устройства в днешно време, имат този проблем.
И докато въпросът с получаването на нисък шум не е толкова съществен (поради това, че лампите са по-безшумни от транзисторите), то борбата за намаляването на брума изисква в повечето случаи сериозни усилия.

1.Опроводяване на масата.

Един ефективен способ за намаляване на брума е правилното опроводяване на масата.
Както знаем, свързването към маса на крайщата на елементите участващи в схемата, направо към шасито е недопустимо.
В учебниците и литературата за лампови усилватели, са описани няколко варианта за опроводяване на масата:
Първият вариант е като запоим помежду си в една обща точка крайщата на елементите отиващи към маса на всяко стъпало поотделно.
След това точките на всички стъпала, се свързват самостоятелно с отделен проводник в една обща точка разположена върху шасито, така наречената "звездообразна" маса.
Местоположението на тази обща точка върху шасито се избира опитно, с цел получаване на минимален брум.
Вторият вариант е чрез обща медна шина, която се прокарва от входа до изхода на устройството, върху която запояваме крайщата на елементите отиващи към маса.
Шината се свързва към шасито също в една точка, както при първия вариянт.
Обикновенно най-добър резултат се получава, когато свързващата точка към шасито съвпада с мястото на монтиране на входния конектор!
По-долу съм показал примери за звездообразно свързване на масата и свързване чрез шина :

Заземяване тип звезда. Заземяване с шина.

Понеже задачата на заземителния проводник "шина" е да свърже точките с нулев потенциал, то той трябва да има минимално електрическо съпротивление.
За целта се използва меден проводник с достатъчно голямо сечение, като лично аз използвам такъв с диаметър около 2мм.
Добре е да използваме гол меден проводник, но трябва да внимаваме при снемане на изолацията, да не нараним повърхността му.
Съществено значение не само за брума, но и за качеството на звука, оказва чистотата на медта на заземителния проводник.
В един от усилвателите ми, съм използвал дори чисто сребро, с чистота 99,9999%.

Има и други интересни особености при опроводяването на масата, които е добре да знаем.
Например Сакума в неговите усилватели използва две отделни шини, едната "сигнална" в усилвателната част, а втората "захранваща" в захранването.
Сигналната свързва входния и изходния терминал на устройството, като заземяването към шасито е във входния.
Шината в захранването свързва минусите на филтриращите кондензатори и точките с нулев потенциал на мрежовия трансформатор и изправителя.
Тази шина се заземява в точка разположена в близост до мрежовия трансформатор.
Ето препратка към страницата от неговия сайт, където това е добре илюстрирано.

Аз използвам и по-сложно разделяне на шините.
В усилвателя ми с 6С4С, освен че съм приложил методиката на Сакума, съм разделил допълнително сигналната шина на две части.
Едната част свързва само точките с нулев потенциал участващи в сигнални вериги, а другата точките в които освен сигнал тече и постоянен ток.
За да разберете същността на споделеното от мен, вижте как са разпределени сигналните шини:

Заземяване с две сигнални шини.

Този вариант на опроводяване на масата, освен по-малък брум, ми подобри и качеството на звука.
Третата захранваща шина (не е показана тук), е заземена в близост до мрежовия трансформатор.

2.Монтиране на трансформаторите върху шасито.

Всички конструктори са запознати с правилата за монтиране на трансформаторите, когато те се монтират заедно върху шасито.
Ламелите на съседно разположени трансформатори, трябва да са завъртяни на 90° един спрямо друг.
Това важи за всички видове трансформатори - звукови и мрежови, включително и за дроселите във веригите на захранващия блок.
Малко от конструкторите обаче спазват това правило стриктно!
Мрежовите трансформатори и дроселите в захранването създават мощни магнитни полета.
Независимо, че трансформаторите са разположени правилно, малка грешка в ъгъла от 90° може да стане причина за индуциране на брум в сигналните трансформатори.
Ето защо, аз винаги процедирам по следния начин:

Първо монтирам мрeжовия трансформатор и го фиксирам здраво в работното му положение.
След това монтирам дроселите и филтровите кондензатори участващи в захранването.
Междукаскадните трансформатори винаги избирам да се намират най-далече от мрежовия трансформатор и дроселите, защото тяхното местоположение е най-критично.
Преди да ги фиксирам към шасито свързвам първичната им намотка с мултицет, който е поставен за измерване на напрежение на най-чувствителния си обхват.
При подадено захранване от мрежата на захранващия блок следя показанията на мултицета, като леко променям ъгълът на завъртане, така че да получа най-слабо проникване от мрежовия траф и дроселите и при това положение фиксирам междукаскадните трансформатори.
По същия начин постъпвам и с изходните трансформатори.

Тук е важно да припомня, че монтирането на всички трансформатори и дросели към шасито, трябва да става с използване на изолационни подложки между ламелите и шасито.
За направа на подложките може да се използват картон, корк, или други подходящи изолационни материали.
Трансформаторите трябва да имат електрическа връзка (контакт с шасито) само чрез монтажните шпилки и крепежните винтове!
За звуковите трансформатори е за предпочитане да се използват само немагнитни шпилки, най-често направени от месинг.
Повърхността на шпилките, преди да се прокарат през отворите на ламелите, трябва да бъде изолирана с тънка хартия, за да не се допират пряко с вътрешната стена на отворите.
Намаляване на разсейваното магнитно поле от мрежовите трансформатори и дросели може да осъшествим, като ги екранираме допълнително със стоманени капаци и кутии.

3.Влияние на конструкцията.

При конструирането на лампово устройство, трябва много да се внимава за взаимното разположение на отделните елементи.
От изключително важно значение е разположението на входните конектори.
Най-добрият вариант е монтирането им възможно най-близко до входната лампа, директно отгоре върху шасито.
Този вариант работи обаче само при конструкции от открит тип, защото ако лампите са затворени в кутия, няма начин как да се включи кабелът.
На задната страна, обикновенно се монтират конекторите за колоните и други изходи, предпазните бушони, там е разположен и мрежовият захранващ кабел.
Намирането на правилното място за входните конектори става още по-трудно, като се има напредвид, че трябва да ги разполагаме възможно най-далече от мрежовия трансформатор, защото във високоомните и чувствителни вериги на лампите най-лесно се индуктира брум.
Ако на задната страна не може да се намери подходящо място, може да се монтират на предния панел, както постъпва Сакума.
А ако това ни се струва неудобно и грозно има и други решения.
Често съм срещал фабрични конструкции при които мрежовият и изходните трансформатори се намират отпред, а отзад са разположени лампите, входните и изходните конектори.
Това загрозява малко картинката, защото повечето аудиофили предпочитат да гледат как им светят лампите, а не да търсят максимално доброто решение.
Все пак съществуват решения удовлетворяващи и единия, и другия вариант.
Важно е да знаем, че когато входните конектори са монтирани далече от лампата, задължително трябва да използваме качествен екраниран проводник.
В противен случай увеличаваме риска от проникването на брум, още на входа на усилвателя!

Добре е екранираните проводници да са с две жила - активно и маса, а оплетката да служи само като екран, който се замасява отделно.
Трябва да се взема под внимание и видът на кутията, или шасито, които ще се използват.
Най-лошият вариант е използването на стоманено шаси, по-добре е алуминиево, а още по-добре медно.
Металните шасита имат предимство, защото като се свържат с масата на устройството, служат и като допълнителен екран против външни смущения.
Най-трудоемкият вариант е използването на изцяло дървена кутия, но за мен той е най-благозвучен!
При дървена кутия, трансформаторите и дроселите могат да се монтират направо върху кутията.
Обаче топологията на взаимното разположение на отделните елементи - трансформатори, дросели, лампи, конектори е от решаващо значение!
Монтирането на лампов коректор в дървена кутия е задача с най-висока трудност!
Работата, вниманието, мерките и експериментите които трябва да извършим в този случай, са неколкократно повече.
Напълно сглобен, настроен и добре работещ коректор в дървена кутия, може да ни изненада винаги, защото с нищо не е защитен от проникването на всякакви външни смущения.
Поради високата си входна чувствителност и усилване, често се случва например, да прониква ефирно сигнал от намиращ се наблизо мобилен телефон!
Този проблем също може да се реши, като поставим допълнителен филтър на входа на коректора, но нещата вече започват да се усложнявят прекомерно.
Поставянето на допълнителни елементи и филтри по пътя на сигнала, само води до допълнителната му деградация!
Тук е моментът да цитирам някои принципи при конструиране на аудио апаратурите, които съм взаимствал от Лихницки:

Ето какво казва Лихницки в една своя мисъл:
"Представете си рамката на прозореца, в която са поставени не едно, не две, а да речем 20-30 стъкла.
Как ще изглежда светът погледнат през тези стъкла, ако стъклата нямат идеална прозрачност?
Всеки усилвателен каскад по пътя между музиканта и слушателя, се оказва именно такова стъкло!"

Така се ражда първият принцип на Лихницки при конструиране на звуковъзпроизвеждащи и записващи апаратури - принципът за краткия път на сигнала.
Кратък път на сигнала имаме тогава, когато минимални количества електроелементи са съединени помежду си, при това обезпечаващи пълната функционалност на апарата (с минимално допустими физически параметри).

След това Лихницки продължава:
""Мойте многогодишни експерименти с електронните апаратури винаги (без изключение) показаха, че всяко използване на електричеството в аудиото, а също и нарастването на елекрическото взаимодействие на музикалния сигнал с електрическата схема на аудиоапарата, при това в която и да е част от аудиотракта в това число даже в спомагателните възли и блокове довежда до деградация на звука и музикалността.
Съгласно този принцип, грамофонът принципно не съдържащ усилвателни електроелементи, независимо от неговата некомфортност на звучане от напълно обективни линейни и нелинейни изкривявания, донася до нас естетическата ценност на музиката при това на 100%."

Вторият принцип, който се налага и е следствие от първия е, че трябва да се набляга повече на акустичните начини за усилване на звука за сметка на електронните.
Акустичният принцип за усилване е по-добре изучен и предвидим и затова дава по-добри резултати, за сметка на електронното усилване.

Третият принцип е за конструиране на аудио апаратурите на отделни блокове.
Цитирам: "При разработването на аудио апаратурите в миналото инженерите се интересуваха само от намаляване на обективните изкривавания без да държат сметка за последователно включените стъпала и усилвателни трактове.
От тази свобода се възползваха аудио конструкторите, които създадоха в мащабите на световната аудио промишлиност, концепцията за апаратура на блоков принцип в тракта запис - възпроизвеждане, свързвана с междублокови кабели, съединители и т.н.
Появиха се и международни стандарти регламентиращи присъединителните параметри!
Обръщам внимание, че всичко това не доведе до никакви преимущества в обективните параметри на аудио апаратурите.
Разбира се, само бизнеса успя да вземе своето от разпространението на блоковия принцип:
Необходима е оптимизация използвайки принципа за краткия път на сигнала, изменяйки напълно облика на записващата и звуковъзпроизвеждаща апаратура и обединявайки много от блоковете в едно цяло."

Тук искам да вмъкна, че този принцип освен от последователите на Лихницки, се използва често и от Сакума, който в много от усилвателите си обединява RIAA корекцията, предусилвателя и крайния усилвател в едно цяло.

Четвъртия принцип намерил широка подкрепа е - никога да не се слагат паралелно електронни елементи от един вид.
Например шунтиране на електролитни кондензатори в катодната верига с полипропиленови, слюдени, или от друг вид.
Също поставяне на прехвърлящи кондензатори (в пакет) от различен вид, запаралелване на еднакви лампи с цел постигането на по-висока мощност и т.н.
Счита се, че всеки електронен елемент участвуващ в схемата на усилвателя има "собствен глас", собствена резонансна честота, собствен тембър и различни параметри (независимо от направения подбор за еднаквост при лампите), и това влияе върху детайлността и яснотата на звука.
Доказателство за действието на този принцип са monoplate лампите 2A3, който за разлика от двупаралелните структури в един балон, се ценят повече и струват по-скъпо.

