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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Minimizando a distorção harmônica em um amplificador valvulado. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Amplificadores de potência de tubo O artigo discute os resultados de estudos da linearidade da cascata de lâmpadas com uma fonte de corrente no circuito anódico. Os parâmetros dos regimes elétricos para vários triodos de amplificação, que fornecem a mais alta linearidade, são fornecidos e os espectros característicos das distorções de sinal nesses modos de operação são mostrados. São dadas recomendações sobre o uso das lâmpadas estudadas. O estudo da linearidade potencial da cascata de tubos perseguiu vários objetivos. Era para confirmar objetivamente a viabilidade do uso de fontes de corrente como carga anódica da lâmpada e, assim, abalar a confiança dos oponentes dessa abordagem e fortalecer a fé de seus defensores. Eu queria verificar mais uma vez a exatidão de uma série de recomendações sobre a escolha do modo de operação das cascatas preliminares fornecidas em [1], onde uma cascata com uma fonte de corrente é descrita em detalhes e um método para calcular a própria cascata e a fonte de corrente é fornecida. Espero que os resultados do meu trabalho tornem mais fácil para todos os radioamadores e audiófilos escolher o tipo de lâmpada e seu modo de operação. Ao contrário do artigo anterior [2], onde foram realizados testes de várias lâmpadas em modos diferentes dos reais, os resultados obtidos podem ser imediatamente utilizados na prática. Durante a operação, os modos de operação da lâmpada em cascata com fonte de corrente no circuito anódico foram otimizados para garantir a máxima linearidade. O objetivo presumido da cascata é trabalhar nos circuitos de pré-amplificação de amplificadores de potência; isso determinou a lista de lâmpadas testadas e a magnitude da tensão de saída na qual as medições foram feitas. Os parâmetros foram medidos em cascata de acordo com o esquema mostrado na Fig. 1. De fato, o circuito já foi descrito [3, 4], a cascata é complementada com elementos para regular a corrente da lâmpada e a tensão de polarização. Para eliminar a influência da resistência de entrada do equipamento de medição, foi utilizado um amplificador buffer de medição, que possui uma resistência de entrada e linearidade muito altas. Chamo a atenção para esta condição: em dispositivos reais, os melhores resultados são obtidos ao usar um seguidor de cátodo como estágio subsequente. Um gerador GZ-118 foi usado como fonte de sinal, e um medidor de distorção não linear (INI) C1-6 e um analisador de espectro HP-9A foram conectados à saída do amplificador de buffer (A3585). A faixa de mudanças nas correntes de operação da lâmpada é limitada por baixo pelas propriedades de frequência necessárias da cascata e por cima pela potência de dissipação permitida no ânodo. No caso geral, a frequência de corte superior da cascata (de acordo com a queda de 3 dB) pode ser determinada pela fórmula fgr =1/(2πC∑R'). onde Su é a capacitância total conectada em paralelo com a carga (incluindo a capacitância de saída da lâmpada), R' é a resistência equivalente total conectada em paralelo com o circuito anódico da lâmpada para corrente alternada. As propriedades de frequência da cascata foram determinadas para uma carga na forma de um seguidor de cátodo. Nesse caso, a capacitância de carga é muito pequena e a resistência equivalente total R' é praticamente igual à resistência de saída da lâmpada no ponto quiescente, que depende da corrente quiescente.
