Budowa lampowego ocieplacza dźwięku - działanie, schematy, montaż, ustalenie punktu pracy lampy

Budowa kompletnego wzmacniacza lampowego, pomimo niewielu części i pozornie nieskomplikowanej konstrukcji, w praktyce okazuje się zadaniem zaskakująco trudnym i kosztownym. Trzeba się przy tym też borykać z szeregiem zagadnień i elementów nieznanych urządzeniom tranzystorowym, takimi jak transformatory głośnikowe, wysokie napięcie anodowe, brum, mikrofonowanie...

Dla wielu jest to poważna bariera. Każdy elektronik może jednak bez ryzyka podjąć się budowy urządzenia, które zapewni przynajmniej namiastkę „lampowego brzmienia” w postaci bufora (przedwzmacniacza) wpinanego pomiędzy źródło sygnału a końcówkę mocy.

Prezentowany w tym artykule prosty lampowy przedwzmacniacz został zaprojektowany z myślą o wbudowaniu go do wnętrza klasycznego tranzystorowego wzmacniacza mocy, zasilanego napięciem symetrycznym. Nie wymaga on jednak dodatkowego, kosztownego wysokonapięciowego transformatora. Układ można wstawić w tor samodzielnie budowanego lub już istniejącego wzmacniacza – o ile tylko w jego obudowie znajdzie się trochę miejsca…

Lampowy ocieplacz dźwięku

Opis układu - lampowy ocieplacz dźwięku

Podobnie jak tranzystor, również lampa elektronowa, trioda może pracować w trzech układach pracy: ze wspólną anodą, katodą i siatką (ten ostatni z uwagi na niską impedancję wejścia jest rzadko stosowany). Schemat przedwzmacniacza w układzie wspólnej katody jest przedstawiony na rysunku 1. Sygnał z wejścia IN, poprzez rezystor R11, podawany jest na siatkę lampy elektronowej L1A, modulując przepływ prądu anodowego.

Wzmocniony przebieg odbierany jest z anody lampy poprzez kondensator C12. Wyjście przedwzmacniacza OUT polaryzowane jest stosunkowo dużym rezystorem R15. Istotna dla prawidłowej pracy lampy jest jej właściwa polaryzacja – siatka musi mieć niższy potencjał od katody.

Rys.1 Schemat przedwzmacniacza w układzie wspólnej katody

Dzięki płynącemu w obwodzie lampy anodowemu prądowi spoczynkowemu występuje spadek napięcia na kolejnych elementach: R14 – rezystor anodowy – obciążenie wzmacniacza, Ra – rezystancja wewnętrzna lampy oraz R13 – rezystor katodowy. Siatka ma potencjał masy, gdyż jest do niej „ściągnięta” poprzez rezystor R12, zatem jej potencjał jest niższy od potencjału katody – jest to tak zwana polaryzacja automatyczna. Napięcie zasilania jest dostarczane poprzez rezystor R14, przy którym występują kondensatory: filtrujący C13 i przeciwwzbudzeniowy C14. R11 zapobiega wzbudzaniu się przedwzmacniacza od strony wejścia.

Układ ze wspólną katodą ma wysoką impedancję wejścia, duże wzmocnienie i szerokie pasmo przenoszenia sygnału (który zostaje obrócony w fazie). Wadą przedwzmacniacza w takiej topologii jest wysoka impedancja wyjściowa, która może sprawiać trudności z współpracującym z nią następnym stopniem wzmacniacza (u nas końcówką mocy). Problemy te mogą się objawić poprzez ograniczenie pasma przenoszenia od góry lub niekontrolowany wzrost zniekształceń.

Rys.2 Schemat przedwzmacniacza - układ ze wspólną anodą

Wady tej jest pozbawiony układ ze wspólną anodą – rysunek 2. Układ ten ma wysoką impedancję wejściową i niską wyjściową. Taki układ nie wzmacnia sygnału, a nawet go delikatnie osłabia, jest jednak często stosowany. Z uwagi na swoje właściwości nazywany jest „transformatorem impedancji” lub częściej wtórnikiem katodowym ponieważ sygnał nie jest odwrócony w fazie – pobierany z katody „wtóruje” temu podanemu na siatkę.