Пети принцип - не използване на обща отрицателна обратна връзка (ОООВ) във веригите на усилвателя с цел намаляване и предотвратявяне на динамичните изкривявания.

Споделям тези неща, за да може всеки преди да се захване с дадена конструкция, да осъзнае и осмисли ясно проблемите и трудностите с които се нагърбва.
В тази връзка влиянието на конструкцията върху шумовете и брумовене е огромно!
Един от вариантите за намаляването им е като разделим захранването от сигналната част на устройството.
Още по-добре е и когато решим да направим отделни моноблокове за ляв и десен канал.
Но в повечето случаи и това не е панацея, че сме избрали най-добрият и благозвучен вариант!
Блоковият принцип решава едни проблеми, но създава други!
Монтирането на сигналната и захранващата част в различни кутии, изисква свързването им с допълнителни захранващи кабели и съединители.
Често пъти това е един кабелен сноп, в който се намират всички проводници, създаващо възможност за паразитно влияние помежду им.
Добре е да знаем, че не съществува идеален вариант!
Създаването на добре свирещ усилвател е индивидуален творчески процес и предизивикателство за всеки един конструктор.

4.Намаляване на брума проникващ от отоплението на лампите.

Всяка лампа в усилвателно стъпало има нужда освен от добре филтрирано анодно напрежение и от правилно захранване на отоплението.
За получаването на минимален брум в изхода на стъпалото, се прибягва до използване на ендбрумери, а в тежки случаи и до изправяне на отоплителното напрежение.
Излишно е да споменавам, че всяка двойка захранващи проводници за отоплението, трябва да е добре усукана.

При лампи с индиректно отопление.

По долу са показани варианти на усилвателни стъпала изпълнени с лампи с индиректно отопление.
Всички схеми са дадени с автоматично получаване на преднапрежението на решетката.
Принципно схемите не се променят при използване и на друг начин за подаване на отрицателното преднапрежение на решетката.

Схема 1. Схема 2. Схема 3. Схема 4. Схема 5.

На първата схема е показан най-простият начин, чрез замасяване на единия край на отоплителната жичка.
По-добър вариант е разделяне на отоплителното напрежение на две равни части и свързване на средната точка с масата.
За получаването на точен извод от средата на намотката се прибягва до бифилярно навиване, гарантиращо еднаквост на двете `и половини.
Когато използваме трансформатори с отоплителни намотки без среден извод симетриране на отоплителното напрежение можем да получим с помоща на тример-потенциометри, чийто среден край и свързан с масата на усилвателя - така наречените ендбрумери.
Стойността на тример-потенциометрите се избира от 50 до 200-300 ома.
Чрез въртене на плъзгача на ендбрумера, търсим положение с най-слаб брум.
Често в практиката се прилага изкуствено повдигане на потенциала на отоплителната жичка, с цел да бъде по-положителна спрямо катода.
На четвъртата схема е показано как става това.
Напрежението с което се повдига потенциала, понякога може да достигне и до 80 - 100V.
Важно условие за прилагането на този метод е пробивното напрежение между отоплителната жичка и кадода на лампата да е по-голямо от прилаганото такова.
Пробивните напрежения между катода и отоплителната жичка се дават в справочниците за радиолампи.

На последната схема е показано захранване на отоплението с постоянно напрежение.
Вместо съпротивлението R6, може да се използва филтриращ дросел.
Същевременно е използвано и допълнително повдигане на потенциала на жичката, като тази комбинация дава най-добри резултати в практиката.
Лично аз в свойте усилватели и коректори избягвам да използвам изправяне на отоплителните напрежения.
За съжаление всичките ми опити показат, че този начин почти винаги води до деградация на звука, макар че той е един от най-ефективните за подтискането на брума.