As medições foram realizadas da seguinte forma: a corrente operacional mínima (calculada preliminarmente) da lâmpada foi definida, a tensão no ânodo da lâmpada foi selecionada na faixa de 100 ... 150 V em um valor efetivo da tensão de saída da cascata de 6 V. Além disso, alterando a tensão de polarização UCM, o coeficiente harmônico da tensão de saída foi minimizado. O procedimento para encontrar o mínimo de harmônicos foi repetido para grandes valores da corrente de operação da lâmpada e, como resultado, foram obtidos vários pontos de operação que afirmam ser ótimos; nesses pontos, o comportamento da cascata foi estudado com mais detalhes. Para lâmpadas com modelos PSpise, a faixa de busca pelo modo ótimo foi menor devido à simulação preliminar dos modos de operação no computador. O ponto de operação ideal é considerado para fornecer a maior linearidade da cascata na menor corrente quiescente. Isso significa o seguinte: se o nível mínimo de harmônicos foi registrado em vários valores da corrente quiescente, o menor deles foi considerado ideal. O modo de repouso da lâmpada, correspondente ao ponto ideal, é determinado por dois parâmetros: a tensão no ânodo da lâmpada (UA0) e a corrente do cátodo da lâmpada (Ik0 - foi medida pela queda de tensão no resistor de precisão RK) na ausência de sinal. No processo de estudo de diferentes tipos de lâmpadas, foi descoberto um efeito curioso que, ao que me parece, não foi descrito em nenhum outro lugar. Descobriu-se que, para diferentes tipos de lâmpadas, a natureza da mudança no espectro de distorção do sinal de saída, dependendo de pequenas mudanças no modo DC, difere significativamente. Além disso, não estamos falando de entrar na região de baixas correntes e tensões, onde a lâmpada é essencialmente não linear e tais diferenças são bastante esperadas, mas na região de trabalho, onde nada prenuncia tais anomalias. O efeito é estável e depende pouco de uma instância específica da lâmpada. Dezoito tipos de lâmpadas foram estudados (nem todo o material foi incluído neste artigo), e se a lâmpada se comportasse de uma certa maneira, então testar outra amostra tomada aleatoriamente daria aproximadamente a mesma imagem. Portanto, decidi adicionar mais um parâmetro subjetivo às características da lâmpada, que caracteriza a estabilidade do espectro harmônico do sinal de saída dependendo do modo da lâmpada para corrente contínua (doravante simplesmente estabilidade). Condicionalmente, foram introduzidas três gradações de estabilidade - "baixa", "média", "alta". As lâmpadas com alta estabilidade são caracterizadas por uma pequena alteração no espectro do sinal de saída ao alterar os modos para corrente contínua em uma ampla faixa. Um representante notável desse grupo de lâmpadas é a lâmpada 6N8S: alterar seu modo CC leva apenas a uma ligeira alteração (de 1,5 ... 2,5 dB) no nível do segundo harmônico, e os harmônicos mais altos não aparecem. Talvez esta seja uma das razões pelas quais os audiófilos amam tanto este tubo; perdoa todos os erros de design concebíveis e impensáveis. Lâmpadas com estabilidade média respondem a uma mudança no modo DC de forma mais nítida, mas previsível. Por exemplo, quando a tensão do ânodo é reduzida, as mudanças no espectro do sinal de saída tornam-se perceptíveis muito em breve: o nível do segundo harmônico aumenta, harmônicos mais altos aparecem. Quanto mais o desvio do regime do ponto ideal, maiores os níveis de harmônicos e maior o seu número. Lâmpadas com baixa estabilidade alteram drasticamente o espectro de saída com alterações relativamente pequenas no modo DC e, às vezes, possuem várias áreas de operação com uma transição nítida entre elas. Um exemplo típico é a lâmpada 6C3P. Quando a tensão do ânodo muda apenas 6%, a lâmpada muda drasticamente a natureza do espectro: os harmônicos mais altos desaparecem, o nível do segundo harmônico aumenta e, com um aumento adicional na tensão do ânodo, muda pouco. Quando a lâmpada está na zona de baixa estabilidade, como regra, a distorção harmônica mínima é atingida e a lâmpada é extremamente sensível ao modo DC, uma ligeira mudança no modo pode efetivamente controlar o nível e a proporção das amplitudes harmônicas. Para alguns tipos de lâmpadas, são fornecidas as características de ambos os modos de operação. Separadamente, foram estudadas as possibilidades de operação da lâmpada em baixa tensão anódica. Recomendações que aparecem periodicamente sobre o uso de lâmpadas convencionais em uma cascata resistiva em baixa tensão anódica, para dizer o mínimo, não se justificam de forma alguma. A utilização de uma fonte de corrente no circuito anódico é uma das possibilidades de implementar tal modo de operação da cascata com amplificação suficiente e propriedades de frequência satisfatórias, sem entrar no modo "microcorrente". Para lâmpadas aceitáveis, na minha opinião, trabalhadas em tais modos, os parâmetros correspondentes são indicados. Na fig. A Figura 2 mostra o espectro do sinal de saída de um estágio resistivo em uma lâmpada 6H8C (eu especificamente dou um exemplo de alteração dos parâmetros do estágio com esta lâmpada, pois é considerada uma das mais lineares). A lâmpada opera aproximadamente no mesmo modo (a mesma instância) que na cascata com uma fonte de corrente (UA0=187 V, lK0-4,7 mA), a resistência do resistor do ânodo é de 20 kOhm. Este valor foi escolhido de acordo com recomendações freqüentemente encontradas: tome sua resistência 2 ... 3 vezes a resistência interna da lâmpada em repouso. Para esta lâmpada, a resistência interna a uma corrente de 4,7 mA é de 9150 ohms. Vamos comparar os espectrogramas: o uso de uma fonte de corrente (Fig. 3) levou a uma diminuição do nível do segundo harmônico em quase dez vezes, o terceiro harmônico desapareceu completamente! Consequentemente, o coeficiente harmônico do estágio diminuiu de 0,608% para 0,078% e o sinal de saída tem um espectro mais favorável. À medida que o nível de saída aumenta, as vantagens do estágio de fonte atual tornam-se ainda mais fortes. A tabela de resumo mostra os parâmetros médios dos modos de operação ideais para todas as lâmpadas, e os espectrogramas (Fig. 4-12) mostram os espectros harmônicos do sinal de saída característico de algumas delas.
