Otl усилитель что это

Легендарные усилители: «холод» ламп без трансформатора, DIY-компиляции, десятилетия мучений с классом «Д»

Как я и обещал, мы продолжим цикл о легендарных усилителях прошлого и настоящего. На этот раз мы опишем непростую судьбу УМЗЧ класса D, оригинальные разработки в области ламповой схемотехники, не обойдём стороной и DIY-наборы для тех чьи руки выросли из туловища.

Futterman H3 OTL – нужно просто выбросить выходной трансформатор

Начнём по традиции с самой «тёплой» в ламповом отношении эпохи, с 50-х в США, где в губернском городе Нью-Йорке, изобретатель Юлиус Футтерман (Julius Futterman) разработал один из наиболее оригинальных ламповых усилителей своего времени. В 1954-м на свет появился ламповый УМЗЧ Futterman H3 OTL, особенностью которого стало отсутствие выходного трансформатора.

В оригинальной схемотехнике усилителя Футтермана катодный резистор фазоинвертора соединялся не с землей, а с выходом усилителя. 100%-ная ООС катодного повторителя Futterman H3 OTL компенсировалась 100%-ной ПОС через катодный резистор фазоинвертора. Интересно, что уникальную для того времени (и высоко оцененную потомками) схему разработал не профессиональный инженер, а радиолюбитель-самоучка.

Причиной необходимости в оригинальном решении было то, что около 30-35 % себестоимости ламповых усилителей тех лет приходилась на выходной трансформатор. Что было крайне существенным фактором, учитывая, что первые усилители производились вручную.

Благодаря конструкторскому решению цена усилителя стала немногим выше стоимости наборов для самостоятельной сборки и составила около $ 180 – 200, что сегодня с учетом инфляции является эквивалентом $ 1600 — 1800. Помимо существенного удешевления продукта инновация избавила УМЗЧ от (так любимой некоторыми аудиофилами и гитаристами) характерной «тёплой» окраски звука.

Следует отметить, что сравнительно небольшая стоимость усилителя соседствовала с почти уникальными для того времени характеристиками.

Диапазон воспроизводимых частот: 7 Гц (!) до 55 кГц
RMS: 90 Вт
IMD: 0,1 % (1 Вт, 1 Ом)
Коэффициент гармоник: 0,1%
Выходное сопротивление: 0,6 Ом

Футтерман запатентовал устройство, а лицензии продал нескольким американским компаниям в 1961-м году. Лицензионные усилители по схеме Футермана производились до начала 70-х годов и стоили значительно дороже оригинала. На протяжении 60-х и 70-х изобретатель совершенствовал схемотехнику ламповых усилителей.

В 1984 году, уже после смерти Футермана, компанией New York Audio Labs был выпущен, разработанный при его участии, один из самых дорогих усилителей своего времени (для электростатических акустических систем), стоявший $12 000 (около $26 000 сегодня с учетом инфляции). Среди сравнительно свежих разработок, использующих наследие Футтермана, можно выделить оригинальное устройство итальянца Андреа Циуффоли (схема приведена ниже).

Heathkit amps — DIY для меломана и музыканта

Heathkit — одни из передовиков ламповых конструкторов для любителей канифольной дымки. Компания, основанная в 40-е, приобрела популярность в 60-е, на волне интереса к самостоятельной сборке устройств. Фактически все продукты компании стали культовыми в среде людей увлеченных DIY. В отличие от Dynaco, Heathkit создавали многоцелевые конструкторы, с различными наборами шасси и радиодеталей.

Комплекты и модели менялись достаточно часто, что также существенно рознит эти устройства с «макинтошем для бедных». Пик популярности наборов Heathkit приходится на середину 60-х, когда приобретение качественного усилителя предполагало затраты сравнимые со стоимостью среднего автомобиля.

Все деревянные детали (набор ручек, шасси и т.п.) входили в базовую комплектацию. Гитарные варианты heathkit иногда предполагали включение дополнительных бонусов: излучателей и деталей корпуса для создания комбо. Интересно, что для создания гитарных наборов компания активно применяла транзисторные схемы. Такой подход был не слишком популярен в 60-х (теплый ламповый тренд в гитарном усилении был силён), но позволял приобрести дешевое гитарное оборудование небогатым начинающим музыкантам.

