Наметившаяся в последние годы устойчивая тенденция расширения сферы использования электронных усилительных ламп в звукотехнике переросла в явление, которое можно уверенно назвать "ламповым ренессансом". Прочно заняв свою нишу среди усилителей мощности класса Hi-End, лампы понемногу нашли применение и в других типовых узлах аналогового аудиотракта, в том числе в фонокорректорах проигрывателей для воспроизведения виниловых пластинок. В статье приводится способ реализации АЧХ фонокорректора по спецификации RIAA, собранного на стержневых электронных лампах. Подробное описание и особенности ламп стержневой конструкции приведены в [1-3]. Здесь отметим некоторые преимущества их применения как в целом, так и в корректирующих предварительных усилителях НЧ.
1.Сравнительно невысокая рабочая температура баллона лампы (не более +85 оС, обычно около +40...50 оС).
2.Небольшие массогабаритные показатели, диаметр баллона - 8...10 мм, масса - 4...5,5 г.
3.Наличие гибких выводов для монтажа на плату.
4.Устойчивость к вибрациям и существенно меньшее проявление микрофонного эффекта из-за большей жёсткости конструкции (отсутствие сеток).
5.Малый ток накала (типовые значения - десятки миллиампер).
6.Высокая эффективность использования катодного тока (0,9...0,98 против 0,65...0,85 у обычных "сеточных" ламп).
7.Малые значения межэлектродных ёмкостей, особенно проходной, что позволяет свести к минимуму проявление эффекта Миллера, высокие входное и выходное сопротивления.
8.Низкий уровень шума, обусловленный малыми значениями токов вторых электродов. Зависимость уровня шума от напряжения второго электрода имеет явно выраженный минимум при напряжении 30...50 В. Зависимость уровня шума от напряжения управляющего электрода выражена слабо.
9.Сравнительно небольшие значения напряжения перегиба пентодной АЧХ (20...30 В), что даёт возможность нормальной работы при небольших анодных напряжениях.
10.Крутизна характеристики имеет наибольшее значение при напряжении на экранирующем электроде, близком по значению к анодному напряжению, и мало изменяется при изменении анодно-экранного напряжения.
11.При использовании этих ламп в триодном режиме обязательным является соединение защитного электрода с катодом. Также не допускается подача на этот электрод положительного напряжения в пентодном режиме. Невыполнение этого условия приводит к нарушению фокусировки электронного потока.
Преимущества стержневых ламп наиболее явно проявляются в носимых приёмно-усилительных устройствах с батарейным питанием, однако и в стационарных устройствах звукового диапазона позволяют реализовать интересные схемные решения с достаточно высокими параметрами.
Основные технические характеристики
Номинальноевходное напряжение, мВ ...............3
Номинальноевыходное напряжение, мВ ...............500
Входное сопротивление, кОм ...............47
Входная ёмкость, пФ ...............220
Выходное сопротивление, кОм, не более ...............20
Отклонение АЧХ от стандартной RIAA, дБ, не более ...............±1
КНИ при номинальном входном напряжении, %, не более ...............0,3
Перегрузочная способность (на частоте 1 кГц при появлении в спектре пятой гармоники и КНИ не более 2 %), дБ, не менее ...............17
Уровень шума (невзвешенный), дБ, не более ...............-66
Уровень фона, дБ, не более ............... -54
Переходное затухание между каналами, дБ, не менее ...............54
Разброс коэффициента усиления между каналами (без предварительного подбора элементов при условии разброса по электрическим параметрам не более ±10 %), дБ, не более ...............±2
Время готовности (при отклонении анодных напряжений от номинальных не более±10 %), мин, не более ...............5
Фонокорректор используется в качестве замены штатного предусилителя проигрывателя "Арктур-006". Это объясняет некоторые особенности схемных и конструктивных решений. Однако он с успехом может быть применён в составе любого комплекса аудиотехники со звуковоспроизводящими головками типа MM или High MC с номинальным выходным напряжением 3...5 мВ при условии установки корректирующего конденсатора соответствующей ёмкости и, при необходимости, резистора. Уровень номинального выходного напряжения и выходное сопротивление фонокорректора позволяют подключать его напрямую к темброблоку УМЗЧ с входным сопротивлением не менее 100 кОм без дополнительных усилительных или согласующих устройств. Например, в авторском варианте используется темброблок с ДУ по Wi-Fi [4].