Deve-se levar em consideração que as lâmpadas possuem uma dispersão significativa de parâmetros, e não haverá coincidência total dos parâmetros da cascata ao usar lâmpadas diferentes, mas as diferenças são pequenas - 15 ... 25%. Portanto, a tensão na grade da lâmpada é caracterizada como indicativa e serve como valor inicial para o projeto. Para lâmpadas combinadas, são fornecidos os parâmetros da parte triodo; o pentodo 6Zh38P é ligado no modo triodo (preste atenção a esta lâmpada!). Como resultado dos estudos e medições da não linearidade dos triodos amplificadores usados com uma fonte de corrente no circuito de potência e um estágio de buffer, o autor chegou às seguintes conclusões. 1. A comparação dos resultados obtidos com os parâmetros das cascatas resistivas nas mesmas lâmpadas prova que o uso de uma fonte de corrente (mesmo em transistores!) aumenta significativamente a linearidade da cascata e melhora a composição espectral da tensão de saída. 2. A alta linearidade da cascata com uma fonte de corrente no circuito de potência e a melhoria do espectro do sinal de saída expandem significativamente a gama de válvulas adequadas para uso em amplificadores de frequência de áudio de alta qualidade. As lâmpadas tradicionalmente criticadas 6N2P, 6NZP, 6N23P apresentam excelentes resultados em termos de linearidade e qualidade sonora! 3. O ganho da cascata com uma fonte de corrente tende a um valor igual ao valor de μ da lâmpada (com uma resistência de entrada suficientemente grande da próxima cascata). No caso geral, isso permite reduzir o número necessário de estágios, mantendo a sensibilidade dada. 4. A redução da tensão anódica da lâmpada leva a uma deterioração da linearidade da cascata. Embora o estágio de fonte atual permita este modo de operação para a maioria das válvulas, não é recomendado usar tais modos em amplificadores de alta qualidade. Esta conclusão é verdadeira não apenas para válvulas de rádio convencionais, mas também para aquelas projetadas para operar em baixa tensão. O estudo das lâmpadas 6S63N [1] e 6N27P (tensão anódica típica - 28 V) mostrou que a melhor linearidade da cascata é alcançada com uma tensão anódica muito maior. 5. No caso de alimentar o amplificador com tensão instável, devem ser utilizadas lâmpadas com alta estabilidade espectral de harmônicos. O uso de fontes de alimentação estabilizadas remove essa limitação e possibilita o uso de todas as lâmpadas listadas aqui com um resultado estável. 6. Se a lâmpada tiver uma zona pronunciada com baixa estabilidade de espectro, então, aparentemente, deve ser evitada, pois não há informações sobre a estabilidade temporal de tal regime (em todo caso, do autor). Ao sintonizar o amplificador usando apenas o INI, existe o perigo de cair exatamente nessa área de trabalho, pois é nesse modo que a menor distorção harmônica total na tensão de saída da cascata é alcançada. Literatura
Autor: E.Karpov, Odessa, Ucrânia
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