W tym układzie anoda jest dla składowych zmiennych niejako zwarta do masy (poprzez źródło zasilania). Obciążeniem tym razem jest tylko rezystor katodowy R114 + R113. Rezystor R112 jest podłączony nietypowo pomiędzy R114 i R113 dla ułatwienia doboru rezystora katodowego R113 (polaryzacji automatycznej). Ze względu na wyższy potencjał siatki względem masy tym razem zastosowano separujący kondensator wejściowy C111. R111 zapobiega wzbudzaniu się lampy. Wyjście poprowadzono z katody lampy poprzez kondensator C112 i spolaryzowano rezystorem R115.

Lampowy ocieplacz dźwięku

Wyżej opisano po jednym kanale stereo, drugi jest identyczny (elementy L1B i R21–R25, C22–24 lub R121–R125, C121–C124). Zastosowana w układzie lampa L1 – ECC88 obsługuje oba kanały, gdyż jest to duotrioda (w jednej szklanej bańce zamknięto dwie identyczne triody). Lampa ECC88 to model przeznaczony do zastosowań audio o średnim wzmocnieniu i stosunkowo niskiej (jak na lampę) impedancji wyjściowej. Cechuje ją jeszcze jedna zaleta – dość niskie napięcie anodowe, do poprawnej pracy wystarcza już ok. 60V.

Zasilacz do lampowego ocieplacza dźwięku

W półprzewodnikowych końcówkach mocy do zasilania stosuje się zwykle transformatory o podwójnym symetrycznym uzwojeniu wtórnym (co najmniej 2x20V). Właśnie to napięcie „podkradane” z transformatora jest używane do zasilania obwodu anodowego naszego przedwzmacniacza. Schemat zasilacza przedstawiono na rysunku 3.

Napięcie zostaje powielone przez dwustopniowy symetryczny powielacz zbudowany na elementach D1–D4 oraz C1– C2. Po odfiltrowaniu napięcia na kondensatorze C3 wynosi ono, w zależności od napięcia wtórnego transformatora, od 90V do 120V, co w zupełności wystarcza do zasilenia naszego wzmacniacza.

W obwodzie zasilania występują jeszcze dwa rezystory R1 i R2, które wraz z elementami C13 i C23 (C113 i C123) stanowią filtr CR eliminujący brum pochodzący z sieci zasilającej. Równolegle do kondensatora C3 podłączony jest rezystor R3, którego zadaniem jest rozładowanie kondensatorów C1–C3 po wyłączeniu zasilania.

Rys.3 Schemat zasilacza do lampowego ocieplacza dźwięku

Lampa elektronowa do pracy wymaga jeszcze napięcia żarzenia 6,3V, do którego wytworzenia służy transformator TR1 (7,5V/3W). Jego napięcie po wyprostowaniu na mostku Graetza M1 i odfiltrowaniu kondensatorem C4 trafia do stabilizatora liniowego US1 typu 7806. Ze stabilizatorem współpracują standardowo elementy C5–C7 oraz niestandardowo dioda Schottky’ego D5 połączona pomiędzy środkowe wyprowadzenie stabilizatora a masę.

Zadaniem tej diody jest zwiększenie wewnętrznego napięcia odniesienia stabilizatora, a w rezultacie podniesienie napięcia wyjściowego do wartości 6,3V, czyli dokładnie takiej, jak potrzebuje do żarzenia lampa L1.

Napięcie z transformatora TR1 jest wykorzystywane również do zasilania obwodu opóźnionego załączania napięcia anodowego. Dzięki temu opóźnieniu lampa dostaje napięcie anodowe, dopiero kiedy nagrzeje się żarnik, co zapobiega degradacji katody. Obwód ten działa bardzo prosto – po włączeniu zasilania napięcie na kondensatorze C8 (ładowanym poprzez rezystor R4) będzie stopniowo rosło, stopniowo będzie się też otwierać połączony z nimi tranzystor T1 typu MOSFET, otwierając przepływ prądu przez cewkę przekaźnika PR1. Przekaźnik ten w pewnym momencie załączy napięcie z kondensatora C3 do filtrów zasilania anodowego: R1–C12 i R2–C22.

Lampowy ocieplacz dźwięku

Podłączona równolegle do cewki przekaźnika dioda D6 zabezpiecza tranzystor T1 przed napięciem samoindukcji. Czas, po którym nastąpi zadziałanie przekaźnika, zależny jest od wartości i typów elementów R4, C8, T1 i PR1. W moim układzie dla wartości opisanych na schemacie jest to ok. 8 sekund. Po zaniku zasilania kondensator C8 jest rozładowywany przez rezystor R5. Przekaźnik PR1 szybko przełącza kondensatory C12 i C2 rozładowując je poprzez rezystory R1 i R2 do masy.