Рис. 1. Схема одного канала фонокорректора и блока питания
Схема одного канала фонокорректора и блока питания приведена на рис. 1. Схемы обоих каналов идентичны. Это классический вариант двухкаскадного усилителя НЧ с ёмкостной связью без общей ООС. Сигнал с головки BS1 поступает непосредственно на управляющий электрод пентода VL1 1Ж18Б. Входные сопротивление и ёмкость усилителя практически полностью определяются элементами R2 и С3 соответственно. Катод VL1 имеет гальваническую связь с общим проводом, поэтому АЧХ каскада в области НЧ определяется только цепями частотной коррекции. Стандартная цепь коррекции АЧХ R3R4C5C6 подключена непосредственно в качестве анодной нагрузки лампы VL1. Благодаря высокому выходному сопротивлению пентода на рабочем участке ВАХ (несколько мегаом) передаточная АЧХ каскада также полностью определяется элементами пассивной коррекции. Такое решение позволяет, во-первых, ещё более снизить проявление эффекта Миллера из-за уменьшения усиления на ВЧ, во-вторых, сохранить хорошую перегрузочную способность с ростом частоты по той же причине.
К слову, для оценки перегрузочной способности усилителя использовался достаточно жёсткий критерий появления пятой гармоники в спектре выходного сигнала (т. е. когда её уровень превысит уровень шумов). Усилитель при этом не входит в режим ограничения сигнала, а общий КНИ не превышает 2 %. Изменение сопротивления анодной нагрузки переменному току практически не влияет на КНИ на выбранном участке ВАХ, и он не превышает 0,3 % во всём диапазоне частот. При номинальном входном напряжении в спектре присутствует только вторая гармоника (рис. 2). С ростом уровня входного сигнала до +4 дБ появляется четвёртая гармоника, нечётные гармоники в спектре по-прежнему отсутствуют, а КНИ составляет 0,4...0,5 % (рис. 3). Спектр выходного сигнала при уровне +17 дБ показан на рис. 4. При этом определяющими являются амплитуды второй и третьей гармоник. Уровни четвёртой и пятой составляют около 0,1 % и 0,06 % соответственно.
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 4.
С выхода первого каскада (анода лампы VL1) сигнал поступает на управляющий электрод лампы VL2 через конденсатор C7. Сопротивление резистора утечки R5 в цепи этого электрода должно быть не менее 150 кОм и не более 1 МОм. Второй каскад выполнен по схеме с динамической нагрузкой с целью реализации максимального коэффициента усиления. Динамическая нагрузка выполнена на полевом транзисторе VT1, включённом как истоковый повторитель. Выходной сигнал с его истока поступает в нагрузку через конденсатор C8.
Питание усилителя осуществляется от двухполупериодного выпрямителя на диодах VD1-VD4 и сглаживающих конденсаторах C9, C10, к средней точке которого подключён узел питания цепей накала ламп.
В усилительных каскадах на прямонакальных лампах с высоким усилением особый вопрос заключается в критичности величины пульсаций напряжения накала, поскольку напряжение пульсаций оказывается приложено непосредственно к входу устройства и усиливается вместе с полезным сигналом. Для получения удовлетворительного уровня фона при номинальном входном напряжении 3...5 мВ необходимо обеспечить уровень пульсаций не более нескольких микровольт. В этой конструкции эта задача, в основном, решается применением ионистора в цепи накала ламп. Питание нитей накала осуществляется от простого стабилизированного источника напряжения, собранного на элементах VT2VD8R9R10C11, через резистор R11, который, во-первых, ограничивает зарядный ток ионистора и, соответственно, ток нагрузки стабилизатора. Во-вторых, предотвращает перегорание нитей накала ламп при возможном пробое транзистора VT2. В-третьих, значительно облегчает тепловой режим транзистора VT2, рассеивая примерно половину "лишней" мощности. Суммарный ток накала ламп не превышает 100 мА. Время готовности устройства зависит от постоянной времени R11C15 и определяется по достижению напряжения накала 0,95 В. При этом отклонение значений анодных напряжений от номинальных не превышает ±10 %.
