Hi-end-усилители на «военных» лампах. Методика расчета цепей коррекции для винил-корректоров без обратных связей (А. С. Храмушин)

Отдельной строкой стоит пропеть дифирамбы двум одесским парням, написавшим великолепную работу по расчету усилителей-корректоров для воспроизведения грамзаписи. Называется эта чудная работа:

Евгений Бабиченко, Игорь Гапонов. Усилители RIAA- коррекции на вакуумных триодах для «скоростных» (электродинамических) звукоснимателей. Некоторые принципы построения схем без обратных связей. Расчёт и настройка корректирующих цепей.

На просторах Интернета она имеется. В этой статье на высоком уровне проработаны математическая модель расчета и практические советы по созданию винил-корректоров. Язык изложения может кому-то показаться странным, но, в конце концов, это не диссертация и не учебник для ВУЗов и техникумов. Лично меня порадовало в этой работе и то, что среди первоисточников авторы указали труд начальника кафедры ТЭРЦ Воронежского Высшего Военного Инженерного Училища Радиоэлектроники полковника Змия Бориса Федоровича. «А причем тут Воркута? А я сидел там». Точнее, я там учился, в смысле в ВВВИУРЭ. Но моя задача, как оговаривалось ранее, состоит в том, чтобы предоставить методики расчетов и построения усилителей, доступные даже призывнику из Узбекистана. Обвинять меня в расизме не надо, лучшие армейские повара, как правило, были узбеками. Ну, когда еще был СССР. Посему ниже будет представлена методика упрощенного расчета для нескольких типовых видов цепей коррекции без обратных связей. Поскольку методика упрощенная, объяснений, что откуда берется, в ней не будет. Чисто практическая методика, рассчитанная на человека, владеющего арифметикой и знакомого с законами Ома (в пределах школьной программы), дающая удовлетворительный результат на практике. Будут рассмотрены:

1.Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в классической схеме усилителя-корректора

2. Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в схеме усилителя-корректора с непосредственными связями

3.Расчет усилителя-корректора с формированием постоянной времени t1 на собственной индуктивности головки звукоснимателя.

4.Расчет усилителя-корректора с коррекцией, распределенной по каскадам

1.Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в классической схеме усилителя-корректора

Это наиболее часто применяемая цепь коррекции, позволяющая формировать три постоянные времени коррекции. См. рис.7.

Рис.7. Принципиальная схема идеальной цепи коррекции.

Посмотрев на схему, можно увидеть, что постоянная времени τ₁ формируется цепочкой R1C1, а цепочка R1R2C2 формирует две постоянных времени: τ₂ и τ₃. В качестве примера расчета возьмем стандарт IEC N78 в котором:

τ₁=50 мкс

τ₂=450 мкс

τ₃=3180 мкс

И, вот, мы стоим перед уравнением с четырьмя неизвестными R1, R2, C1, C2. Извечный вопрос русской интеллигенции: « Что делать»? Извечный ответ ей русского народа: «Э-э, интеллигенция… Одно слово, узок их круг и страшно далеки они от народа. Принимаем волевое решение!» Правда, про круг сказал не народ. В общем, волюнтаристски назначаем (исходя из имеющихся в запасе номиналов) емкость конденсатора С2, так как расчет будет вестись от наибольшей потоянной времени t3=3180 мкс, а она связана с С2.

– Вычисляем сопротивление R2:

R2= τ₂ /C2

2.Вычисляем R1: R1= R2 (τ₃ -τ₂) (τ₂– τ₁) /τ₂²

3.Вычисляем С1: Если бы цепь R1С1 была отдельной, то С1=t1/R1. Но в реальности она включена в более сложную систему. Поэтому формула расчета С1 усложняется и принимает вид:

С1= τ₁ τ₃С2 / ((τ₃ -τ₂) (τ₂– τ₁))

Подставляем в формулы реальные значения элементов:

– Принимаем равным 0.03 мкф (постоянные времени берем в мкс, емкости в мкф), тогда:

R2=450/0,03 = 15000 Ом= 15 кОм,

R1= (3180—450) (450—50) *15/450²=80,88 кОм,

С1=0,00005*0,00318*0,03/ (0,00273*0,0004) =4368пф.

Рис.8 Принципиальная схема идеальной цепи коррекции стандарта IEC N78.

Все было бы хорошо с приведенным выше расчетом, если бы не: цепь коррекции, приведенная выше, представляет собой идеальный случай, когда цепь эта живет сама по себе, не включенная ни в какие другие каскады и цепи. В реальной жизни ее ставят между первым и вторым каскадами усилителя-корректора. См. рис.9.

Рис.9. Включение узла коррекции в реальную схему.

