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无线电电子与电气工程百科全书 TVZ 在管 UMZCH 中。 无线电电子电气工程百科全书
本文进行了简要分析，并确定了电视接收机中具有统一 TVZ 输出变压器的电子管三极管单端放大器的实际可实现参数。 考虑了变压器的改造方法，这使得改善其参数成为可能。 给出了放大器的实用方案和测试结果。 作者提出的方法可以应用于开发更强大的电子管UMZCH。 本文面向具有一般资格的无线电爱好者；建议仅限于任何人都可以复制放大器的信息。 谈论电子管声音的奇迹会让人自然而然地渴望听到这个奇迹。 而那些想要重复任何电子管放大器的人面临的第一个问题就是输出变压器。 可以通过三种方式解决。 你可以自己做，这是可能的，但一点也不容易。 你可以买一个好的输出变压器，它很简单，但一点也不便宜。 而且你可以尝试使用一些负担得起且便宜的东西。 对收音机市场的一项研究表明，最容易使用的输出变压器 (TVZ) 来自旧电视机。 选择面广，价格从0到3美元不等，看卖家的心情。 TVZ-0,6-1是最常见的，购买它们是为了实验。 我还买了其他类型的变压器进行比较。 后来发现，最受尊敬的变压器 TVZ-9 -1 和 TV-1A-Sh 具有最好的参数，但 TVZ-2 1 的销量更多，所以我决定进一步试验它们。 任务设定如下：尝试通过改变变压器（不重绕）来改善变压器的参数，然后设计输出级以尽可能补偿其剩余的缺点。 显然，这样的放大器输出功率会比较小，但主要不是获得大功率，而是寻求根本解决方案。 有些理论 为了弄清楚移动到哪里，让我们记住变压器的哪些参数会影响什么。 如果我们翻看经典（例如[1]），那么，不费吹灰之力，我们可以说有六个参数是决定性的：初级绕组的电感、磁感应强度、漏感、自感。 - 电容、绕组电阻和变压比。 测量了现有变压器的参数，结果如下：
以下是平均数据；不幸的是，只有线圈上的铭文与变压器相同。 磁芯的材料仍然未知，但在记录磁化曲线后，我倾向于认为它是E44钢（高合金，设计用于高频介质场）。 原则上是这样，但为了计算，必须有一个起点。 让我们评估一下使用此类变压器时可以预期的参数。 它们最常用于带有三极管连接输出管 6F5P、6FZP、6P1P、6P14P 的简单放大器。 在这种情况下，灯的输出电阻在 1,3...2 kOhm 范围内。 为了进行计算，我们将取平均值 - 1,7 kOhm。 在图中。 图1显示了连接到灯的变压器的简化等效电路，其表示为具有输出电阻R的振荡器G1（均指变压器的初级侧）。
大信号选项 让我们看看磁路中的感应是如何进行的。 由于感应与频率成反比，因此最有趣的是感应达到最大值的低频区域。 事实上，允许的感应强度将决定变压器在低频区域可以传输的最大功率以及可接受的失真。 磁路中的感应幅度由众所周知的公式确定
其中 E1 是施加到初级绕组的电压 V； f——信号频率，Hz； S是磁路的有效横截面积。 平方厘米； W2——匝数。 可以方便地立即用负载中的功率来表达这种依赖性。 加在初级绕组上的电压E1等于负载R2'两端的电压与绕组电阻r2'之和，低频时的漏感Ls2'可以忽略不计。 应该考虑到灯的静态电流 I0 流过初级绕组，产生磁化场，而磁化场又决定了感应 B0 的初始值。 根据我的计算，大约等于0,3T。 变换后，公式的形式为
对于手工计算来说，这个公式太繁琐了，但是对于计算机计算来说，繁琐并不重要。 针对三个频率值计算出的感应对输出功率的依赖性如图 2 所示。 XNUMX.
