Устранение фона переменного тока в ламповых усилителях

Одной из главных проблем, с которой приходится бороться при разработке и создании высококачественных ламповых УНЧ, является фон переменного тока. При этом под фоном переменного тока понимается существующее на выходе усилителя помимо полезного сигнала напряжение, которое имеет частоту, равную или кратную частоте напряжения сети питания. Наличие рассматриваемого фона переменного тока в любом звуковоспроизводящем устройстве является очень серьезным недостатком, поскольку такой фон сужает динамический диапазон усилителя и резко ухудшает субъективное впечатление от воспроизводимого сигнала.

Основные причины, вызывающие появление фона в ламповых усилителях НЧ, условно могут быть разделены на несколько групп, две из которых являются основными: пульсации питающих напряжений и наводки переменного тока на различные цепи в усилителе. Поэтому устранение фона должно вестись соответственно в двух направлениях, а именно улучшением фильтрации питающих напряжений и снижением влияния наводок.

Одной из основных причин появление фона в ламповых УНЧ являются пульсации выпрямленного напряжения, питающего цепи анодов и экранных сеток ламп. При этом влияние пульсаций тем меньше, чем выше внутреннее сопротивление лампы. Как известно, внутреннее сопротивление пентодов больше, чем у триодов, поэтому с данной точки зрения в первых каскадах лампового усилителя лучше применять пентоды. Помимо этого добиться уменьшения фона, возникающего из-за пульсаций напряжения, можно усовершенствованием схемы и улучшением параметров выпрямителя.

При использовании дросселя в фильтре источника питания этот элемент в значительной степени определяет уровень фона. Индуктивность дросселя обычно имеет порядок 5-20 Гн и должна мало зависеть от тока нагрузки. Для улучшения фильтрации полезно зашунтировать дроссель конденсатором, величина емкости которого выбирается с таким расчетом, чтобы образовался контур, настроенный на частоту пульсаций (100 Гц при двухполупериодном выпрямлении). Принципиальная схема фильтра с контуром такого типа показана на рис. 1.

Причины возникновения фона переменного тока могут заключаться и в том, что или экранные сетки ламп питаются недостаточно сглаженным напряжением, или анодный ток излишне нагружает элементы сглаживающего фильтра. Так, например, в оконечных каскадах усилителей анодные и экранные цепи ламп часто питаются напряжением с одинаковыми пульсациями. Однако допустимые пульсации экранного напряжения для большинства оконечных пентодов и лучевых тетродов в 20-30 раз меньше, чем пульсации напряжения анода. Поэтому цепи экранных сеток должны питаться через дополнительную сглаживающую цепь.

С целью уменьшения влияния утечки между катодом и нитью накала иногда для первых каскадов усилителя рекомендуется вместо цепей автоматического смещения использовать отдельный выпрямитель с фильтром, с помощью которого формируется постоянное напряжение смещения, подаваемое на сетку лампы. Принципиальные схемы возможных вариантов таких выпрямителей приведены на рис. 2. В качестве источника входного переменного напряжения могут использоваться как обмотка накала (рис. 2, а), так и специальная обмотка (рис. 2, б) силового трансформатора.

В процессе разработки, создания и налаживания высококачественных ламповых усилителей низкой частоты основное внимание следует уделять выявлению и устранению наводок. Дело в том, что в настоящее время в любительских конструкциях УНЧ обычно применяются схемы источников питания, практически не отличающиеся от промышленных образцов, подробно описанных в литературе и проверенных в эксплуатации. Поэтому при исправных элементах и отсутствии ошибок во время сборки выпрямителя влияние пульсации питающих напряжений значительно снижается, а причиной появления шумового фона на выходе усилителя обычно бывают наводки переменного тока.

Наводимые в цепях усилителя паразитные напряжения чаще всего невелики и обычно не превышают нескольких милливольт. Поэтому влияние наводок наиболее ощутимо проявляется в первых каскадах усилителя, где напряжения полезного сигнала соизмеримы с наводимым напряжением фона. Все возникающие в ламповых УНЧ наводки переменного тока условно можно разделить на статические и магнитные.

Обычно статические наводки возникают за счет появления паразитной емкости между какими-либо цепями усилителя, чувствительными к фону, и проводами, по которым протекает переменный ток. Особой чувствительностью к статическим наводкам отличаются, например, цепи сеток ламп входных каскадов. При этом, чем больше сопротивление в цепи сетки, на которую происходит наводка, и чем выше разность потенциалов между этими проводами, тем сильнее наводка. Поэтому наводки переменного тока резко усиливаются, если происходит обрыв в цепи утечки сетки какой-либо из ламп первых каскадов.

Для определения каскада, на который действует наводка, достаточно поочередно замкнуть на корпус управляющие сетки всех ламп усилителя, начиная с первой. Прекращение или резкое уменьшение фона при замыкании сетки одной из ламп свидетельствует о том, что происходит наводка переменного тока на сеточную цепь именно этой лампы. Если наводки в усилителе не обнаружены, но при воспроизведении прослушивается фон, это указывает на то, что напряжение фона поступает на усилитель с устройства, подключенного к его входу.

По сравнению со статическими наводками переменного тока магнитные наводки, как правило, оказывают меньшее влияние, за исключением тех случаев, когда источником наводки является поле силового трансформатора, а объектом - какой-либо элемент усилителя, имеющий обмотку.

