Бюджетный HI-END

При первом взгляде на схемы Hi-End усилителей возникает ощущение простоты схемных решений. и, как следствие, отсутствия каких-либо сложностей в реализации схем. Понимание того, что Hi-End звучание определяется высоким качеством технологии изготовления, приходит после того, как пройден весь путь - от желания иметь до готового усилителя. Этот путь включает в себя, в частности, знакомство с большим количеством литературы по тематике, включающей как теоретические статьи, так и описания практических конструкций.
Заметки, предлагаемые всеобщему вниманию, сложились, как попытка осмыслить и реализовать критерии, изложенные в этой литературе, в радиолюбительских условиях, то есть в условиях фиксированного бюджета.
Рассмотрим эти критерии:
1. Выбор активных элементов.
Не подвергается сомнению, что этими элементами должны быть радиолампы - ни транзисторы, ни  аналоговые интегральные микросхемы, ни усилители класса D (цифровые) до настоящего времени не могут обеспечить необходимого качества звучания. Это категорический вывод многих экспертов, проводивших субъективную оценку при сравнении ламповых усилителей Hi-End класса с самым современным акустическим оборудованием, включая оборудование домашних кинотеатров и аппаратуру, эмулирующую ламповое звучание.
Какие радиолампы являются наилучшими?  Из литературы определённо вытекает, что это лампы:
 - с большими межэлектродными расстояниями, где суперпозиция полей, воздействующих на электроны, излучаемые катодом, близка к равномерной. Этому критерию отвечают, в первую очередь,  проверенные временем, используемые во многих зарубежных и отечественных усилителях лампы типов 300В, 211 и т.п.[ Л1]. В "бюджетных" условиях к этому критерию ближе всего стеклянные генераторные лампы с высоким анодным и экранным напряжениями, небольшой крутизной и достаточной мощностью, рассеиваемой анодом, чтобы обеспечить необходимую выходную мощность в классе А.
- с малым термотоком управляющей сетки, создающим дополнительное смещение рабочей точки радиолампы на большом сопротивлении утечки.
Влияние термотока управляющей сетки проявляется тем заметнее, чем больше сопротивление утечки. То есть сведение к минимуму сопротивления утечки  существенно уменьшает  его влияние. Таким образом, решение вопроса лежит не в технологической, а в схемотехнической сфере.
1.      Второй очень важный вопрос - выбор схемы оконечного каскада - двухтактной или однотактной .
 На первый взгляд, двухтактный усилитель явно предпочтительнее, потому, что  он обеспечивает:
- подавление второй гармоники.
- вдвое больший линейный участок амплитудной характеристики
- вдвое большую выходную мощность
2.2 Однако есть большое <НО>, преодолеть которое технологически очень сложно. Это НО - несимметричность обоих плеч. Стремление добиться симметричности вызвало к жизни множество схем, которые соревнуются в точности подбора ламп, резисторов, количестве каскадов и схемотехнических приёмов, основанных на обратной связи и балансировке. Возрастает количество активных и пассивных элементов, появляются ограничительные условия, в итоге,  эти усилия порой сводят к нулю преимущества двухтактного выходного каскада. При этом остаются два больших недостатка. Они хорошо видны на амплитудной характеристике. 

Первый недостаток проявляется, как несовпадение рабочих точек двух ламп. Специальными методами балансировки рабочие точки ламп  могут быть  совмещены по току, но при этом, малейшее несовпадение рабочих точек или их расхождение от температуры, от времени, от напряжения питания, от динамических тепловых изменений (при изменении уровня сигнала) приводит к разрыву непрерывности сигнала, при этом -  в точке максимальной крутизны, где сигнал переходит через нулевое значение с максимальной скоростью. Подобный разрыв вызывает появление новых спектральных составляющих, что проявляется в  нелинейных искажениях, особенно заметных на малых сигналах.
Подобный недостаток совершенно отсутствует в однотактном усилителе, поскольку его амплитудная характеристика неразрывна на рабочем участке.
Второй недостаток - различные углы наклона амплитудных характеристик двух ламп - a и  b. При воспроизведении сигнала положительные и отрицательные полуволны сигнала усиливаются неодинаково. Это вызывает заметные искажения на большом сигнале.
Надо сказать, что добиться полной идентичности двух плеч невозможно -  можно лишь попытаться свести к минимуму их неидентичность. При этом любые линеаризующие приёмы увеличивают идентичность полуволн усиливаемого сигнала за счёт уменьшения усиления, а это ведёт к увеличению числа каскадов. Понимание того, что высокая линейность АХ достижима только при очень небольшом усилении, приводит к решению отказаться от двухтактных каскадов.
В однотактном усилителе на линейной лампе при грамотно выбранной рабочей точке удаётся получить достаточно протяжённый линейный участок.
Получается, что при одинаковом усилении однотактный каскад способен обеспечить меньшие искажения музыкального сигнала, чем двухтактный.
3.Отрицательная обратная связь
Давно  отмечено экспертами, что  широко применяемая в усилителях общая отрицательная обратная связь - ОООС ухудшает качество сигнала. Чем больше глубина ОООС и чем больше каскадов ею охвачено, тем хуже могут быть результаты. Это объясняется большим временем задержки срабатывания ОООС на реальном музыкальном сигнале с крутым фронтом. Но это  не значит, что в усилителях нет нужды в отрицательной обратной связи. Только применяться она должна осторожно.  ООС должна быть:
-    неглубокой,
-       местной,
-       скоростной,
а  количество каскадов усилителя- минимальным.

4.  Влияние пассивных  элементов на искажения реального сигнала.