如果我们考虑到磁芯材料在磁感应强度约为 1,15 T 时开始饱和（这是在绘制主磁化曲线时发现的），并假设最大磁感应强度约为 0,7 T，则图表显示了输出功率可以在低频区域获得：在 30 Hz 的频率下 - 仅约 0,25，在 50 Hz 时 - 约 0,8 W，并且在 100 Hz 时，感应不再是限制因素。 超过这些值不仅大大增加了变压器引入的谐波水平，而且由于变压器输入阻抗的降低而增加了灯产生的谐波水平。 实际级联（在 6F5P 灯上）的测量表明，输出功率为 1 W 时，将信号频率从 1 kHz 降低到 50 Hz 会导致谐波电平增加两倍以上。 小信号选项 让我们评估当放大器在低功率下运行且不存在感应问题时（例如，放大器是为电话设计的），变压器对放大器频率特性的影响。 此时，使用初级绕组电感、漏感等变压器参数进行评估更为方便。 从图. 从图1可以看出，在低频区域，灯被加载到两个并联电路中（我们忽略漏感）。 第一个是励磁电感L1，励磁电流IL1流过它；第二个是负载电路，由串联电阻R2'和R2'组成，电流I2流过它。 随着信号频率降低，电抗L1减小，相应IL1增大，I2减小。 除了级联传输系数降低之外，在一般情况下，还会观察到另一个令人不快的事情 - 变压器的输入电阻下降，这导致灯的阳极负载电阻降低，相应地，谐波系数增加。 为了评估初级绕组电感的影响，我们使用众所周知的简化公式[1]：
式中，ML为频率失真系数； R0 是等效发电机的电阻，由以下表达式确定
上图。 图3显示了对于灯的输出阻抗的三个值，用输出变压器TVZ-1-9计算级联在低频区域的频率失真的结果。
该图显示，当灯输出电阻为 1700 欧姆（中间曲线）时，频率响应在大约 3 Hz 的频率处降低了 40 dB。 降低灯的输出阻抗会导致频率失真减少（上曲线）。 但我们不要急于下结论，看看高频会发生什么。 从图1可以看出，漏感与负载串联（L1可以忽略，因为在高频区域电流IL1可以忽略不计），随着频率的增加，它们的电抗增加，这导致输出下降力量。 频率失真系数由以下公式确定
式中，Mn为频率失真系数； Z——漏感，减少到初级绕组（测量值）。 在图中。 图4显示了对于灯的输出阻抗的三个值，在高频区域中使用相同变压器的级联的频率失真的计算结果。
可以看出情况发生了相反的变化——随着灯的输出电阻的减小，频率失真增加。 这个事实很容易解释：灯越像电流源，与负载串联的寄生电阻（包括漏感）对输出电流I1（高频区I2=I1）的影响就越小。 在小信号模式下确实如此。 综上所述，我们可以得出结论，对于参数不太好的输出变压器，信号源存在一些最佳的输出阻抗，这使得可以获得尽可能宽的带宽。 通过解决任何数学包中的优化问题，可以很容易地计算出该阻力。 （如果变压器的初级绕组电感较大且寄生参数较小，则此任务失去其相关性）。 这种对 TVZ 变压器输出级的极其肤浅的研究回答了两个问题：对标准变压器的期望是什么以及要争取什么。 其实，我们的奋斗目标一开始就很明确——减小寄生参数和感应幅值，增大初级绕组的电感。 但我想把“降低”和“增加”的定性（相当情绪化）的定义转化为定量的形式，不幸的是，变压器的漏感、变比、自电容等参数是由线圈的设计和制造技术决定的。 ，如果不倒回后者，我们就无法改变它。 但并非一切都失去了！ 通过改变变压器的设计，我们可以影响初级绕组的电感和感应的幅度，而且这个影响并不小。 变压器的改造 这种情况唯一能做的就是改变磁芯的组装方式，在工厂版本中是做有间隙的（通常没有介质垫片，间隙是由于磁芯配合松动而形成的） W 形板和封闭板）。让我们通过在屋顶上组装磁芯板来消除间隙，让我们看看会发生什么。 首先，在伸直变压器的安装片后，必须将变压器从金属夹中释放出来。 