W obrębie zasilacza znajduje się również układ–wskaźnik działania w postaci dwóch diod LED. Po włączeniu transformatora TR1, kiedy tranzystory T1 i T2 są zatkane, prąd płynie przez rezystor R7, otwierając tranzystor T3. Świeci się wówczas dioda LED czerwona, włączona w obwód emitera. Do ograniczania jej prądu służy głównie rezystor R7, R8 podtrzymuje jedynie przepływ prądu przez T3.

Po otwarciu się tranzystora T1 przez rezystor R6 otwarty zostaje również T2, natomiast zatyka się T3. Tym samym przestaje świecić dioda LED czerwona, a zapala się LED zielona w obwodzie kolektora tranzystora T2. Dzięki nietypowemu podłączeniu LED czerwonej (obwód emitera) możliwe jest zastosowanie zamiast dwóch – jednej, podwójnej diody LED czerwono-zielonej ze wspólną katodą.

Montaż i uruchomienie lampowego ocieplacza dźwięku

W zależności od wybranej wersji wzmacniacza należy zastosować odpowiednią płytkę: WK dla wersji ze wspólną katodą – rysunek 4 lub WA dla wersji z wspólną anodą – rysunek 5. Oprócz płytki obwodu wzmacniacza potrzebny będzie zasilacz (jednakowy dla obu wersji), którego płytkę prezentuje rysunek 6. Elementy na obu płytkach należy montować standardowo, zaczynając od najmniejszych, a kończąc na największych.

Rezystory R13 i R14 (oraz R23, R24 lub R113, R114, R123, R124) warto wlutować na nieco dłuższych nóżkach, dzięki czemu łatwiej będzie się do nich podłączyć celem pomiaru, ale także wymienić na inne wartości celem dokładnego doboru punktu pracy lampy. Zmontowane płytki urządzenia widoczne są na fotografii tytułowej.

Rys.4 Płytka WK dla wersji ze wspólną katodą

Rys.5 Płytka WA dla wersji ze wspólną anodą

Uwaga! W obwodach urządzenia występują napięcia groźne dla życia i zdrowia.
Osoby niedoświadczone i niepełnoletnie mogą wykonać je wyłącznie pod kierunkiem wykwalifikowanego opiekuna, na przykład nauczyciela.
Wyeksponowane lampy elektronowe podczas pracy są gorące – łatwo o poparzenie!

Płytka zasilacza ma miejsce na transformator zalewany TR1. Na krawędziach umieszczone są złącza: zasilania sieciowego PW, napięć symetrycznych z transformatora TR, napięcia żarzenia HT, napięć anodowych AN oraz złącze LED dla kontrolek działania zasilacza. Po jej zmontowaniu należy przeprowadzić kontrolę działania.

Po podłączeniu zasilania sieciowego (~230V) do złącza PW na złączu HT powinno wystąpić napięcie stałe o wartości 6,3V, równocześnie zaświeca się dioda czerwona podłączona do złącza LED. Po kilku sekundach załączy się przekaźnik i zgaśnie dioda czerwona, a zaświeci się zielona. W razie potrzeby czas do załączenia przekaźnika można zmieniać innymi wartościami elementów R4 i/lub C8. Po podłączeniu do złącza TR symetrycznych uzwojeń transformatora (napięcie 2x20V lub wyższe) na złączu AN powinno się pojawić napięcie stałe o wartości co najmniej 90V.

Rys.6 Zasilacz do lampowego ocieplacza dźwięku - projekt płytki

Płytkę zasilacza należy połączyć z płytką przedwzmacniacza, łącząc odpowiednio ze sobą złącza HT i AN obu płytek, co jest omówione dalej w artykule. W przypadku wyeksponowania lampy elektronowej (na wierzchu lub za szybką na panelu frontowym) można się pokusić o zamontowanie podwójnej dwukolorowej diody LED 3mm jako podświetlenia bańki lampy elektronowej.