В зависимости от назначения устройства, пользователь волен был выбрать тот или иной комплект. Например, были наборы для гитарного усиления, воспроизведения музыки, в том или ином наборе разнилась мощность УМЗЧ. Характеристики устройства приводить смысла не имеет, так как они разнятся в зависимости от конкретной модели, при этом подавляющее большинство авторов сходятся на том, что эти усилители вполне соответствовали HI-fi классу, а гитарные комбо Heathkit составляли конкуренцию аналогичным моделям Fender и VOX того периода.

Класс D: КПД vs искажения

Легендарными в среде инженеров считаются усилители класса D, попытки создать которые начались ещё в 50-х. Сама идея УМЗЧ с импульсным управлением, выходными лампами приписывается 2-м авторам, нашему соотечественнику Дмитрию Васильевичу Агееву (1951 год) и Алеку Ривзу из Соединенного Королевства (1951 год). Однако, говорить о том, что инновационные концепции смелых инженеров мгновенно стали широко востребованными на рынке не приходится.

Внезапно начавшаяся эра транзисторов для попыток создания годного УМЗЧ class D не привела к ожидаемым результатам. «Принцип неисчерпаемых возможностей КПД», заложенный советским инженером Агеевым и его британским коллегой, долгое время оказывался неприступным даже для специалистов таких компаний как SONY, PHILIPS, Marantz, Matsusita Electric. Вплоть до 80-х ничего прилично звучащего и коммерчески успешного в классе D создать не удавалось. Ситуация поменялась к середине 80-х, когда на рынке радиодеталей появились МДП-транзисторы.

Не смотря на ограниченную популярность, усилители D-класса того времени тоже нельзя назвать сверхмассовым продуктом. Для потребителя концепция класса D успела утратить привлекательность к концу 80-х, главным образом в связи с неудачами их несовершенных предшественников.

Как повествует Википедия, основными проблемами усилителей класса D были и, в какой-то степени, остаются:

Пожалуй, самым заметным представителем класса D стал один из первых цифровых усилителей, дотягивающих до показателей HI-FI — Tripath TA2020, серийное производство которого было запущено в 1999 году. Дело в том, что, в связи с неизбежной необходимостью в устранении искажений, принцип аналоговой модуляции оказался малопривлекательным.

Некоторые инженеры ставят под сомнение заявленные характеристики Tripath TA2020 и их соответствие стандартам HI-FI. Предлагаю читателям самим оценить показатели качества на примере 20-ти ваттного усилителя для авто, созданного на базе TA2020:

RMS: 2 х 20 Вт 4ohm, 2×12 Вт 8ohm
Соотношение сигнал-шум (SNR): 98дб
Динамический диапазон: 98дб
IMD: 0.1% 1 Вт, 4ohm
THD: 0.03% 9 Вт, 4ohm, 0.1% — 10 Вт ом, 0.1% — 6 Вт 8ohm, 10% — 23 Вт ом, 10% 13 — Вт 8ohm
Энергоэффективность: 81% 20 Вт, ом, 88% 12 Вт, 8ohm
Чувствительность входа: 200mV

И всё это счастье при цене от $20 до 60.

Микросхема, на основе которой создан усилитель, была внесена в список «25 микросхем, которые потрясли мир» по версии журнала IEEE Spectrum.

Компания Tripath, выпустившая инновационный усилитель, с целью привлечения внимания к продукту придумала даже новый класс, объявив свое устройство усилителем класса T (хотя принцип работы девайса соответствовал классу D).

Несмотря на маркетинговые усилия,«креативы» с классификацией, Tripath не выдержали конкуренции с более мощными игроками и исчезли с рынка в 2007-м году. Бесславный и тихий конец этой компании никак не умаляет заслуг разработчиков, которые создали, вероятно, единственный действительно легендарный усилитель класса D.