此外，从线圈中取出磁芯后，小心地将两块板彼此分开，然后再次组装它们，将它们叠放在一起。 小心地执行此操作（以减少间隙）并确保使用所有板。 可能没有足够的尾板，因此需要具有相同磁路的第二个变压器。 组装后，将磁芯的宽边放在平坦的表面上（一块胶合板、getinax、textolite），然后用木槌轻轻敲击板的突出端，直到它们与其余部分齐平。 重复此操作，将磁路翻转到另一侧。 此阶段改造后的变压器视图如图 5 所示。 XNUMX. 建议将成品变压器重新插入支架中。 最简单的方法是使用大型台虎钳，但不要太热心；大的机械应力会降低钢的磁性。
转换后变压器的参数如下：初级绕组电感 - 12,3 H，漏感 57 mH，电容 - 0,3 μF。 与文章开头给出的相比，我们看到变压器的参数有了显着的改善——初级绕组的电感几乎增加了一倍，而寄生参数没有改变。 您可以正确地注意到，现在磁路中没有间隙，因此不存在线性化效应，并且变压器不能用于具有恒定偏置的传统级联中。 我同意，但请注意，返工后，在相同输出功率下，磁路中的磁感应强度下降了0,3 T。 结果，变压器引入的谐波系数降低。 很明显，初级绕组的电感的增加使得可以扩展低频区域中的可再现频带。 由于转换后的变压器不能在磁化的情况下工作，因此必须使用不同类型的输出级来激励它。 输出级 最明显的方法是使用所谓的扼流输出级 [2] 并使用电容器将变压器与灯的阳极电路分开（图 6）。
这解决了主要问题 - 它消除了输出变压器的磁化，但需要在阳极电路中使用扼流圈。 它对绕组电感、感应幅值和寄生参数的要求并不亚于输出变压器的严格（我想立即警告读者，在这样的级联中使用滤波扼流圈是不可接受的）。 因此，这个选择对我们来说是不可接受的。 在这种情况下，最合适的是在阳极电路中带有电流源的输出级 [3]（图 7），与扼流圈相比，它具有许多优点。 电流源的高输出阻抗使得可以从灯获得最大增益，级联具有更宽的可再现频带，对电源的质量要求较低，并且整个设计的尺寸更小。
让我们仔细看看再现的频段和电源的质量。 如果在扼流圈级中，我们将扼流圈的电感设为无穷大并且寄生参数等于零，则这些级将具有相同的增益和再现频带。 但不可能用真实的电感器来实现这样的级联，因为其有限的电感将从下方限制频带，并从上方限制寄生参数。 但很有可能实现参数接近理想的电流源。 级联电流源的最大优点是对电源元件没有严格要求，因为负载电流的交变分量不流过它；它在灯形成的电路中闭合，隔离电容器和变压器的初级绕组。 这允许您在源中使用任何电容器，而不必特别担心减小纹波幅度。 也有缺点。 最令人不爽的是，带有电流源的级联的供电电压必须明显高一些（至少是扼流级联的一倍半），级联的效率相应较低，电路也多得多。复杂的。 电流源可以使用灯或晶体管制成。 我倾向于晶体管版本的原因如下：在这种情况下，可以实现更高的电流稳定性，最低工作电压要低得多（已经需要非常高的阳极电压），电流源灯不需要额外的灯丝绕组。 必须特别注意隔离电容C1。 它的质量会影响输出信号，因为灯的输出电流流过它。 这里不能使用氧化物电容器，只能使用纸质和聚对苯二甲酸乙二醇酯电容器（例如额定电压至少为73V的K17-400；通过并联所需数量的电容器获得所需的容量） 。 放大电路 放大器电路图如图8所示。 在图XNUMX中，还指示了DC灯模式。 有源器件的选择主要取决于广大无线电爱好者获取它们的可能性。
