Ламповый усилитель низких частот с микроконтроллерной стабилизацией рабочей точки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

Ламповый усилитель низких частот с микроконтроллерной стабилизацией рабочей точки

Евтушенко Денис Вадимович,

студент магистратуры

Аннотация

В статье приведено решение проблемы нестабильности рабочей точки в анодной цепи усилительного каскада лампового усилителя низких частот. Сделан анализ существующих схемотехнических решений. Приведен пример реализации усилителя с применение микроконтроллера в качестве компонента, задающего величину анодного тока.

Ключевые слова: ламповый усилитель, микроконтроллер, стабилизация, рабочая точка.

Введение

Актуальность исследования заключается в необходимости достижения наилучшего качества воспроизведения звуковых частот ламповым усилителем. Ввиду того, что ламповые усилители обладают рядом преимуществ. Например, приятное звучание, создаваемое за счет особенностей конструкции электронных ламп, придающих воспроизводимой музыке субъективно «теплый» тембральный окрас. Это достигается за счет преобладания четных гармоник низшего порядка в спектре выходного сигнала и отсутствия неприятных гармоник высшего порядка, характерных для транзисторных усилителей. Немаловажной является эстетическая составляющая. Слабое свечение накала, создает уютную атмосферу, при расположении радиоламп снаружи корпуса устройства.

Если устранить недостатки, либо минимизировать их, можно добиться повышения потребительского спроса.

Одним из недостатков ламповых усилителей является нестабильность токов покоя в усилительных каскадах, что приводит к заметному искажению звукового сигнала.

Объектами исследования в рамках данной работы являются существующие решения стабилизации рабочей точки, применяемых в ламповой схемотехнике.

Цель работы заключается в разработке решения, позволяющего обеспечить работу устройства в связке с низкоомной нагрузкой, без использования выходного трансформатора.

Практическая ценность работы состоит в повышении КПД, снижении энергопотребления, массы и габаритов устройства.

1. Анализ существующих схемных и конструкторских решений ламповых усилителей со стабилизацией токов покоя

Напряжение смещения -- это напряжение, подаваемое на управляющую сетку электронной лампы относительно потенциала на её катоде. При постоянном напряжении смещения выходное напряжение усилительного каскада равно нулю. Входной переменный сигнал, подаваемый на управляющую сетку, колеблется относительно постоянного напряжения смещения, так называемой рабочей точки.

Напряжение смещение можно установить различными способами:

-- с помощью катодного резистора автосмещения;

-- внешнее сеточное смещение;

-- катодное смещение с перезаряжаемым аккумулятором.

Очень часто в усилительных каскадах небольшой мощности напряжение смещения получают установкой резистора в цепь катода. Данное решение называется катодным автосмещением. Схема такого каскада усиления приведена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 Катодное смещение с использованием резистора

При отсутствии тока управляющей сетки, ее потенциал по постоянному току равен нулю. Если анодный ток лампы увеличивается, то катодный ток, протекающий через резистор автосмещения, также повышается, делая потенциал катода более положительным по отношению к сетке, поскольку на катодном резисторе при протекании тока всегда будет падать определенное напряжение согласно закону Ома. Таким образом, при возрастании анодного тока будет увеличиваться потенциал катода, а поскольку потенциал сетки постоянный и нулевой, то нулевое сеточное напряжение относительно положительного катодного оказывается существенно ниже. Это эквивалентно от-резательному запирающему напряжению смещения на сетке, благодаря чему лампа будет закрываться, и анодный ток снижаться. Таким образом, с ростом тока, падение напряжения на катодном резисторе будет возрастать, потенциал сетки относительно потенциала катода будет уменьшаться, лампа будет запираться, что приведет к падению анодного тока. Это значит, что включение катодного резистора приводит к возникновению отрицательной обратной связи по току, которая убирается конденсатором большой емкости. Конденсатор шунтирует переменный ток на землю [1].

Главным недостатком данного метода является сильный нагрев резистора в мощных усилительных каскадах. Например, при токе покоя в 0,1 А и напряжении смещения -20 В, на катодном резисторе теряется 2 Вт мощности.

Внешнее сеточное смещение, представлено на рисунке 1.2. Организуется с помощью вспомогательного источника питания отрицательной полярности.

Рисунок 1.2 -- Внешнее сеточное смещение

Так как, напряжение между катодом и сеткой фиксировано, анодный ток не зависит от изменений характеристик лампы, и смещение не подстраивается автоматически, в случае нестабильности питающего напряжения или старении лампы.

Как альтернатива катодному автосмещению, создаваемому катодным резистором за счет катодного тока, может быть использован аккумулятор, включаемый в катодную цепь. Вследствие отсутствия катодного резистора, при этом способе смещения также снимается проблема сдвига напряжения смещения при перегрузках каскада. В то же время, катодный ток, протекающий через аккумулятор смещения встречно, будет его заряжать. Перезаряжаемые элементы имеют крайне низкое внутренне сопротивление, таким образом, если они включены в цепь катода, рисунок 1.3, то они не вызывают падения переменного напряжения и возникновения обратной связи [1].