Питание анодных цепей осуществляется через классический параметрический стабилизатор напряжения VD5-VD7R8C12C13 с межкаскадным фильтром R6C2C4. Комплекс принятых мер позволяет получить значение уровня фона не более -54 дБ, характерное для ламповых конструкций. Без использования стабилизатора в цепи накала, только с балластным резистором сопротивлением 180...200 Ом, уровень фона не превышает -48 дБ.
Экранирующие электроды всех ламп соединены вместе, напряжение смещения на них задано сопротивлением резистора R1. По переменному току они подключены к общему проводу через конденсатор C1.
Причина, по которой предпочтение в целом отдано стержневому пентоду перед, например, нувистором (миниатюрным малошумящим триодом), - это сочетание большого коэффициента усиления и высокого выходного сопротивления, благодаря чему удаётся сократить необходимое число каскадов и применить способ частотной коррекции в анодной нагрузке. Из всех стержневых пентодов 1Ж18Б является лампой с минимальным значением эквивалентного шумового сопротивления, что позволяет получить хорошее соотношение сигнал/шум. Также этот пентод обладает малым значением тока анода при нулевом смещении и хорошей симметрией характеристик при напряжении смещения, равном напряжению накала (1,2 В). Режимы ламп выбраны исходя из условия обеспечения минимального уровня шума и малого значения КНИ.
Рис. 5. Расположение элементов на макетной монтажной перфорированной плате
Конструкция. Фонокорректор собран на макетной монтажной перфорированной плате размерами 100x58 мм с шагом отверстий 2,54 мм. Расположение на ней элементов показано на рис. 5. На плате размещены также ионистор C15 и элементы цепей питания VD5-VD7, C12-C14. Монтаж следует производить с соблюдением требований, предъявляемых обычно к усилителям НЧ с высокой чувствительностью по входу, и с учётом особеннос-тей конструкций на стержневых лампах [1]. Готовый узел фонокорректора размещают в экране с внутренними размерами 100x58x20 мм из листовой стали толщиной 1 мм, штатно установленном в проигрывателе "Арктур-006". Корпус соединяют с общим проводом фонокорректора в одной точке, к которой также подключают минусовый провод питания от выпрямителя. Выпрямитель, в свою очередь, собран на штатной печатной плате блока питания усилителя-корректора, с которой предварительно удалены все элементы, за исключением выпрямительных диодов VD1-VD4. Новые элементы установлены методом навесного монтажа с использованием существующих контактных площадок. Транзистор VT2 снабжён теплоотводом в виде пластины из алюминия толщиной 3 мм и размерами 21x17 мм. Ввиду простоты схемы выпрямителя размещение его элементов на плате не приводится. Для питания трансформатора T1 используются штатные цепи питания проигрывателя. При монтаже следует помнить, что общим проводом нового фонокорректора является минусовая линия источника питания, а штатного - его средняя точка.
Разъёмы XS1 обоих каналов выведены в корпусные отверстия штатных разъёмов и размещены на пластине из гетинакса толщиной 1 мм, закреплённой на корпусе проигрывателя винтовыми соединениями М3. Для их подключения используются выводы конденсатора C8 и/или короткие (до 2 см) отрезки гибкого монтажного провода. Для подключения входных цепей используются штатные экранированные провода от разъёма звукоснимателя. Все проводные соединения выполнены гибким многожильным проводом МГТФ-0,12, за исключением цепей накала, для них использован провод МГТФ-0,35.
