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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Minimierung harmonischer Verzerrungen in einem Röhrenverstärker. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Röhren-Leistungsverstärker Der Artikel diskutiert die Ergebnisse von Untersuchungen zur Linearität einer Lampenstufe mit einer Stromquelle im Anodenkreis. Es werden die Parameter elektrischer Modi für eine Reihe von Verstärkertrioden angegeben, die die höchste Linearität bieten, und die charakteristischen Spektren der Signalverzerrung in diesen Betriebsmodi werden angezeigt. Es werden Empfehlungen für den Einsatz der untersuchten Lampen gegeben. Die Untersuchung der möglichen Linearität der Röhrenstufe hatte mehrere Ziele. Es sollte die Machbarkeit der Verwendung von Stromquellen als Anodenlast der Lampe objektiv bestätigen und so das Vertrauen der Gegner dieses Ansatzes erschüttern und den Glauben seiner Befürworter stärken. Ich wollte noch einmal die Richtigkeit einer Reihe von Empfehlungen zur Wahl der Betriebsart von Vorstufen in [1] überprüfen, in denen eine Kaskade mit einer Stromquelle ausführlich beschrieben wird und eine Methode zur Berechnung der Kaskade selbst und der Stromquelle gegeben ist. Ich hoffe, dass die Ergebnisse meiner Arbeit allen Funkamateuren und Audiophilen die Wahl des Lampentyps und seiner Betriebsart erleichtern werden. Im Gegensatz zum vorherigen Artikel [2], in dem Tests vieler Lampen in von den realen Modi abweichenden Modi durchgeführt wurden, können die erzielten Ergebnisse sofort in der Praxis verwendet werden. Im Zuge der Arbeiten wurden die Betriebsarten der Lampe in Kaskade mit der Stromquelle im Anodenkreis optimiert, um maximale Linearität zu gewährleisten. Der vermutliche Zweck der Kaskade besteht darin, in den Vorverstärkerschaltungen von Leistungsverstärkern zu arbeiten; Dadurch wurde die Liste der zu prüfenden Lampen und die Ausgangsspannung festgelegt, bei der die Messungen durchgeführt wurden. Parametermessungen wurden in einer Kaskade nach dem in Abb. dargestellten Schema durchgeführt. 1. Tatsächlich wurde die Schaltung bereits beschrieben [3, 4], die Kaskade wird durch Elemente zur Regelung des Lampenstroms und der Vorspannung ergänzt. Um den Einfluss der Eingangsimpedanz des Messgerätes zu eliminieren, wird ein Messtrennverstärker verwendet, der eine sehr hohe Eingangsimpedanz und Linearität aufweist. Ich mache Sie auf diesen Zustand aufmerksam: In realen Geräten werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn als Folgestufe ein Kathodenfolger verwendet wird. Als Signalquelle wurde ein GZ-118-Generator verwendet, und an den Ausgang des Pufferverstärkers (A1) wurden ein nichtlineares Verzerrungsmessgerät (NIM) S6-9 und ein Spektrumanalysator HP-3585A angeschlossen. Der Änderungsbereich der Betriebsströme der Lampe wird nach unten durch die erforderlichen Frequenzeigenschaften der Kaskade und nach oben durch die zulässige Verlustleistung an der Anode begrenzt. Im allgemeinen Fall kann die obere Grenzfrequenz der Kaskade (basierend auf dem Roll-Off-Pegel von 3 dB) durch die Formel bestimmt werden fgr =1/(2πC∑R'). Dabei ist Su die parallel zur Last geschaltete Gesamtkapazität (einschließlich der Ausgangskapazität der Lampe), R' der gesamte äquivalente Widerstand, der parallel zum Anodenkreis der Lampe bei Wechselstrom geschaltet ist. Die Frequenzeigenschaften der Kaskade wurden für eine Last in Form eines Kathodenfolgers ermittelt. In diesem Fall ist die Lastkapazität sehr klein und der gesamte Ersatzwiderstand R' entspricht nahezu dem Ausgangswiderstand der Lampe im Ruhepunkt, der vom Ruhestrom abhängt.