Довольно часто создателям любительской ламповой звуковоспроизводящей аппаратуры приходится бороться с наводками, причиной которых является наличие общих цепей для переменного тока и сигнала или же использование общих цепей для переменного и постоянного питающего напряжения. Так, например, не рекомендуется использовать в качестве одного из проводов, подводящих сигнал к входу усилителя, оплетку экранированного провода. Для подведения сигнала лучше всего применить два экранированных провода или двойной провод в общем экране, а общую оплетку соединить с шасси усилителя. При несоблюдении этого правила фон может иметь значительную величину, так как напряжение, наводимое на оплетке, будет подаваться на вход вместе с сигналом.

По этим же соображениям в высококачественных ламповых усилителях НЧ не следует использовать общий минусовой провод или шасси в качестве одного из проводов накала. На рис. 3. приведены примеры неправильного (а) и правильного (б) монтажа первого каскада усилителя, в котором шасси служит одним из проводов накала.

При использовании в первом каскаде усилителя, например, пентода 6Ж1П, неправильный монтаж цепи накала может привести к тому, что увеличение переходного сопротивления контакта на шасси до 0,05 Ом вызовет появление на выходе усилителя значительного фона, эквивалентного подаче на его вход напряжения 3 мВ.

Одним из самых простых и, в то же время, самым эффективным методом предотвращения наводок является применение экранов. Необходимо отметить, что электрические и магнитные экраны должны быть тщательно заземлены, иначе их использование может привести к противоположному результату - усилить, а не ослабить фон. В первую очередь, специальная экранирующая обмотка наматывается между первичной и вторичными обмотками силового трансформатора источника питания. Помимо этого лампы входных каскадов должны размещаться на ламповых панельках со специальными экранами. Тщательно экранировать следует все разветвленные сеточные и анодные цепи первых каскадов, например, какие-либо корректирующие фильтры, помещая все детали данной цепи с монтажными платами в общий экран.

Для подключения источника сигнала к входу усилителя рекомендуется использовать экранированные провода и коаксиальные разъемы, поскольку обычные штыревые гнезда и вилки, имея довольно большие незащищенные поверхности, могут явиться причиной сильного фона.

Все детали, используемые в цепях, чувствительных к фону, для уменьшения наводок должны иметь как можно меньшие габариты. При этом их металлические корпуса также следует заземлять. Необходимо надежно заземлять и массивные металлические элементы конструкции, расположенные вблизи входных каскадов. Особое внимание следует уделять заземлению корпусов переменных сопротивлений, поскольку чаще всего они не соединены с осью потенциометра.

Один из методов, часто используемых для уменьшения фона переменного тока, нередко называют компенсационным. Его сущность состоит в том, что к управляющей сетке одного из каскадов усилителя подводится переменное напряжение, равное по величине напряжению фона, действующему на этой сетке. В результате, если фазы напряжений фона и добавочного сигнала будут точно противоположны, то суммарное напряжение будет равно нулю, а фон окажется скомпенсированным. Главным недостатком этого метода является то, что со временем вследствие старения могут изменяться параметры ламп и других элементов, что приведет к нарушению компенсации. Поэтому применение подобных методов устранения фона в высококачественных усилителях нежелательно.

Компенсационный метод может применяться и для уменьшения пульсаций переменного тока в блоках питания. Так, например, при большом выпрямленном токе сердечник дросселя фильтра значительно намагничивается, что вынуждает увеличивать его сечение для сохранения прежней индуктивности. Однако для уменьшения пульсаций можно намотать на дроссель компенсационную обмотку. Принципиальная схема фильтра с компенсационной обмоткой приведена на рис. 4. К сожалению, полной компенсации получить таким способом не удается, однако уровень фона заметно снижается.

Необходимо отметить, что резкое увеличение уровня фона с одновременным понижением выпрямленного напряжения происходит в случае каких-либо неисправностей элементов выпрямителя, например при повышении утечки электролитических конденсаторов фильтра, потере эмиссии кенотрона или перегорании нити накала одного из диодов кенотрона. Поэтому прежде чем включать компенсационную обмотку, следует убедиться в исправности всех элементов выпрямителя.

Одним из вариантов применения компенсационного метода является подача противофазного сигнала на катод лампы последнего каскада предварительного усилителя. Принципиальная схема такого каскада приведена на рис. 5.

В этом случае с движка подстроечного потенциометра R5, включенного между выводами обмотки накала силового трансформатора по схеме с искусственной средней точкой, снимается управляющий сигнал. Данный сигнал через цепочку R4C2 подается на катод лампы последнего каскада предварительного усилителя. В процессе работы с усилителем регулировкой потенциометра R5 можно на слух установить минимальный уровень фона.

Одним из вариантов уменьшения компенсации фона переменного тока в оконечном каскаде лампового усилителя НЧ с трансформаторным выходом является использование дополнительной обмотки дросселя сглаживающего фильтра выпрямителя. Эта обмотка подключается последовательно со звуковой катушкой и вторичной обмоткой выходного трансформатора. В результате фон переменного тока компенсируется вследствие того, что на звуковую катушку низкочастотного динамика акустической системы подается переменное напряжение, фаза которого противоположна фазе напряжения фона, наводимого во вторичной обмотке выходного трансформатора. Принципиальная схема выходного каскада с подключением дополнительной обмотки дросселя приведена на рис. 6.

Количество витков дополнительной обмотки дросселя зависит от сопротивления звуковой катушки динамика и обычно составляет от 20 до 40 витков медного лакированного провода диаметром 0,8-1,0 мм. Фаза снимаемого с этой обмотки напряжения подбирается опытным путем с помощью изменения порядка подключения выводов.

Естественно, такой способ компенсации можно применять только в том случае, если в схеме источника питания используется сглаживающий дроссель. К тому же с помощью рассмотренной схемы компенсируется лишь та составляющая фона, которая возбуждается в выходном каскаде. Поэтому данный способ компенсации фона переменного тока широкого распространения не получил.