Рисунок 1.3 -- Катодное смещение с перезаряжаемым аккумулятором

ламповый усилитель микроконтроллер

Однако, при больших значениях напряжения смещения, аккумулятор оказывается неприемлемо громоздким.

2. Реализация лампового усилителя низких частот с микроконтроллерным управлением

Структурная схема усилителя, с системой регулирования напряжения смещения, основанной на контроле колебаний анодного тока выходного усилительного каскада, представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 -- Схема электрическая структурная лампового усилителя низких частот с микроконтроллерным управлением

Ламповый усилитель низких частот с микроконтроллерным управлением состоит из следующих блоков: источник анодного питания, источник напряжения смещения, блок регулирования напряжения смещения, микроконтроллер STM32F100, блок фильтрации анодного напряжения, предусилительный каскад, фильтр высоких частот, оконечный усилительный каскад, токоизмерительный резистор, регулятор тока, фильтр высоких частот, а, так же, источник питания накала, который не показан на схеме, в целях её упрощения.

Устройство условно делится на: цифровую, аналоговую части. К аналоговой части относятся: предусилительный каскад, фильтр высоких частот, оконечный усилительный каскад, регулятор тока и фильтр высоких частот.

Предусилительный каскад необходим для подготовки слабого сигнала для его дальнейшего усиления. Он реализован по схеме с общим катодом на двойном триоде 6Н2П.

Основное предназначение блоков фильтрации высоких частот является разделение постоянного напряжения от источника анодного питания и переменной составляющей подготовленного сигнала.

Оконечный усилительный каскад производит усиление сигнала по напряжению, для достижения необходимой мощности. Подблок регулирования тока выполняет функцию стабилизации анодного тока каскада. токоизмерительный резистор служит для регистрирования изменения анодного тока АЦП микроконтроллера. Его номинал подобран таким образом, чтобы значение падения напряжения на нем не превышало опорного напряжения АЦП микроконтроллера.

Микроконтроллер с помощью АЦП считывает изменение анодного тока оконечного усилительного каскада и стабилизирует его, путем регулирования значения напряжения смещения, через блок регулирования напряжения смещения, сигналом, формируемым цифро-аналоговым преобразователем.

3. Схема электрическая принципиальная оконечного усилительного каскада

Схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 3.1.

Усилительный каскад выполнен по схеме с динамической нагрузкой (SRPP) на двух триодах 6С19П, работающем в классе А.

Лампа VL2 осуществляют усиление сигнала по напряжению, а VL1 выполняет роль источника тока. VL2 работает в том же режиме что и VL1.

Усиление оконечного каскада при ?U_вх = 10 В:

Для определения нестабильности тока покоя в выходных усилительных каскадах, был введен токоизмерительный резистор R4 малого сопротивления. Его номинал выбирается таким образом, чтобы падение напряжения было равно половине опорного напряжения АЦП микроконтроллера. Исходя из того, что ток покоя равен 0,1А, а опорное напряжение АЦП микроконтроллера равно 3,2 В, то, по закону Ома.

Управление значением напряжения смещения осуществляется с помощью полевого транзистора с управляющим p-n переходом, включенный по схеме с общим истоком. Сам транзистор, в свою очередь, управляется цифро-аналоговым преобразователем микроконтроллера. ВАХ транзистора, управляющего значением напряжения смещения показана на рисунке 3.2.

По сути, данный транзистор выполняет роль электронного потенциометра, управляемого микроконтроллером. Преимущество этого метода состоит, главным образом, в простоте реализации, малом количестве ЭРЭ и дешевизне.

Рисунок 3.1 -- Схема электрическая принципиальная

Рисунок 3.2 -- ВАХ транзистора, управляющего значением напряжения смещения

4. Схема электрическая принципиальная блока цифровой части

Схема электрическая принципиальная блока цифровой части устройства представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 -- Схема электрическая принципиальная блока цифровой части

Основным элементом цифровой части устройства является микроконтроллер DD1, регулирующий напряжение, подаваемое на блок управления напряжением смещения через выводы PA2/ADC2 и PA3/ADC1, в зависимости от изменения напряжения на выводах PA4/DAC1 и PA4/DAC2.

Конденсаторы C15..C19 и катушка индуктивности L1 являются фильтрующими элементами, стабилизирующие напряжение питания.

Тактовая кнопка SB1 дает возможность перезагрузить микроконтроллер в случае сбоя программы.

Клеммники J1..J4 обеспечивают настройку режимов загрузки кода про-граммы в память микроконтроллера.

Резистор R20 и конденсатор С20 образуют фильтр низкой частоты, препятствующий возникновению эффекта дребезга контактов тактовой кнопки.

Список литературы

1. Джонс М. Ламповые усилители / пер. с англ.; под общ. научной ред. к.т.н. доц. Иванюшкина Р. Ю. М.: Издательский дом «ДМК-пресс», 2007.

Размещено на Allbest.ru