Первый каскад усиления на лампе Л1 имеет свое выходное сопротивление R_вых, последующий каскад на лампе Л2 имеет входное сопротивление R_вх (это сопротивление в цепи первой сетки Л2), которые становятся неотъемлемой частью узла коррекции и искажают всю, ранее рассчитанную, картину. В принципиальной схеме, учитывающей новые условия, сопротивление, обозначенное на рис.9 как R1, обозначим R_реал. Сделаем это, чтобы не путаться и помнить, что в макете будет впаян резистор с сопротивлением Rреал. См. рис 10.

Рис.10

Чтобы рассчитать сопротивление R_реал, которое необходимо установить в реальный макет усилителя, нужно составить эквивалентную схему цепи коррекции. Разделительный конденсатор С_р имеет сравнительно большую емкость (порядка 1 мкф), т.е. малое сопротивление по переменному току, поэтому при составлении эквивалентной схемы мы его игнорируем, считая, что он замкнут накоротко. См. рис. 11.

Рис.11

Далее полагаем, что цепочки С1, С2R2 сохраняют свои значения и их пересчитывать не надо (по постоянному току цепь разорвана). Значение R_вхмы задаем сами, исходя из имеющихся в запасе номиналов сопротивлений. В нашем случае выбираем R_вх=270кОм.

Выходное R_вых сопротивление первого каскада равно (внутреннее сопротивление лампы R_i соединяется параллельно с сопротивлением в цепи анода R_a через источник питания)

R_вых= R_i R_a / (R_i+ R_a)

Сопротивление R_a в цепи анода Л1 выбирается по нагрузочной прямой построенной на ВАХ лампы и в нашем случае для лампы 12Ж1Л равно 62 кОм. Значение R_i берется из справочника и составляет 800 кОм. Итак, подставляя эти значения в формулу получаем:

R_вых= 62*800/ (800+62) =57.5 кОм.

Для сохранения расчетных характеристик цепи коррекции необходимо, чтобы сопротивление цепочки RвхRвыхRреал равнялось R1

Рис 12.

Рис.13

По эквивалентной схеме, составляем уравнение:

R1= (R_реал+R_вых) R_вх / (R_реал+R_вых+ R_вх)

В рассматриваемом случае вычисленное ранее значение R1 составляет 80,88 кОм. В итоге, подставив известные значения сопротивлений в формулу, получаем уравнение: 80,88= (R_реал+57,5) 270/ (R_реал+57,5+270) (Все сопротивления даны в килоомах). Решив его, получаем значение R_реал=57.97 кОм. В итоге принципиальная схема цепи корректора на лампе 12Ж1Л для стандарта IEC78 приобретает вид, показанный на рис.14:

Рис.14

При сборке макета можно попытаться точно подобрать вычисленные значения элементов цепи, но на практике это лишь усложнит работу. Мало того, в реальном макете присутствуют такие неприятные вещи как паразитные емкости, индуктивности и сопротивления монтажа. Они, безусловно, малы, но в некоторых случаях ощутимы. Так, например, паразитная емкость монтажа находится в диапазоне 50—200 пф. Что уже ощутимо для постоянной времени τ₁=50 мкс. Значит, при подборе емкости С1 можно выбрать конденсатор с меньшей, чем расчетная, емкостью. Примерно 4368—68=4300 пф. Т.е. стандартный номинал. Сопротивление R1 близко к 58 кОм, но выбор в сторону увеличения от вычисленного номинала, как показывает практика, вреднее, чем в сторону уменьшения. Ближайший стандартный номинал – 56 кОм. При выборе такого номинала расхождение с расчетными характеристиками составит:

R1= (R_реал+R_вых) R_вх / (R_реал+R_вых+ R_вх) =

(57,5+56) *270/ (57,5+56+270) =79.9 кОм

Что составляет 98,7% от 80.88 кОм расчетных. Учитывая, что внутреннее сопротивление ламп величина справочная и не является точной, то допуск 1.3% на практике вполне приемлем. Принципиальная схема тогда принимает привычный для радиолюбителя-пионера вид (рис.15)

Рис.15. Принципиальная схема узла коррекции IEC N78 со стандартными значениями номиналов радиокомпонентов.

2. Расчет сосредоточенной цепи коррекции, рекомендованной RIAA в схеме усилителя-корректора с непосредственными связями

Начальные условия:

Расчет идеальной цепи (не включенной в устройство) рассмотрен главой выше. Все расчеты производятся применительно к стандарту грамзаписи IEC N78, ламповому каскаду на лампе 12Ж1Л. Принципиальная схема приведена на рис.16

Рис.16

Поскольку резистор в цепи первой сетки лампы Л2 отсутствует, то Rвх=бесконечность. Эквивалентная схема упрощается см. рис.17.