При лампи с директно отопление.

При повечето индиректно отопляеми лампи, използването на ендбрумери и повдигането на потенциала на отоплителната жичка, дава отличен резултат и решава проблема.
При директно отопляемите лампи, тези мерки често пъти не са достатъчни!
За да се борим ефективно с брума при тези лампи е необходимо, да навлезем по-дълбоко в същността на проблема.
Характеризират се основно следните причини за появата на брум, при захранване с променливо напрежение:

1.Дисбаланс в намотките на отоплителната жичка и в следствие на това, неравномерно разпределение на отоплителното напрежение в различните участъци.
2.Преминаване на усиленият сигнал през намотките на отоплителния трансформатор.
3.Пулсиращо загряване на отоплителната жичка равно, или 2 пъти по-голямо от честотата на захранващата мрежа.

При използване на симетриращ потенциометър (ендбрумер), генерираният брум е с 2 пъти по-голяма честота от честотата на променливото напрежение.
За мрежа с честота 50Hz, честотата на брума "бученето" е 100Hz.
Брумът става причина за появяване и на странични явления, като допълнително генериране на хармоници в сигнала.
Той взаимодейства с полезния сигнал усилван от лампата и генерира допълнителни интермодулационни изкривявания.
Ефекта от интермодулационните изкривявания не се отразява чуваемо в нискочестотната област като допълнително увеличаване на бученето, а най-вече при по-високите честоти.
Например при подаден чист сигнал 1000Hz на входа на стъпалото, в изхода ще получим интермодулационни изкривявания на (1000+100)=1100Hz, (1000-100)=900Hz и много други комбинации като: 800, 700, 1200, 1300 Hz и т.н.
За разлика от хармоничните изкривявания, тези IM изкривявания нямат никакво отношение и корелация към първоначалния вид на сигнала!

Независимо от всичко, лампите с директно отопление се предпочит в повечето случаи от аудиофилите, заради по-реалния и верен звук, който дават.
Добре е когато използваме такива лампи, да избираме тези, които имат по-ниско отплително напрежение и по-голям отоплителен ток.
За предпочитане е тези лампи, да се използват най-вече в крайните стъпала на усилвателите.
На следващите схеми съм показал най-често използваните начини за захранване на отоплението и начините за намаляване на брума:

Схема 6. Схема 7. Схема 8. Схема 9. Схема 10.

Както споменах по-горе, не съм почитател за изправяне на отоплителното напрежение и това мнение се поддържа от широк кръг аудиофили.
Ето защо, ще покажа и други допълнителни мерки за намаляване на брума при директно отопляемите лампи, така че на практика той става почти нечуваем.
Един допълнителен способ е да подадем допълнително към решетката, или анода на лампата, сигнал със същата честота както на брума, но в противофаза!
Когато отоплителната жичка се загрее рязко при получаване на променливотоков импулс от захранващия трансформатор, отдаването на електрони към анода на лампата също се увеличава рязко и анодният ток нараства.
Ако в същия момент подадем определен отрицателен импулс към решетката на лампата, тя ще се стреми да се запуши и да компенсира увеличаването на анодния ток.
В следващият момент, когато отоплителната жичка започне да изстива, се намалява отрицателният импулс към решетката на лампата.
Така се получава една средна "константна" стойност на анодния ток, което ще намали брума също до някаква средна стойност в зависимост от степента на компенсация.
В следствие на принципа на работа е неизбежно лекото намаляване на коефициента на усилване на лампата, но това няма да бъде съществен проблем.
Как можем да реализираме подобен принцип, може да видите на долните две схеми:

Схема 11.                      Схема 12.