Ламповый УНЧ OTL

В последнее время наблюдается мода на ламповые усилители для аудио. Такие устройства снова производятся и доступны например на Али. Их также охотно собирают радиолюбители. К сожалению, это недешевые конструкции, и самыми дорогими элементами являются вовсе не лампы. Электронные лампы требуют нагрузки с высоким сопротивлением – порядка нескольких сотен или даже тысяч Ом, в то время как типовые динамики имеют не более 8 Ом.

Следовательно, необходимо использовать выходные трансформаторы, которые подстраивают высокое выходное сопротивление лампы к низкому сопротивлению нагрузки (динамика). Проблема в том, что эти трансформаторы – в отличие от сетевых на 50 Гц – должны передавать широкий диапазон частот. Поэтому их внутренняя конструкция обычно отличается от конструкции классических сетевых трансформаторов. По внутренней конструкции трансформаторы динамиков обычно состоят из множества слоев обмоток, чередующихся первичных и вторичных, с надлежащей изоляцией и, конечно же, хорошим качеством изготовления, что определяет качество звучания усилителя. Отсюда и высокая цена таких трансформаторов.

Наушники имеют чуть более высокое сопротивление — обычно 16 – 32 Ом, что делает их гораздо более легкой нагрузкой для ламп. Но выпускаются и качественные наушники с еще более высоким сопротивлением, до 600 Ом. Таким образом можно сделать усилитель без выходных трансформаторов – OTL (Output Transformers Less).

Схема усилителя OTL

Схема УНЧ для наушников OTL представлена на рисунке. Это почти классическая двухкаскадная схема общий катод – общий анод. Активными элементами здесь являются две трехэлектродные радиолампы – триоды. Первая L1 работает в схеме с общим катодом и имеет относительно высокий коэффициент усиления по напряжению. Тут сигнал со входа через потенциометр Р1 и резистор R2 подается на сетку, а усиленный сигнал снимается с анода. Очень важна правильная поляризация, чтобы сетка имела более низкий потенциал по сравнению с катодом. Катод L1 поляризован из-за падения напряжения на катодном резисторе R4, а сетка имеет потенциал земли (подтягивается резисторами R1 и R2) – это так называемая автоматическая поляризация.

Лампа L2 работает в схеме с общим анодом (также называемой катодным повторителем). Тут коэффициент усиления равен 1 (на практике даже несколько ниже).

Часто в этой схеме с катодным повторителем используются два триода, включенных параллельно, что еще больше снижает выходное сопротивление. Что же касается поляризации лампы L2 – катодный резистор R6 имеет значительно большую величину, чем катодный резистор R4 лампы L1 и падение напряжения внутри него. Падение напряжения на R6 поэтому больше, чем напряжение на аноде лампы L1 (и соединенной с ним сетке лампы L2). Это пример фиксированного смещения.

Падение анодного напряжения для лампы L1 относительно Л2 обеспечивается последовательно включенными резисторами R3 и R5. Элементы R5 и С1 также являются фильтром, дополнительно стабилизирующим анодное напряжение L1. В усилителе нет общей петли обратной связи, но есть локальная обратная связь через катодный резистор R4 в предкаскаде. Если бы этот резистор был зашунтирован конденсатором, коэффициент усиления увеличился бы, но могли возникнуть помехи.

Обе используемые лампы являются двойными триодами – две одинаковые лампы заключены в одну стеклянную колбу, что позволяет использовать каждую из них в обоих каналах усилителя. В предкаскаде L1 использовалась популярная ECC88. Эта модель предназначена для аудио со средним коэффициентом усиления (примерно 33). У этой лампы есть ценное преимущество – довольно низкое рабочее напряжение – примерно от 90 В. Это относительно современный тип лампы. Противоположностью ей является лампа L2 – советская 6Н13С. Её выпуклая колба напоминает легендарный в аудиофильских кругах триод 300B. Вероятно, поэтому он так популярен в конструкции усилителей звука, даже несмотря на то, что был разработан для цепей стабилизации напряжения. У этой радиолампы гораздо более старый тип цоколя – восьмивыводный.