Налаживание правильно собранного усилителя начинают с установки напряжения накала. Для этого сначала разрывают цепь питания анодов в точке соединения резистора R8 и конденсатора C9 и цепь накала отключением нижнего (по схеме) вывода резистора R11. Подав напряжение питания, убеждаются в наличии напряжения + 10,6 В ±5 % на резисторе R10. Для ускорения процесса дальнейших измерений временно заменяют ионис-тор оксидным конденсатором ёмкостью 220...1000 мкФ на напряжение 6,3 В и восстанавливают подключение резистора R11. Подборкой этого резистора добиваются напряжения накала +1,2 В ±10 %. Восстановив цепь анодного питания, убеждаются в наличии напряжения +42 В на конденсаторе C12. Затем подборкой резистора R1 устанавливают напряжение на анодах ламп VL1 обоих каналов +30 В ±10 %. При этом на экранирующих электродах должно быть напряжение +30...35 В. При разбросе анодных напряжений VL1 разных каналов менее ±10 % налаживание продолжают. При разбросе до ±20 % рекомендуется установить дополнительный резистор между резистором R1 и экранирующим электродом лампы с меньшим анодным напряжением. Сопротивление этого резистора подбирают по равенству значений анодного напряжения в каналах. При этом экранирующий электрод шунти-руют по переменному току на общий провод подключением дополнительного конденсатора ёмкостью 4,7...10 мкФ на напряжение не менее 50 В. При разбросе анодных напряжений более ±20 % лампу с более высоким анодным напряжением следует заменить. Затем временно устанавливают в анодную цепь лампы VL2 вместо комплексной динамической нагрузки VT1R7 каждого канала резистор сопротивлением 47 кОм и убеждаются в том, что значение анодного напряжения составляет +30 В ±1о %. При необходимости корректируют сопротивления смещения экранирующих электродов. В случае недостаточного для подбора числа ламп с большим разбросом параметров рекомендуется устан овить отдельные резисторы смещения на экранирующий электрод каждо й лампы. В завершение восстанавливают динамическую нагрузку в аноде лампы VL2 и её анодное напряжение устанавливают подборкой резистора R7 для каждого канала. Если подобранные сопротивления резисторов отличаются более чем на ±20 %, рекомендуется подобрать также полевые транзисторы по напряжению отсечки и начальному току стока. На этом налаживание считают законченным и устанавливают ионистор. Контроль напряжений накала и анодов при подключённом ионисторе можно проводить не ранее, чем через 5 мин после включения устройства.
Детали. Стержневые пентоды 1Ж18Б можно заменить пентодами 1Ж24Ббез изменений в номиналах других элементов, за исключением резистора R1, его сопротивление надо увеличить примерно вдвое. При этом возможно некоторое снижение коэффициента усиления, увеличение КНИ и уровня шума и уменьшение уровня фона. Полевые транзисторы BF245B можно заменить транзисторами BF245C или отечественными серии КП303 с напряжением отсечки 1,5...4 В и начальным током стока 5...15 мА. Транзистор КТ972А можно заменить составным из транзисторов серий КТ3102 и КТ817 с любыми буквенными индексами или серий BC547, BD139. Выпрямительные диоды VD1-VD4 могут быть серий КД105, 1N4002-1N4007. Стабилитроны VD5 и VD8 - КС512А, 1N4741 - 1N4743 с напряжением стабилизации 11.13 В при токе 10 мА, стабилитроны VD6, VD7 - КС515Г, 1 N4744. Все постоянные резисторы - С2-33Н или МЛТ. Оксидные конденсаторы - К50-35, К50-68 или аналогичные импортные, неполярные конденсаторы - К10-17б на напряжение 63 В. Ионистор C15 - VEC3R0106QG или аналогичный, ёмкостью 4,7...10 Ф на напряжение 2,7 Вс гибкими выводами. РазъёмXS1 - гнездо RCA ("тюльпан") позолоченный.
В качестве трансформатора T1 может быть использован любой малогабаритный с напряжением вторичной обмотки 2x18 В при токе нагрузки не менее 0,2 А. Предпочтительно применить экранированный трансформатор.
Литература
1. Суханов В., Киреев А. Стержневые лампы. Принцип работы и конструкция. - Радио, 1960, № 7, с. 34-38.
2.Азатьян А., Пароль Н. Параметры стержневых ламп. - Радио, 1960, № 7, с. 38.
3.Суханов В., Киреев А. Стержневые лампы. Особенности применения. - Радио, 1960, № 10, с. 49-52.
4.Панкратьев Д. Темброблок с Wi-Fi ДУ через Web-интерфейс. - Радио, 2021, № 8, с. 16-19.
Автор: Д. Панкратьев, г. Ташкент, Узбекистан