Die Messungen wurden wie folgt durchgeführt: Der minimale (vorberechnete) Betriebsstrom der Lampe wurde eingestellt, die Spannung an der Anode der Lampe wurde im Bereich 100...150 V mit einem Effektivwert des Kaskadenausgangs gewählt Spannung von 6 V. Als nächstes wurde durch Änderung der Vorspannung UCM der harmonische Koeffizient der Ausgangsspannung minimiert. Das Verfahren zur Ermittlung der minimalen Harmonischen wurde für große Werte des Lampenbetriebsstroms wiederholt und als Ergebnis wurden mehrere Betriebspunkte erhalten, die als optimal galten; An diesen Stellen wurde das Verhalten der Kaskade genauer untersucht. Bei Lampen mit PSpise-Modellen war der Suchbereich für den optimalen Modus aufgrund der vorläufigen Modellierung der Betriebsmodi am Computer kleiner. Der optimale Arbeitspunkt ist derjenige, der die höchste Linearität der Kaskade mit dem niedrigsten Ruhestrom bietet. Dies bedeutet Folgendes: Wenn das minimale Niveau an Harmonischen bei mehreren Werten des Ruhestroms erfasst wurde, wurde der kleinste davon als optimal angesehen. Der Ruhezustand der Lampe, der dem optimalen Punkt entspricht, wird durch zwei Parameter bestimmt: die Spannung an der Lampenanode (UA0) und den Lampenkathodenstrom (Iк0 – gemessen durch den Spannungsabfall am Präzisionswiderstand RK) in das Fehlen eines Signals. Bei der Untersuchung verschiedener Lampentypen wurde ein merkwürdiger Effekt entdeckt, der meiner Meinung nach noch nirgendwo zuvor beschrieben wurde. Es stellte sich heraus, dass sich die Art der Änderung des Verzerrungsspektrums des Ausgangssignals bei verschiedenen Lampentypen in Abhängigkeit von kleinen Änderungen im Gleichstrommodus erheblich unterscheidet. Darüber hinaus sprechen wir nicht über den Eintritt in den Bereich niedriger Ströme und Spannungen, in dem die Lampe deutlich nichtlinear ist und solche Unterschiede durchaus zu erwarten sind, sondern über den Arbeitsbereich, in dem nichts auf solche Anomalien schließen lässt. Der Effekt ist stabil und hängt kaum von der jeweiligen Lampe ab. Es wurden 18 Lampentypen untersucht (nicht das gesamte Material wurde in diesen Artikel einbezogen), und wenn sich die Lampe auf eine bestimmte Weise verhielt, ergab der Test einer anderen zufällig entnommenen Probe ungefähr das gleiche Bild. Daher habe ich beschlossen, den Eigenschaften der Lampe einen weiteren subjektiven Parameter hinzuzufügen, der die Stabilität des harmonischen Spektrums des Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Gleichstrommodus der Lampe charakterisiert (im Folgenden einfach Stabilität). Konventionell wurden drei Stabilitätsabstufungen eingeführt – „niedrig“, „mittel“, „hoch“. Lampen mit hoher Stabilität zeichnen sich durch eine geringe Änderung des Spektrums des Ausgangssignals beim Wechsel des DC-Modus über einen weiten Bereich aus. Ein markanter Vertreter dieser Lampengruppe ist die 6N8S-Lampe: Eine Änderung ihres DC-Modus führt nur zu einer geringfügigen (1,5...2,5 dB) Änderung des Pegels der zweiten Harmonischen, höhere Harmonische treten nicht auf. Vielleicht ist dies einer der Gründe, warum Audiophile diese Lampe lieben; es verzeiht alle denkbaren und unvorstellbaren Konstruktionsfehler. Lampen mit durchschnittlicher Stabilität reagieren schärfer, aber vorhersehbarer auf Änderungen im DC-Modus. Sinkt beispielsweise die Anodenspannung, machen sich sehr schnell Veränderungen im Spektrum des Ausgangssignals bemerkbar: Der Pegel der zweiten Harmonischen steigt und es treten höhere Harmonische auf. Je weiter der Modus vom optimalen Punkt abweicht, desto höher sind die harmonischen Pegel und desto größer ist ihre Anzahl. Röhren mit geringer Stabilität verändern die Art des Ausgangssignalspektrums mit relativ kleinen Änderungen im Gleichstrommodus stark und haben manchmal mehrere Betriebszonen mit einem steilen Übergang dazwischen. Ein typisches Beispiel ist die 6C3P-Lampe. Wenn sich die Anodenspannung nur um 6 % ändert, ändert die Lampe die Natur des Spektrums stark: Die höheren Harmonischen verschwinden, der Pegel der zweiten Harmonischen steigt und bei einem weiteren Anstieg der Anodenspannung ändert sich kaum etwas. Wenn sich die Lampe in einer Zone mit geringer Stabilität befindet, wird normalerweise die minimale harmonische Verzerrung erreicht und die Lampe äußerst empfindlich auf den Gleichstrommodus reagiert. Eine geringfügige Änderung des Modus kann den Pegel und das Amplitudenverhältnis der Harmonischen effektiv steuern. Bei einigen Lampentypen sind die Eigenschaften beider Betriebsarten angegeben. Die Möglichkeiten des Lampenbetriebs bei niedriger Anodenspannung wurden gesondert untersucht. Von Zeit zu Zeit auftauchende Empfehlungen zum Einsatz konventioneller Lampen in einer Widerstandskaskade bei niedriger Anodenspannung sind, gelinde gesagt, unbegründet. Die Verwendung einer Stromquelle im Anodenkreis