Схема питания анода и накала

В блоке питания применили несколько нестандартных решений. Радиолампы требуют двух отдельных источников питания. Низкое напряжение необходимо для нити накала, нагревающей отрицательный электрод — катод. Нагретый катод испускает электроны, которые устремляются к положительному электроду – аноду. Между анодом и катодом необходимо высокое постоянное напряжение, которое сможет вызвать это движение электронов. В ламповых усилителях обычно применяют специальные сетевые трансформаторы, которые имеют не менее двух вторичных обмоток: одну для накала – обычно 6,3 В и вторую высоковольтную обмотку, не менее 150 В, которая используется для питания анодов. Накалы ламп могут питаться переменным напряжением прямо от трансформатора, однако анодное напряжение должно быть выпрямлено и отфильтровано.

В усилителе использовался трансформатор на 40 Вт с анодной обмоткой на 170 В. После выпрямления диодным мостом постоянное напряжение достигает 260 В. Необходимо снижение более чем на 100 В происходит в трехкаскадном RC-фильтре. Схема анодного источника питания представлена на рисунке. Падение напряжения происходит на резисторах R17, R18 и далее – независимо для каждого канала – R19 и R20.

Обратите внимание на необычно соединенные фильтрующие конденсаторы, образующие три пары (С11-12, С13-С14 и С15-С16), дополнительно зашунтированные резисторами (R11-R12, R13-R14 и R15-R16). Последовательное соединение этих конденсаторов должно увеличить их сопротивление пробою. Конденсаторы от 220 мкФ до 400 В просто довольно дороги, и использовались доступные всем конденсаторы 470 мкФ/200 В от поврежденных компьютерных блоков питания.

Шунтирующие резисторы достаточно высокого номинала предназначены для их правильной балансировки, а дополнительно для разряда после окончания работы (конденсатор, заряженный высоким напряжением, несмотря на отсутствие питания, может быть источником электрического тока). Вот так выглядят первые две ступени фильтра CR – последняя ступень, отдельная для обоих каналов.

Между второй и третьей ступенью фильтра RC расположены секции С3 и С4 переключателя. Это выключатель питания, в роли которого выступает трехпозиционный четырехсекционный поворотный переключатель. Его секции С1 и С2 включают сетевое напряжение. В первом положении (с пометкой «Выкл») питание отключено. Во втором положении (“Накал”) сетевой трансформатор и контуры накалов ламп уже работают. Конденсаторы в анодном блоке питания тоже активны, но напряжение до анодных цепей ламп доходит только в третьем положении переключателя – “Вкл”.

Подключение высокого анодного напряжения к ненагретой лампе приводит к тому, что электроны «принудительно вырываются» из еще холодного катода. Это вызывает деградацию катода и ускоренный износ. Лампа ЕСС88 прогревается довольно быстро, а вот у 6Н13С на это уходит около двух минут. Раньше в ламповых схемах выпрямитель был построен на ламповом же диоде и тоже нуждался в прогреве, плавно увеличивая ток в анодных цепях. Используемые в настоящее время кремниевые выпрямители работают сразу. Именно поэтому большинство современных конструкций имеют автоматические или ручные — как в данном случае — схемы включения с задержкой. Поэтому УНЧ должен включаться в два этапа – сначала “Накал” и только через 2-3 минуты “Вкл”. Выключать его следует в обратном порядке, также выжидая в положении «Нагрев…», пока не разрядятся конденсаторы С1, С1б, С19, С20 через резисторы R19 и R20, закороченные на массу переключателем. Резисторы R21 и R22 служат для симметрирования накала. Благодаря этой процедуре гул от источника питания 50 Гц не передается на ламповую схему. Кроме того, симметризация выводит потенциал 0 В на катодную нить, защищая от возможного пробоя катода. Часть блока питания — диодный мост и конденсаторы — размещена на отдельной плате.