Рис.17

Значение R1 вычислено ранее и равно 80,88 кОм. Формула для вычисления Rреал, исходя из эквивалентной схемы, приобретает вид:

R_реал= R1-R_вых,где R_вых=R_iR_a / (R_i+R_a)

вычислено ранее и составляет 57.5 кОм

в схеме R_реал=80,88—57,5=23,38. Ближайший к 23,38 кОм типовой номинал сопротивления – 24 кОм. В результате полная принципиальная схема примет вид, показанный на рис.18.

Рис.18.Винил-корректор с непосредственными связями для стандарта грамзаписи IEC N78.

3.Расчет усилителя-корректора с формированием постоянной времени τ₁ на собственной индуктивности головки звукоснимателя

На рис.19 представлена принципиальная схема корректора постоянная времени τ₁ которого формируется при помощи собственной индуктивности головки звукоснимателя и сопротивления в цепи первой сетки лампы Л1 усилителя.

Рис.19. Винил-корректор стандарта RIAA с формированием τ₁ на собственной индуктивности ГЗМ.

Указанные на схеме R_гзм и L_гзм– это собственные сопротивление и емкость головки звукоснимателя.

Сразу следует оговориться (ссылаясь на И. Гапонова и Е. Бабиченко), что делать такой корректор имеет смысл при следующих ограничивающих условиях:

1. R1/ (R1+Rгзм)> 0,5

2. Емкость С_п (см. рис20) должна быть минимальна, т. е. если параллельно выходу проигрывателя включен конденсатор (такое бывает в промышленной аппаратуре), его надо удалить, или сделать отключаемым. С_п – суммарная ёмкость «кабель+ катушка+ усилитель+ монтаж+ и т.д.», имеющаяся на входе усилителя-корректора.

рис.20

В качестве примера проведем расчет для стандарта RIAA (RCA Victor):

τ₁=75мкс, τ₂=318мкс, τ₃= 3180мкс.

Постоянные времени τ₂ и τ₃ формируются цепочкой R6R7C7 R8. Значения С7 и R8 задаем волевым решением и считаем:

R8 = 270 кОм, С7= 0.0318 мкф

Далее расчет ведется по методике, изложенной в главе «Сосредоточенная цепь коррекции, рекомендованная RIAA в классической схеме усилителя-корректора».

R_вых=57.5 кОм (посчитано ранее),

R_вх=R8=270 кОм (задано).

Сопротивление R7 по постоянному току отключено и потому входное сопротивление второго каскада и выходное сопротивление первого каскада на него не влияют. Без всяких оглядок находим его значение:

R7= τ₂/C7= 3.18*10^—4/31.8*10^—9= 10000 Ом=10 кОм.

Для не включенной в реальный усилитель цепи коррекции сопротивление R6 рассчитывают по формуле

R6= τ₃/C7-R7.

R6=τ₃/C7-R7= 3.18*10^—4/31.8*10^—9—10000=

=90000 Ом= 90 кОм.

Теперь рассчитываем реальное значение R6_реалс учетом влияния R8 и R_вых. Применив формулу:

R6= (R_вых+ R6_реал) R8/ (Rвых+ R6_реал+R8)

И, подставив известные величины, получим уравнение:

90= (57,5+ R6_реал) *270/ (57,5+ R6_реал+270).

Решив его, получим R6_реал=77,5 кОм. Стандартный номинал – 75 кОм. При сборке корректора ставим R6=75 кОм.

Собственно говоря, на этом расчет можно было бы и закончить, а величину сопротивления R1 установить экспериментально, собрав установку, описанную у Гапонова И. и Бабиченко Е. в [7].

Ниже предлагается другой способ, на практике дающий такой же результат. Для этого необходимо иметь измеритель индуктивности (например, Е7—22) и омметр (измеряющий сопротивление постоянному току, подойдет любой мультиметр). Почему, спросите, нельзя использовать в качестве омметра тот же Е7—22. Потому, что он измеряет сопротивление на переменном токе и покажет большее значение из-за влияния индуктивности головки звукоснимателя.

Переходим к расчету цепи, формирующей τ₁=75 мкс. Собственно вычисляем значение R1.

Постоянная времени τ₁ цепи R1R_гзмL_гзмопределяется по формуле

τ₁=L_гзм / (R1+R_гзм), где

R_гзм – активное сопротивление головки звукоснимателя,

L_гзм – собственная индуктивность головки звукоснимателя.

1.При помощи мультиметра измеряем активное сопротивление катушки ГЗМ, и индуктивность ее прибором Е7—22 (на частоте 1 кГц). Значения запоминаем.

2.Используя вышеприведенную формулу вычисляем R1.

Пример:

τ₁=75 мкс, имеется ГЗМ Корвет-008. L_гзм= 0,62 Гн,

R_гзм= 1002 Ом.