Miejsce na taką diodę przewidziano w centralnym miejscu podstawki pod lampę (dioda świeci przez centralny otwór w podstawce). Przy takim rozwiązaniu kontrolką jest szklana bańka lampy elektronowej – po włączeniu lampa ma czerwoną poświatę, a rozgrzana zmienia barwę na zieloną. W przypadku eksponowania lampy można też rozważyć wlutowanie dużych kondensatorów C12, C22 (C112, C122) od spodu płytki (równolegle do niej).

Rys.7 Schemat podłączenia przedwzmacniacza w obwód wzmacniacza

Schemat podłączenia przedwzmacniacza w obwód wzmacniacza jest przedstawiony na rysunku 7. Sygnał wejściowy z potencjometru należy doprowadzić do złącza IN, a złącze OUT to wyjście na końcówkę mocy wzmacniacza. W razie problemów z brumem można rozważyć przerwanie obwodu masy prowadzonej przewodem sygnałowym z przedwzmacniacza do końcówki mocy (aby uniknąć tzw. pętli masy). Obwód masy będzie wówczas zamknięty przez zasilacz.

Lampowy ocieplacz dźwięku - jakie lampy najlepiej zastosować?

W przedwzmacniaczu, zarówno WK, jak i WA, można spróbować zastosować inne typy lamp, np. ECC81, ECC82, ECC85 czy PCC88. Kiepsko natomiast będzie się sprawować popularna ECC83 z uwagi na jej wysoki opór wewnętrzny. Zastosowanie innych lamp wiązać się będzie jednak z pewnymi zmianami w układzie. O ile dla większości duotriod z podstawkami typu „noval” wyprowadzenia anod, katod i siatek są w tym samym miejscu, to występują różnice w układzie żarzenia – rysunek 8.

Rys.8 Różnice w układzie żarzenia

W lampach ECC85, ECC88, PCC88 wyprowadzenie 9 to ekran, który powinien być podłączony do masy, w pozostałych typach lamp to środek włókna żarzenia. Stąd żarzenie lamp ECC88, ECC85 należy podłączać do zasilania 6,3V jak na rysunku 9a, a lamp ECC81,82 jak na rysunku 9b (łącząc obie części żarnika równolegle). W przypadku tych lamp można także pokusić się o żarzenie napięciem 12,6 V. Należy wówczas zmodyfikować zasilacz poprzez zastosowanie transformatora o wyższym napięciu 12–15V oraz stabilizatora US1 7812, a zamiast diody Shottky’ego D5 należy zastosować zwykłą krzemową np. 1N4001. Podłączenie zasilacza wówczas powinno wyglądać jak na rysunku 9c.

Rys.9 Podłączanie żarzenia i zasilacza

Dla lampy PCC88 (która wszystkie parametry ma takie same jak ECC88 z wyjątkiem żarzenia – 7,7V) zasilacz należy zmodyfikować przez zastosowanie transformatora 12V i stabilizatora 7808. Diodę D5 należy zastąpić zworą, natomiast niezbędny spadek napięcia uzyskać, łącząc zasilacz ze wzmacniaczem poprzez tę diodę (1N5817) jak na rysunku 9d. W wielu przypadkach warto podłączyć jeden koniec włókna żarzenia do masy, dzięki czemu spadnie poziom zakłóceń – przedstawiono to linią przerywaną na rysunkach.

Ustalenie punktu pracy lampy elektronowej - lampowy ocieplacz dźwięku

Ustalenie właściwego żarzenia to jednak tylko początek dostosowania układu. Najważniejszy jest dobór obciążenia – rezystor R14 oraz rezystora katodowego R13 i siatkowego R12. W tym celu należy pobrać z internetu notę katalogową posiadanej lampy. Jak czytać notę katalogową? Na pierwszej stronie znajduje się graficzna informacja o konfiguracji wyprowadzeń oraz szereg parametrów technicznych m.in. maksymalne dopuszczalne napięcie anodowe oraz rezystancja wewnętrzna. Niestety nie możemy tej rezystancji wykorzystać do obliczeń, gdyż maleje ona wraz ze wzrostem prądu anodowego, ponadto wpływ na nią ma napięcie siatki. Dużo więcej dowiemy się, analizując stronę z charakterystykami lampy – patrz rysunek 10.

Rys.10 Charakterystyki lampy

Pierwsza charakterystyka, anodowo-siatkowa, pokazuje, jak zmienia się prąd anody w zależności od ujemnego napięcia siatki dla stałego napięcia anodowego. Na wykresie tym znajduje się cała rodzina charakterystyk dla różnych napięć anodowych. Dzięki temu wykresowi możemy ustalić punkt pracy, który powinien znajdować się na prostoliniowej części charakterystyki.

