[胆机制作] 全稳压一级放大牛推固偏300B单端

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发表于 2024-3-6 10:04 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2024-3-7 05:51 编辑

2012年曾参照AUDIO NOTE 300 kit 1电路自制了一台2A3&300B通用的单端功放。用2A3时,底噪在离箱20公分就听不到了,虽然低频量感强于300B,但仍欠缺力度和弹性,而且动态不够。300B的底噪离箱50公分才听不到,有明显的“太监声”,低频的量感、力度和弹性更加不足,更谈不上动态,这可能是由于与2A3相比,300B开发之初不是用于音频放大的,而是用作电源调整管有关。更不能容忍的是,一旦音量电位器旋过13:00,输出波形的下半周就一定出现非常明显的削波失真且畸变得非常难看,声音也变得尖锐刺耳。我特地在音量旋钮上做了红色记号,警示自己第一级换用什么类型(6J5GT/5842)的放大管时可旋转的不失真位置。显然,两级电压放大量过头了,造成了对2A3和300B的过分推动。
2014年退休后又被原设计院以原薪续聘到国家注册电气工程师和一级注册建造师任职资格终结的70岁。虽然从2019年在胆艺轩材料购进一对300B单端输出牛开始,就策划分别重做300B和2A3单端机,但5年间只能利用从杭州回绍兴过节假日的时间,零打碎敲地做好了推动牛、电源牛、PCB板、稳压电源,然后摆地摊似的做实验,其间还要审定修改院里发来的建筑智能化系统和城市给水及污水处理自动化系统的设计方案和图纸,一直没有时间在机箱上进行各组件布局、干开孔钻眼等钣金钳工活。直到2024年初彻底退休回绍兴,才组装好了 300B单端。同时装好的还有在2A3&300B通用单端功放原机箱、输出牛和电源牛基础上改造重做的2A3单端。吸取前一次的经验教训,重做300B单端时主要考虑了以下几方面的问题:
(一)音响界有句名言:对音频通道而言,“多只香炉就多个鬼,简单的就是最好的”。如果摒弃二级电压放大的电路程式,采用最简单的三极管(或接法)一级放大直推300B,其间没有耦合电容,需采用以下措施才能做到推好300B:
(1)采用一级放大的首要条件是选择合适放大管。按输入灵敏度为1Vrms来计算驱动300B的电压增益最低是多少?300B栅偏压按一般值取60V,对应有效值为60V/√2=42.5Vrms,即要求电压放大级输出至少42.5Vrms才能推满300B。这就要求:①第一级电压放大管的栅偏压的绝对值不能小于1.5V;②电压放大管的在路放大倍数最小值是Av=42.5。所以,第一级放大管必须采用高跨导S、高放大倍数μ、低内阻ra的。备选的适合管子有:6C45п-E、SQ级5842、D3a、EF184、E180F。
(2)只有电压放大管的阳极负载满足高交流阻抗、低直流电阻、高传输效率的条件时,才有可能使在路放大倍数Av≈管子的μ值。因此,第一级放大管阳极负载必须采用直流电阻很低、而交流阻抗很高、且传输衰减很低的推动牛,才能最大程度降低直流压降,并且产生最大的不失真输出电压振幅,使第一级放大管的在路放大倍数最接近管子μ值,有足够输出电压幅值推动300B。
(二)音响界还有句名言:“任何音频放大器实质上是电源放大器”。与音频通道不同,电源通道不是越简单就越好。音频放大器的电源必须同时具有不随电网变化的稳定输出电压、极低输出纹波和极小输出电阻三个特质。LC滤波+电子管整流抑制交流纹波效果相当不错,但电源的输出电阻是:①变压器高压绕组电阻约几十Ω+②扼流圈直流电阻约上百Ω+整流电子管管内阻约十几Ω。电源内阻对于单端功放特别重要。因为单端功放的电源内阻将和输出牛阻抗一起成为输出管的负载,而耦合给扬声器的只有输出牛两端的音频电压振幅,另一部分产生在电源内阻上音频电压振幅就白白浪费掉了。所以本论坛曾有作者在《6EM7推300B试装报告》中提到,“改用澳门客的石整流方案,速度、高频、低频,全出来,换机的感觉。低频甚至过多,想办法减少低频了。……二极管用HFA08TB120,澳门客推荐的,内阻非常低。”这说明,即使不稳压,只是把高内阻的胆整流管换为低内阻的石整流就能使300B单端有更好低音效果。晶体管稳压电源的输出电阻只取决于最末端调整器件的输出电阻,与它前面各种电阻(无论多大)都统统无关。由此可见,要得到低内阻电源,非晶体管稳压电源莫属。在选择稳压电路类型和关键元器件时,考虑了以下因素:
(1)具有很高共模抑制比和很低的输出电阻。用分立元件(结型晶体管或绝缘栅型场效应管)和三端可调稳压器(本质上是运放)都可实现共模抑制比大于80db和输出电阻小于0.001Ω(1mΩ)的目标,但后者制作简单,设计时仔细计算好采样电阻和控制输入输出压差在20V~50V之间(输出电流越大预留的压差就越大),可以一次成功,几乎不用调试。
(2)整流二极管包括电子管,都会产生开关的尖锋信号,在电源中激励出谐振干扰,而且很难被滤除,这就是音响设备发出烦人的“吱吱声”的源头。为了避免此类脉冲干扰噪声,所有整流二极管都采用没有开关过渡时间即不会产生尖峰干扰脉冲的肖特基二极管。其中高压整流选用Urrm=1200V碳化硅肖特基二极管,以适应全波整流的反压Urrm=2√2Vrms 。
(3)由于300B的灯丝电压高于2A3一倍,所以交流点灯时交流哼声一定大于2A3。已经受够了这种烦人的“嗡嗡声”,所以重做300B单端时,直流稳压点灯就是不二的选择。同时也是鉴于1992年第一次做300B推挽机的经验,当时就是采用直流稳压点灯,不仅毫无交流哼声, 而且也没有感觉到传说中的“声音不够鲜活”的问题。
(4)由于稳压电路只抑制共模噪声,对旁热式电子管阴极与灯丝之间的差模噪声无能为力,所以为了抑制这种差模射频干扰产生的“嘶嘶声”,在6.3V稳压电路中加入射频抑制滤波器,其中心点接机箱。
(三)300B的“太监声”备受诟病,其实2A3也存在“太监声”,只是不如300B那么明显而已。究其原因可能来自两个方面:
(1)正如《向太监声说NO》一文作者sn27所分析并实验证实的:是由于2A3、300B的栅漏电阻较大(固偏时最大不超过50KΩ)的缘故。采用次级交流阻抗很大、直流电阻很小的推动牛次级作为2A3、300B的栅漏电阻正好可以解决此问题。
(2)回忆1992年调试固偏300B推挽机时,当输入1.4Vrms(2Vp)40HZ以下尤其30HZ和20HZ方波时,曾在300B阴极直流mA表上观察到指针以相应的频率从60mA大幅摆向100mA,再快速摆回60mA,频率越低摆幅越大,20HZ时甚至担心要打表而紧张得冒汗。我2013年冬天改做的固偏KT88/EL34推挽机不仅调试输入低频信号时阴极电流表指针大幅摆动,就是日常使用时音量开得大些,电流表指针也会以非固定频率来回大幅摆动,换来优点也是显而易听的:动态感十足、低频力度大且富有弹性。
而2012年作的2A3/300B通用单端采用自偏,调试时就再也没有看到阴极直流mA表有这样大幅度的摆动。这次重做300B单端采用固偏,又重现了低频2Vpp信号输入时,300B阴极直流mA表在60mA 和100mA之间来回大幅快速摆动的情景。其实采用固偏时,中高频信号输入时也有这样的大幅摆动,只是频率太高,肉眼看不出来而已。
从原理上分析,当大动态信号输入时,功放管电流增大,自偏电路偏置电压同步增大,导致功放管负栅压也同步加深(更负),从而同步减小了功放管的输出电流。这种对功放管的“自我保护”,是以牺牲全音域动态响应尤其是低频的量感、力度、弹性为代价的。本论坛曾有作者在《6EM7推300B试装报告》中提到“如果300B用固偏就没有低频不足的问题了”,正是对这个原理的实践。
功率管在固偏状态下尽管电流会随大动态信号尤其低频信号而大幅波动,但是只要固偏电路稳定可靠,大动态尤其高幅值低频信号对功率管的冲击不会造成损坏。我1992年买的两对曙光第一代300B,就在固偏推挽机上使用了20年。那时还年轻,经常音量开到爆棚,甚至邻居白天上门要求小点声,就这样至今却都依然可用。2013年冬天改做的固偏KT88/EL34推挽机所用的两对KT88也历经10年一直用到现在,电流仍有70mA左右。