ist eine der Möglichkeiten, einen solchen Kaskadenbetriebsmodus mit ausreichender Verstärkung und zufriedenstellenden Frequenzeigenschaften zu implementieren, ohne in den „Mikrostrom“-Modus zu wechseln. Für Lampen, die meiner Meinung nach in solchen Modi akzeptabel funktionierten, sind die entsprechenden Parameter angegeben. In Abb. Abbildung 2 zeigt das Spektrum des Ausgangssignals einer Widerstandsstufe unter Verwendung einer 6N8S-Lampe (ich gebe speziell ein Beispiel für die Änderung der Parameter einer Stufe mit dieser Lampe, da sie als eine der linearsten gilt). Die Lampe arbeitet in ungefähr dem gleichen Modus (der gleichen Kopie) wie in der Kaskade mit einer Stromquelle (UA0 = 187 V, lK0 - 4,7 mA), der Widerstand des Anodenwiderstands beträgt 20 kOhm. Dieser Wert wurde in Anlehnung an häufig anzutreffende Empfehlungen gewählt: Man nehme seinen Widerstand 2...3 mal größer an als den Innenwiderstand der Lampe im Ruhepunkt. Bei dieser Lampe beträgt der Innenwiderstand bei einem Strom von 4,7 mA 9150 Ohm. Vergleichen wir die Spektrogramme: Die Verwendung einer Stromquelle (Abb. 3) führte zu einer fast zehnfachen Verringerung des Pegels der zweiten Harmonischen, die dritte Harmonische verschwand vollständig! Dementsprechend ist die harmonische Verzerrung der Kaskade von 0,608 % auf 0,078 % gesunken und das Ausgangssignal weist ein günstigeres Spektrum auf. Mit steigendem Ausgangspegel kommen die Vorteile der Stromquellenstufe noch deutlicher zum Ausdruck. Die Übersichtstabelle zeigt die durchschnittlichen Parameter der optimalen Betriebsmodi aller Lampen und die Spektrogramme (Abb. 4-12) zeigen die für einige von ihnen charakteristischen harmonischen Spektren des Ausgangssignals.
Es ist zu berücksichtigen, dass die Parameter der Lampen erheblich gestreut sind und es bei der Verwendung verschiedener Lampen keine vollständige Übereinstimmung der Kaskadenparameter gibt, die Unterschiede sind jedoch gering – 15...25 %. Daher gilt die Spannung am Lampengitter als Richtwert und dient als Ausgangswert für die Auslegung. Bei kombinierten Lampen sind die Parameter des Triodenteils angegeben; Die Pentode 6Zh38P ist im Triodenmodus eingeschaltet (auf diese Lampe achten!). Als Ergebnis der Untersuchungen und Messungen der Nichtlinearität von Verstärkertrioden, die mit einer Stromquelle im Leistungskreis und einer Pufferstufe verwendet werden, kam der Autor zu den folgenden Schlussfolgerungen. 1. Der Vergleich der erzielten Ergebnisse mit den Parametern von Widerstandsstufen mit denselben Lampen zeigt, dass die Verwendung einer Stromquelle (auch bei Transistoren!) die Linearität der Stufe deutlich erhöht und die spektrale Zusammensetzung der Ausgangsspannung verbessert. 2. Hohe Linearität der Kaskade mit der Stromquelle im Leistungskreis und verbessertes Spektrum des Ausgangssignals erweitern das Spektrum der für den Einsatz in hochwertigen Audioverstärkern geeigneten Lampen deutlich. Die traditionell kritisierten Lampen 6N2P, 6НЗП, 6Н23П zeigen hervorragende Ergebnisse in Bezug auf Linearität und Klangqualität! 3. Die Verstärkung der Kaskade mit einer Stromquelle tendiert zu einem Wert, der dem Wert von μ der Lampe entspricht (bei ausreichend großem Eingangswiderstand der nächsten Stufe). Generell ist dadurch eine Reduzierung der erforderlichen Stufenzahl unter Beibehaltung der spezifizierten Empfindlichkeit möglich. 4. Eine Verringerung der Anodenspannung der Lampe führt zu einer Verschlechterung der Linearität der Kaskade. Obwohl die Stromquellenstufe diesen Betriebsmodus für die meisten Röhren zulässt, wird die Verwendung solcher Modi in hochwertigen Verstärkern nicht empfohlen. Diese Schlussfolgerung gilt nicht nur für herkömmliche Radioröhren, sondern auch für solche, die für den Betrieb mit Niederspannung ausgelegt sind. Eine Untersuchung von 6S63N [1]- und 6N27P-Lampen (typische Anodenspannung - 28 V) zeigte, dass die beste Linearität der Kaskade bei einer viel höheren Anodenspannung erreicht wird. 5. Wenn der Verstärker mit einer unstabilisierten Spannung betrieben wird, sollten Lampen mit hoher spektraler harmonischer Stabilität verwendet werden. Der Einsatz stabilisierter Netzteile hebt diese Einschränkung auf und ermöglicht den Einsatz aller hier aufgeführten Lampen mit stabilen Ergebnissen. 6. Wenn die Lampe eine ausgeprägte Zone mit geringer Spektrumstabilität aufweist, sollte dies offenbar vermieden werden, da keine Informationen über die vorübergehende Stabilität eines solchen Modus vorliegen (zumindest vom Autor). Bei der Abstimmung eines Verstärkers nur über INI besteht die Gefahr, in genau diesen Betriebsbereich zu geraten, da in diesem Modus die geringste Gesamtharmonische Verzerrung in der Ausgangsspannung der Kaskade erreicht wird. Literatur
Autor: E. Karpov, Odessa, Ukraine
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