Druga charakterystyka, anodowa, pokazuje zmianę prądu anody względem napięcia anody przy określonym napięciu siatki. Na podstawie tej charakterystyki można sprawdzić, czy dobierając parametry, nie przekroczyliśmy dopuszczalnej mocy strat (wyznaczony linią kreskowaną obszar w górnej prawej części wykresu), co spowoduje szybki spadek żywotności lampy.

Aby ustalić punkt pracy, musimy znać napięcie anodowe, napięcie siatki oraz prąd płynący przez lampę. Do określenia tych parametrów wystarczy zmierzyć napięcia (względem masy – środkowego zacisku złącza AN) w 3 punktach:

• Uz – napięcie zasilania (jeden ze skrajnych zacisków złącza AN),
• Ua – napięcie na anodzie lampy (na rezystorze R14/R24 od strony lampy),
• Uk – napięcie na katodzie lampy (na rezystorze R13/R23 od strony lampy),

Zatem napięcie anodowe to

Uan = Ua – Uk

Prąd anodowy najłatwiej określić, mierząc spadek napięcia na rezystorze anodowym R14, czyli

Ian = (Uz – Ua) / R14

Jeśli prąd i napięcie są zbyt małe, należy zmniejszyć rezystor anodowy (R14/R24) tak, aby punkt pracy znalazł się na prostej części charakterystyki. Należy przy tym uważać, aby nie przekroczyć dopuszczalnej mocy strat. W układzie zastosowana jest polaryzacja automatyczna, tzn. że siatka jest zwarta do masy rezystorem o stosunkowo dużej wartości R12/R22. Ujemne napięcie względem katody wynika ze spadku napięcia na rezystorze katodowym, zatem

Ug = – Uk

Na wykresie dla napięcia dla Uan = 80V i prądu anodowego Ian = 5mA napięcie katody względem siatki (masy) powinno wynosić ok. 2V – jeśli jest większe, należy zmniejszyć, a jeśli mniejsze – zwiększyć wartość rezystora katodowego R13/R23. Przy zmianie wartości rezystora katodowego również ulega zmianie prąd anody, a zatem punkt pracy też może się nieco zmienić. Pamiętać przy tym należy, że lampy mają spory rozrzut parametrów, nawet do 20%. Często parametrami różnią się nawet dwie połówki tej samej lampy. Zatem nie należy zbyt rygorystycznie podchodzić do precyzyjnego doboru rezystorów.

Lampowy ocieplacz dźwięku

Opisany powyżej algorytm dotyczy układu ze wspólną katodą (WK). W układzie ze wspólną anodą (WA) jest podobnie. Należy zmierzyć napięcie zasilania Uz na zacisku AN oraz napięcie katody Uk i obciążenia Uo – oba na skrajnych wyprowadzeniach rezystora katodowego R113. Napięcie anodowe to

Uan = Uz – Uk

Prąd anodowy najłatwiej określić, mierząc spadek napięcia na rezystorze obciążeniowym R114, czyli

Ian = Uo / R114

Za napięcie siatki odpowiada spadek napięcia na rezystorze katodowym R113

Ug = – (Uk – Uo)

W tabelce podano wartości napięć zmierzone przeze mnie w układach prototypowych WK i WA dla lamp ECC88 oraz ECC81.

Wartości napięć zmierzone w układach prototypowych WK i WA dla lamp ECC88 oraz ECC81

Dobierając punkt pracy na prostoliniowej części charakterystyki, zapewniamy minimalną ilość zniekształceń. Jednak budując ocieplacz, świadomie chcemy mieć tych zniekształceń nieco więcej. Stąd w moim układzie rezystory katodowe, chociaż zasadniczo powinny być mniejsze (około 500Ω), ustawiają punkt pracy na zagięciu charakterystyki. W mojej subiektywnej ocenie w układzie WK „ocieplenie” jest bardziej odczuwalne, natomiast układ WA jest bardziej „przezroczysty” dla dźwięku.

Przedstawiony przedwzmacniacz lampowy jest stosunkowo tani i prosty w montażu, a jego wmontowanie do już istniejącego wzmacniacza jest mało inwazyjne. Życzę wszystkim satysfakcjonujących odsłuchów!