Сетевой трансформатор TR1 имеет обмотку на 6,3 В с выходом по току 2,5 А. Это именно то, что нужно самой лампе L2. Если подключить обе лампы параллельно этой обмотке, они бы недогрелись. Это ухудшит их параметры и сократит срок службы. Поэтому был сделан отдельный блок питания только для лампы L1. Ввиду его работы в чувствительной схеме предусилителя, решено питать его стабилизированным постоянным напряжением. Для блока питания использовался небольшой сетевой трансформатор 7,5 В/3 Вт, который вместе с элементами БП был размещен на небольшой плате. Это стандартное применение линейного стабилизатора типа 7806 за одним исключением – вывод GND подключен к земле схемы через диод Шоттки D1. Благодаря этому дополнительное падение напряжения на этом диоде увеличивает внутреннее опорное напряжение стабилизатора, в результате чего выходное напряжение поднимается до 6,3 В, что и нужно радиолампе L1. Собранные платы обоих блоков питания и главного трансформатора TR1 показаны на фото.

Монтаж и наладка УНЧ

В то время как оба блока питания, анодный и накальный, получили отдельные печатные платы, решено собрать элементы самого усилителя используя технику навесного монтажа, характерную для старых ламповых устройств. При этом методе сборки ламповые панельки и крупные элементы, такие как трансформаторы или электролитические конденсаторы, привинчиваются к специальной металлической раме, называемой шасси. Остальные мелкие электронные элементы, резисторы или небольшие конденсаторы, припаиваются к выводам этих элементов снизу корпуса. Современные ламповые усилители обычно имеют гордо выставленные напоказ лампы, поэтому их шасси также является кожухом.

Составные части корпуса представлены на фото. Это деревянные борта, выфрезерованные из паркетных планок, вытравленная алюминиевая передняя панель и согнутый лист с прорисованными и просверленными отверстиями для элементов, монтируемых снаружи. В правом верхнем углу фото элемент, который в конечном счете защищает трансформатор – он сделан из разрезанного металлического стакана. Элементы корпуса были скреплены шурупами, и таким образом получилась устойчивая коробка. Частично собранный усилитель показан сзади. Видны главный трансформатор и розетки: вход RCA, питание и сетевой предохранитель.

–

Тут видны платы блока питания, прикрученные к бокам корпуса, и электролитические конденсаторы С2, С2b, С17 и С18, прикрученные к специальной скобе. Провода на накаливание хорошо скручены между собой, что должно ограничивать индуцируемое ими магнитное поле. Остальные элементы, в основном резисторы, припаиваются непосредственно к цоколям ламп.

Видна специальная пластина с точками пайки, размещенная между цоколями обеих ламп. Она действует как центральная точка массы. Заземление источника питания лампы L2 и ее вывод 9 (экран) также следует соединить с центральной точкой заземления. При установке следует помнить, что резисторы фильтра питания R17, R18, R19, R20 и катодные резисторы R6 и R6b нагреваются до высокой температуры. Они должны быть удалены от чувствительных к температуре компонентов, например, конденсаторов. Также следует обеспечить надлежащую вентиляцию внутри корпуса.

Читать:

Почему электродвигатель работает рывками

Схема не требует какой-либо специальной процедуры наладки. Просто перед запуском усилителя можете провести тест без ламп и проверить, имеют ли напряжения накала соответствующие значения. Что касается анодного напряжения, то оно падает до должного уровня только после включения нагрузки – ламп. Значения напряжения (измеренные после прогрева) приведены на схеме. Их коррекцию можно произвести, изменив номиналы фильтрующих резисторов блока питания: R17, R18, R19 и R20.

Несмотря на то, что компоновка усилителя предельно проста, звучит он действительно достойно. Музыка динамична, и особенно приятен слегка усиленный низкочастотный диапазон. Кроме того, у ламповых усилителей есть дополнительный шарм – магия светящихся ламп улучшает настроение и косвенно также впечатления от прослушивания. Класс А, в котором работает эта схема, характеризуется низким КПД – около 10%. Это означает, что большая часть энергии преобразуется в тепло, но это даже достоинство – особенно холодными зимними вечерами ��

Уникальный ламповый усилитель класса «Д» без трасформатора

Хотелось бы уделить немного внимания ламповым усилителям. Расскажу о УМЗЧ класса D, которая удивляет оригинальной конструкцией своей схемотехники. Коснусь доступных DIY наборов, которые можно купить и приведу примеры сравнения цен. Начнем.