R1= (L_гзм – R_гзмτ₁) /τ₁=

= (0.62—1002*0.000075) /0.000075=7264 Ом.

3.Подключив омметр ко входу корректора, вращением шлица подстроечного резистора R1 устанавливаем сопротивление равное вычисленному.

4. Подключаем к корректору проигрыватель и оконечный усилитель, подаем на все это питание, и слушаем музыку. Или тестовый диск.

4. Расчет усилителя-корректора с коррекцией, распределенной по каскадам

У корректора с распределенной по каскадам коррекцией есть как свои достоинства, так и недостатки. К достоинствам следует отнести легкость настройки постоянных времени, так как цепи коррекции разделены между собою каскадами усиления и можно считать, что не оказывают влияния друг на друга. К недостаткам – большее число каскадов. Впрочем, это может стать достоинством, если предполагается использовать МС головку воспроизведения, т.к. усиление корректора будет большим, что позволит обойтись без МС-трансформатора. В зависимости от типов применяемых ламп, может встать вопрос о величине шумов усилителя. Если верить теории и практике радиосвязи, основной вклад в шумность тракта вносит первый каскад усиления. То есть, есть смысл его делать на малошумящих элементах.

Показанная на рис.21 структурная схема может быть видоизменена в части расположения времязадающих цепей: возможно формирование τ₂,τ₃ после первого каскада, а τ₁ после второго.

Расчет элементов цепей коррекции мало чем отличается от представленного в предыдущих разделах. Просто, каждая цепь рассчитывается отдельно, так как взаимное влияние отсутствует.

Рис.21. Структурная схема винил-корректора с распределенной по каскадам коррекцией.

Пример:

Задано: Первые два каскада реализованы на лампах 12Ж1Л в пентодном включении, выходной каскад – на лампе 12Ж1Л в триодном включении. Формат грамзаписи TELDEC: τ₁= 50мкс, τ₂=318мкс, τ₃=3180мкс.

Емкость конденсатора С10 берем 0.0318 мкф, резистор R7= 100 кОм (т.к. второй каскад пентодный, это сопротивление нежелательно брать больше 100 кОм см. стр. 22). Сопротивление R6 примем равным 240 кОм. Сопротивление резистора R14 – 270 кОм. Rвых1 и Rвых2 (выходные сопротивления первого и второго каскадов соответственно) одинаковы, рассчитаны в предыдущих главах, и равны 57.5 кОм.

Постоянная времени τ₁ формируется после первого каскада, τ₂ и τ₃ после второго.

Рис.22 Принципиальная схема винил-корректора с распределенной по каскадам коррекцией. Стандарт записи TELDEC.

1.Расчет (приводится по эквивалентной схеме) цепи формирования τ₁=50мкс, приведенной на рис.23.

Сопротивления известны, осталось рассчитать емкость конденсатора С5 по формуле: С5= τ₁ /R_экв, где

R_экв = (R_вых+R6) R7/ (R_вых+R6+R7)

Рис.23. Эквивалентная схема рля расчета цепи коррекции τ₁.

C5=0,00005/75000=0,000000000668 Ф.

Из стандартного ряда выбираем С5=680 пф

2.Расчет τ₂= 318 мкс. Но цепь С10R13 разорвана по постоянному току, следовательно, активные сопротивления R12, R14 не оказывают на нее влияния. Спокойно рассчитываем сопротивление R13 (номиналы остальных элементов известны).

Если τ₂= R13*C10, то R13= τ₂/C10.

R13= 3.18*10^—4/ 31.8*10^—9=10000 Ом= 10 кОм.

3. Расчет τ₃ =3180 мкс.

Рис.24. Эквивалентная схема рля расчета цепи коррекции τ₂.

Для того, чтобы τ₃ составило 3180 мкс, очевидно, что суммарное сопротивление всей цепи коррекции должно быть R_сумм=τ₃/C10= 3.18*10^—3 /31.8*10^—9 =100000 Ом=100 кОм.

Суммарное сопротивление складывается из последовательно соединенных сопротивлений R13 и сопротивления цепи R_вых2R12R14. Сопротивление этой цепи (обозначим его как Rx) равно

R_x=R_сумм – R13=100—10=90кОм. Осталось, глядя на рис.25, составить уравнение для вычисления R12.

Рис.25. Эквивалентная схема рля расчета цепи коррекции τ₃.

R_x=R14 (R12+R_вых2) / (R14 (R12+R_вых2)

Подставив в это уравнение известные значения элементов найдем R12:

90=270* (R12+57.5) / (R12+57.5+270)

R12=13950/180=77.5 кОм

Итак, для построения корректора, производящего коррекцию по формату TELDEC, необходимы следующие номиналы радиоэлементов:

R6=75кОм, R12=77.5 кОм, R13= 10 кОм, С5=680пф, С10= 0.0318 мкф.