补充内容 (2024-3-7 20:42):
纠正一个笔误。正确的是:(4)由于稳压电路只抑制差模噪声,对旁热式电子管阴极与灯丝之间的共模噪声无能为力,所以为了抑制这种共模射频干扰产生的“嘶嘶声”,在6.3V稳压电路中加入射频抑制滤波器,其中心点接机箱。
IMG_20240304_110624_1.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-6 10:09 | 显示全部楼层
最终制作方案是:
从阳极高压、负偏压到灯丝低压全部采用肖特基二极管整流,用三端可调稳压器稳压,采用容易买到的三极管6C45п-E/5842及三极管接法的D3a/EF184/EF180F共5种互换兼容一级放大,1:1推动牛直接驱动固偏的300B单端。
高压整流采用反压1200V的碳化硅肖特基FFSH40120ADN(共阴)作全波整流,负偏压整流采用反压200V的肖特基对管MBRF10200CTR(共阳)和MBRF10200CT(共阴)构成桥式整流,灯丝整流采用普通肖特基C83-004作全波整流。
调试时发现,由于第一级放大管阴极偏置普通红色发光二极管的内阻≠0,所以即使工作电流在10mA以上,交流信号仍然会在二极管产生交流压降,导致可观的增益降低尤其低频增益,而对一级放大推动300B来说,这样的增益损失是不能允许的,所以选用ESR和内部电感都很小的日本三洋(Sanyo)OS-CON有机半导体电容,以不影响增益和高频响应。
设计了低压和高压两个开关。由于先合上给变压器送电的K1,实际只接通负偏压和灯丝电源,高压稳压电源输入端被继电器常开触点断开,高压绕组是空载状态,所以图中标注为“低压k1”。
在灯丝被预热合适至的时间后,人工合上“高压k2”,接通继电器线圈使其得电吸合,常开触点接通前级和后级高压电源的输入端,整机开始工作。
关机时,先断开高压K2,使继电器失电释放,其常开触点断开前级和后级高压,同时继电器常闭触点接通高压泄放电阻,对地快速泄放高压电容器上残留的电荷。片刻之后即可以断开低压K1,使整机断电。电路图如下。
IMG_20240227_142539_2.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-6 10:15 | 显示全部楼层
全稳压一级放大牛推固偏300B单端电源电路图
IMG_20240227_141329_3.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-6 10:17 | 显示全部楼层
linpei 发表于 2024-3-6 10:15
全稳压一级放大牛推固偏300B单端电源电路图

此方案是否成功的关键是,设计制作一对电感量尽量大、直流电阻和分布电感电容尽量小、传输效率尽量高的推动牛。开始想采用价格很贵的左氏牛,但与客服聊左氏推动牛参数时,发现总是回避关键问题或答非所问,又受到“矿石收音机论坛”海河版主用5×0.1纱包线一线到底制作的推动牛频响可以媲美日本探戈推动牛NC-14的启发,于是下决心自制推动牛。
最初也采用海河版主方案,用6×0.1纱包线像绕扼流圈那样一线到底绕制,但是由于纱包线线径太粗,不仅只能绕下2900匝,而且第一台就失败了,因为耐压试验时初次级之间不能承受220V直流电压而击穿。究其原因是,市售纱包线都是用于高频和超高频领域,绝缘漆皮都是聚亚胺酯,虽然可以免刮直焊,但强度很低,绕制时容易损伤,如果线间电压差大于100V,绝缘就可能被击穿,而推动牛初次绕组间承受的电压差是功放前级管阳极与功放管栅极之间的电压差:190V-(-60V)=250V。
由于看到《电子管放大器》一书第202页~203页写到:双线并绕,“就可以获得初次级绕组间的极佳耦合,漏感因而显著减小。……同时会令初次级绕组间的电容大大增加。这个电容与漏感一起决定的谐振频率,要比分段分层绕制法的相应谐振频率低。”也就是说双线并绕很好实现了初次级间的高传输效率、低漏电感,而增大的初次级间电容会使高频响应受到影响,低频响应会因为谐振频率减低至20HZ以外而不受影响,这正是解决300B“太监声”问题所需要的。所以决定采用高强度聚酯QZ-2漆包线双线并绕自制推动牛。
设计计算表明,在采用EI96×50mm铁芯前提下,用导磁率5500普通铁芯,绕5500匝,电感量是191H。用导磁率10000的日本新日铁Z9(片厚0.23mm)铁芯绕4200匝,电感量是245H。用0.13高强度聚酯QZ-2漆包线可以绕6000匝,但线的强度不够,第一次绕就断线了,只好改用0.15mm的QZ-2线。计算过程和绕制照片如下:
IMG_20240227_4.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-6 10:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2024-3-6 13:27 编辑
linpei 发表于 2024-3-6 10:17
此方案是否成功的关键是,设计制作一对电感量尽量大、直流电阻和分布电感电容尽量小、传输效率尽量高的推 ...