Основное внимание  при выборе резисторов обращается на материал, из которого он изготовлен - резистор не должен вносить дополнительных  шумов.  Рекомендуемые    типы   -  С2-14,  С5-35В(ПЭВ),     С5-7В.  Поскольку  в  режиме  класса  А  по  резисторам  непрерывно протекают  значительные токи, резисторы выбираются  не только по номиналу, но и по рассеиваемой мощности.
         Главное требование  к переходным конденсаторам - недопустимость токов  утечки и стабильность емкости во времени и в зависимости от температуры. Они не должны быть электролитическими - из-за больших токов утечки, не должны быть керамическими - из-за высокой зависимости от температуры, не должны быть бумажными или плёночными - имеющими большую паразитную индуктивность. Какими же они должны быть ?
Самый простой и эффективный способ избежать отрицательного влияния  переходных конденсаторов  -это  отказаться  от них. Таким образом, усилитель конструируется как УПТ - с непосредственными связями между каскадами. Основная проблема УПТ - стабилизация рабочей точки - в ламповых усилителях решается местными обратными связями, а вход и выход усилителя привязываются трансформаторами к потенциалам, определённым источником питания.
        К конденсаторам фильтров требования значительно мягче, главное - чтобы они были с достаточным запасом по рабочему напряжению и обладали достаточной ёмкостью для необходимой фильтрации. Ещё один момент, на который следует обратить внимание - на конденсаторе указывается температура, например + 800С. Это та максимальная температура, при нагреве до которой производитель гарантирует нормальную работу конденсатора. Здесь имеется ввиду не только температура окружающей среды, но и саморазогрев конденсатора током утечки. Конденсаторы лучшего качества маркируются более высокими значениями температур.
Самый важный пассивный элемент - выходной трансформатор.
Рассмотрим  его подробнее.
В однотактном  усилителе постоянная составляющая анодного тока смещает  нулевую точку петли гистерезиса, если отсутствует немагнитный зазор в  магнитном потоке, проходящем по сердечнику. Немагнитный зазор оказывает во много раз большее сопротивление магнитному потоку сердечника, чем внутреннее магнитное сопротивление самого сердечника, уменьшая тем самым рабочий участок амплитудной характеристики сердечника. Работа трансформатора на малом  рабочем участке петли гистерезиса линеаризует магнитный поток. Чтобы при этом индуктивность трансформатора оставалась достаточной для эффективного воспроизведения низших частот, приходится значительно увеличивать количество витков. Это увеличивает потери в трансформаторе, одним из методов борьбы с которыми является увеличение диаметра провода, что ведёт к увеличению объёма трансформатора. Вывод один -  нет предела увеличению размеров выходного трансформатора.
Впрочем, существует один технологический приём, уменьшающий объём трансформатора и искажения сигнала. Г-н Хирояши Кондо (Нiroyasu Kondo)-[Л.3]., создавший известный усилитель "ONGAKU", нашёл простое решение - он заменил медный  провод   обмоток   на  серебряный   и   получил   великолепный  результат.
Не каждому доступна подобная простота.
Почему  замена материала  обмоточного  провода  уменьшила  искажения  сигнала  (или объём трансформатора) ?
        Один из возможных ответов лежит в области динамических тепловых искажений. Быстрые изменения  - пики  музыкальных  сигналов вызывают мгновенный локальный нагрев обмоточного провода. Нагрев увеличивает сопротивление провода и вызывает увеличение падения напряжения на нём. Постоянная времени этого процесса сравнима с длительностью воздействующего пика музыкального сигнала, поэтому эффект проявляется, как нелинейное искажение. Замена медного провода на провод с меньшим удельным сопротивлением  и большей теплопроводностью (то есть на серебряный) заметно снизила этот тип искажений.
 Другой вопрос - как уменьшить  динамические тепловые  искажения в трансформаторах с медными обмотками? Опыт многих конструкторов уже показал правильные решения. Это:
        - пропитка намотанной катушки и всего трансформатора парафином или церезином. Принято считать, что пропитка устраняет вибрации пластин железного сердечника, а также фиксирует провод катушки  при воспроизведении сильных сигналов. Это верно,  но  не менее важным является также более равномерное распределение тепла переносом его от провода катушки промежуточным теплоносителем -  пропитывающим составом,
-обязательная рядовая намотка провода - виток к витку. Намотка внавал создаёт внутри катушки замкнутые воздушные микрообъёмы, в которых  происходит перегрев провода,
        - отсюда   следует   интересный   вывод,   который   может   не   понравиться                                                                      опытным  конструкторам  HI-ENDа  -  катушки  трансформатора  следует  делать бескаркасными  для  лучшего  охлаждения  провода.  Конечно,  при  этом сложнее обеспечить  рядовую намотку, но кто говорил, что  HI-END - это легко ?

Так ,постепенно, сложился образ того Hi-End усилителя, который при бюджетных затратах способен удовлетворить слух  собравшего его автора.

Это - двухкаскадный однотактный УПТ на генераторной лампе с достаточно высоким анодным напряжением, с входным и выходным трансформаторами.

В следующих заметках будет приведена электрическая схема и описаны технологические  особенности, с которыми пришлось столкнуться  при монтаже усилителя.


НЕКОТОРЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1  Хирояши Кондо (Hiroysu Kondo),  AUDIO NOTE Inc "ONGAKU"
2  Фурунджян, Тайны стеклянных баллонов. www.component.ru/library/view3?id=45
3  Г.С.Гендин,  Высококачественные ламповые усилители звуковой частоты.
   МРБ, Москва, 2003