该放大器是两级的：第一级是在 VL1 灯的三极管部分上制作的，第二级（输出）是在其五极管部分上制作的。 在这两个阶段中，阳极电路中都使用电流源。 上面我们讨论了这种电路方案在输出级的优点，在前置放大级使用电流源也是很有道理的。 首先，这可以让您从灯获得最大增益。 其次，其在固定电流下运行可以将级联谐波系数降低两倍至两倍半。 通过选择足够大的灯静态电流可以确保良好的频率响应。 该级联使用电阻器 R4 上形成的自动偏置，并通过它引入浅局部反馈环路。 如果需要，可以通过将放大器输出的部分信号通过电阻器 R8 提供给三极管阴极电路来覆盖公共 OOS。 输出级使用固定偏置，可通过微调电阻 R12 进行调节。 电阻器R13的主要目的是方便测量输出级的静态电流。 为了保护输出级组件免受过压影响，使用了合格电压为 1V 的压敏电阻 RU180 (SIOV-S05K180)。 其较小的寄生参数对输出信号几乎没有影响。 使用复杂的共源共栅电流源是由于灯阳极 [4] 处的交流电压范围较大（特别是在输出级）。 一些作者推荐的在一个晶体管上使用简单源（这也适用于源电路中带有电阻器的场效应晶体管的选择）并不能在宽频率范围内提供可接受的电流稳定性。 在输出级，即使使用共源共栅源也不能解决所有问题：在25...30 kHz以上的频率下，由于VT4晶体管电容的影响，增益下降变得明显。 可以通过用一个合适功率的高频高压pn-p晶体管（例如4SB5）替换一对晶体管VT2、VT1011来稍微扩展级联的频带，但这种晶体管不太容易获得。 我将讨论另一个与电流源的使用及其对音质影响相关的问题。 理想的电流源自然不会产生任何影响，但实际的电流源可能会产生影响。在推荐正在考虑的电流源选项之前，我对其进行了足够详细的检查，没有发现输出信号频谱有任何显着恶化在音频范围内。 在这项研究中，使用了动态范围为 3585 dB 的惠普频谱分析仪 HP-120 和西门子的选择性电压表 D2008（该参数值更令人印象深刻 - 140 dB）。 当然，与电阻级联的差异是存在的，但仅在 -80...-90 dB 的水平上。 在许多情况下，这已经低于级联的自噪声水平。 您真正需要注意的是当前源级的噪声水平。 在阳极电路中使用有源元件会导致噪声略有增加（这同样适用于灯上制作的源），但对于以数百毫伏的输入信号运行的级来说，这并不重要。对于高灵敏度放大器，应考虑到这一点。 我不支持“为了电子管系列的纯粹性”而进行的斗争，因为这种斗争本身就是为了否认混合设备的真正优势。 在我看来，这种方法的结果将是践踏上世纪 50 年代的决定以及有关所用焊料的必要成分的讨论。 在我们的例子中，最重要的是信号被灯精确放大（交流分量实际上不流过电流源）。 关于放大器的一些细节 我不会列出图中未指示的特定类型的元素，但我想提请注意其中的一些元素。 在灯的阴极电路中，建议使用电阻（R4和R13），其阻值与标称值的允许偏差不超过±1%（C2-1、C2-29V等），并作为微调器（R5、R12、R14）- 多圈（SPZ-37、SPZ-39、SP5-2、SP5-3、SP5-14 均适用）。 分离电容器(C4)由额定电压至少为400V的金属(MBGCh、MBGO、MBGT)制成。但是，如上所述，也允许使用具有相同电压的聚对苯二甲酸乙二醇酯(K73-17)。 通过并联适当数量的电容器即可获得所需的电容。 可以使用适合电压的低电容气体避雷器或电信抑制器来代替 SIOV-S05K180 压敏电阻。 晶体管 VT4 必须安装在能够消耗 5...6 W 功率的散热器上（所需的冷却表面积为 120...150 cm2）。 设置放大器 通过使用已知良好的零件并正确安装，调整不会出现问题。 要设置放大器，至少需要一个万用表，最好有一个3小时信号发生器和示波器。 在打开放大器之前，将微调电阻R5和R14设置到上部（根据图表）位置，并将R12设置到下部位置。 这不是错误，VL1.2 灯必须完全打开。 