На лявата схема е даден вариант с фиксирано, а на дясната с автоматично преднапрежение на решетката.
Противофазният сигнал, се снема с помоща на двата диода, директно от изводите за отопление на лампата.
Чрез тример-потенциометър от 5 килоома, сигналът се подава през кондензатора C2 към решетката на лампата.
За увеличаване на ефективността при симетрирането на отоплението, е използван тример-потенциометър 10 ома.
Допълнително са поставени 2 броя резистори по 22 ома / 1W, с цел общото съпротивление на резисторите между двата извода на отоплението да бъде около 50 ома.
За по-прецизно регулиране, тример-потенциометърът от 10 ома е добре да бъде многооборотен.

Начинът за регулиране е следният:
Първо с помоща на тример-потенциометърът P2, се нагласява нивото на брума да бъде минимално.
Понеже слухът е инертен, освен слухов контрол е добре да се използва и визуален.
Към вторичната на изх. трансформатор се свързва мултицет за измерване на брумовото напрежение, като се следи за получаване на най-ниски показания.
След настройването на P2, се настройва и P1 по същия начин.
За постигането на по-добър ефект е добре да се експериментира допълнително със стойността на C2.

Идеята за тази реализация принадлбежи на Steve Bench и дава допълнително намаляване на брума около 22dB!
Трябва да имаме предвид, че изходният импеданс на драйвера разкачащ така изпълненото крайно стъпало, трябва да е равен, или по-малък от 10 килоома.
Пуристите, които не желаят да използват полупроводникови диоди, могат да използват лампите EAA91,6AL5, или 6X6С, с леко преработване на схемата.

5.Намаляване на пулсациите в захранването.

Един от начините за намаляване на пулсациите в захранването е като увеличаваме капацитета на кондензаторите.
Увеличаването на капацитета става причина за увуличаване размерите на захранващия блок.
Удин от начините е да се използват електролитни кондензатори, а това прави захранването бавно и мудно.
Затова вариентът е да използваме хартиено-маслени и пропиленови кондензатори с по-малък капацитет, а за допълнително изглаждане на пулсациите - дросели.
При използването на дросели, трябва да внимаваме да не получим честотно зависими трептящи кръгове!
Дроселите в комбинация с кондензаторите, могат да образуват трептящи кръгове възбуждащи се на на определена честота.
И понеже е трудно да предвидим всичко, добре е схемата на захранването да се проиграе със симулатор за всеки случай.
Ефикасно решение за изглаждане на пулсациите е да използваме идеята на Bench за намаляване на брума от отоплението при директно отопляемите лампи.
Ето вариант за прилагането му:

Схема 13.

За реализирането на този вариант, трябва да имаме свободна (неизполвана) намотка на мрежовият трансформатор със стойност примерно 6,3V.
Ако нямаме такава, можем да навием допълнителна намотка на трансформатора за 5 - 6V променливо напрежение.
Двете намотки трябва да се свържат противофазно!
За целта с точка на схемата е отбелязано началото на всяка от намотките.
При настройването първо търсим с тример-потенциометэра R2 намаляване на брума (пулсациите) в говорителя на колоната.
След това, чрез R4 се стремим максимално да ги подтиснем.
Контрол освен чрез звуковата колона, можем да извършим и с помоща на осцилоскоп, чрез който няблюдаваме подтискането на пулсациите в анодната верига.

Практиките изложени до тук, водят до допълнително подтискане на брума и подобряване на звуковата картина.
Но не бива да забравяме принципите изложени по-горе и да не прекаляваме с прекалено усложняване.
Както казват хората: Прекаленият светец и Богу не е драг!
Лично аз предпочитам да използвам максимално опростени решения с минимално количество на детайлите.
Дори усилвателят да има лек брум при доближаване на ухото до колоната, важното е в точката на слушане той да не се чува.
Влиянието на такъв брум върху качеството на звуковата картина е пренебрежимо малко.

Използвани източници и литература:
1.http://diyaudioprojects.com/mirror/members.aol.com/sbench/humbal.html



НАЧАЛНА СТРАНИЦА
Страницата е подготвена и се поддържа от
Ан.Гърков
гр.София - 2013 год.