放大器输入必须短路。 首先，设置第一级的静态电流（使用电阻器 R5），然后设置输出（R14）。 最后达到阳极 VL1.2 上所需的电压（通过电阻器 R12）。 准确地说，偏置电压VL1.2是通过将来自发生器的信号施加到放大器的输入来选择的（当然，输出必须加载等效负载）。 必须以最小的失真在输出灯的阳极处实现信号电压的最大摆幅。 值得注意的是，输出电压上半波的限制发生得相当剧烈，这与电流源离开稳定模式有关。 当使用灯电流源时，这种影响不太明显。 输出级有一个有趣的功能。 隔离电容C4和输出变压器初级绕组的电感构成低Q值串联振荡电路。 图中所示的电容C4，其谐振频率约为10Hz，对输出信号没有显着影响。 通过减小电容器的电容，可以将电路的谐振频率移至更高的频率，这将导致低频区域的频率响应上升（扩展）。 但这纯粹是理论上的；该电路中发生的实际过程要复杂得多，而且结果并不总是明确的。 我不承诺就此事提出建议（这必须通过耳朵进行评估），并且我将此类实验的进行留给读者自行判断。 测试结果 所描述的放大器被组装在面包板上。 电源由带有 LC 滤波器的不稳定整流器提供。 下面是放大器在各种模式下工作时的测量参数和输出信号的频谱（未使用一般反馈）。 负载电阻 - 4 欧姆，电源电压 - 370 V。
放大器在两个输出功率值下的频率响应如图9所示。 1. 频率为1,2 kHz、输出功率为10 W的输出信号频谱如图30所示。 图11、频率0,1Hz（相同输出功率） 图 12 相同，但输出功率为 13 W - 图 XNUMX 分别为XNUMX和XNUMX。
放大器在输出功率为 1 1 V 时对频率为 2 kHz 的脉冲信号的响应如图 14 所示。 XNUMX. 与具有传统输出级和未修改变压器的放大器相比，参数有明显改善。 如果在中频和高频区域变化很小（在频率为 1 kHz 时，谐波系数降低约 12%），那么在低频区域增益就很大。 频带明显扩展到较低频率区域，谐波水平显着降低（在 50 W 功率下，在 1,2 Hz 频率下几乎是两倍） 在输出功率为 0,1 W 时，频率下的谐波系数30 Hz 不超过 1,2% 在频谱中，所有模式的输出信号均以二次谐波为主，高次谐波的数量有限，而且其电平非常低。 放大器输出电压的上升率很小，但这里无能为力；输出变压器的寄生参数值很大，严重限制了校正的可能性。“特里什卡长袍”定律开始发挥作用；尝试增加上升速率会导致放大器其他参数的恶化。 结论 由此产生的放大器当然不是“Ongaku”，但它也不是一个未知品牌的 20 美元的会说话的罐头。它具有清晰、悠扬的声音。 当然，输出功率小对它的使用也有一定的限制：对于一个中等大小的房间来说，这样的功率显然是不够的，但作为一个电话扩音器来说，它一点也不差，我会把这个扩音器比作一个瓶子的试用香水。 您将能够评估“管”声音的特征并决定您有多喜欢它，而不是依赖其他人的意见。 放大器可以改进。 一个非常有前途的方向是使用更“线性”的灯。 仿真结果表明，输出级采用中功率三极管可以使全功率时的谐波系数再降低一倍半到两倍。 但这不可避免地导致灯的数量增加（也是稀缺的）和电路的复杂性。 光线也没有像 TVZ 变压器上的楔子一样会聚。 经验丰富的无线电爱好者，根据所描述的方法，使用更高质量的变压器，可以创建具有更好参数的自己的设计。具有电流源的输出级的潜在能力是相当大的。 总之，我想指出的是，使用 TVZ 型变压器是质量和成本之间的一个很大的妥协。 高品质的电子管放大器必须使用良好的输出变压器。 文学
作者：E.Karpov，乌克兰敖德萨
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