推动牛绕制工艺极简单:用0.15mmQZ-2漆包线双线整齐并绕5000匝,层层垫纸,就和绕扼流圈一样双线到底,按同名端分成初次级,除了要仔细耐心绕平整,始终保持不溜层,而且不能断线以外,没有什么技术难度。
第一台前半程没有层层垫电缆纸,想多绕圈数,但是双线并绕很难每层排齐,担心层间交错会使层间电压差升高而导致击穿,后半程改为层层垫电缆纸。没垫纸的前半程减小了层间漏感却增加了层间分布电容。第一台用于左声道。
第二台层层垫纸,用于右声道。层层垫纸减小了层间分布电容,却增加了层间漏电感。最终调试数据表明:无论怎么换管,右声道推动牛的高频幅频响应始终好于左声道,低频幅频响应左右差不多,因为低频响应只取决于推动牛的电感量。由此可见漏电感对高频频率响应的衰减要小于分布电容。
推动牛铁芯采用新日铁Z9型0.23mm有取向硅钢片,规格是:EI96,叠厚50mm.。铁芯分成6等份,E字组与I字组交错叠放,不像单端牛那样同向叠放。不刻意留出气隙,不浸漆,因为绝缘漆的介电常数很高,将可能把分布电容增加约50%。
实测推动牛直流电阻1.4KΩ,初次级间的交流信号传输衰减约0.12Vrms交流有效值。
IMG20220402112401-绕制推动牛-5.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-6 10:24 | 显示全部楼层
linpei 发表于 2024-3-6 10:19
推动牛绕制工艺极简单:用0.15mmQZ-2漆包线双线整齐并绕5000匝,层层垫纸,就和绕扼流圈一样双线到底,按 ...

实测推动牛的电感量确实超过200H。200H电感表只能在测量开始的瞬间读出200H以内的数值,瞬间过后就永久显示“OL”了,需做好准备抓拍才能拍下大于200H前的照片。
IMG20220425153716_左牛电感-6.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-6 10:26 | 显示全部楼层
linpei 发表于 2024-3-6 10:24
实测推动牛的电感量确实超过200H。200H电感表只能在测量开始的瞬间读出200H以内的数值,瞬间过后就永久显 ...

右牛电感量
IMG20220425154931_右牛电感-7.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-6 10:29 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2024-3-7 08:56 编辑


用上无一厂上世纪80年代生产的15mH成品电感,检验了电感表的准确性很好。
经网友指正,EI96的磁路长度是210mm,据此计算出在导磁率10000的条件下,电感量是336H。
估算推动牛作阳极负载时的交流阻抗。
取电感量计算值L=336H,直流电阻实测值R=1.4KΩ。
①        低频20HZ:Z=R+XL=R+2лfL=1400+2×3.1416×20×336=43601Ω=43.6KΩ
②        中频1000HZ: Z=R+XL=R+2лfL=1400+2×3.1416×1000×336=2111480=2.1MΩ
③        高频20KHZ:Z=R+XL=R+2лfL=1400+2×3.1416×20000×336=42203000Ω=42.2MΩ
推动牛初次级间通过了220Vac×√2=311Vdc的直流耐压试验后,初级接信号发生器、次级接示波器,用交流档单独测过方波频率响应波形。1KHZ~100KHZ方波都可以,甚至到300KHZ方波波形也还行,但从100HZ开始向右侧倾斜,更低频率倾斜度加大。将信号发生器的输出直接示波器看也是同样倾斜,而且斜率几乎相同,怀疑是信号发生器有本底失真。于是新购了一台信号发生器,100HZ以后波形与旧机子的完全相同,与商家交涉后先后换了两台都是一样的。商家解释是,由于示波器的交流档加了隔直电容,所以导致的显示波形向后倾斜,用直流档就无此问题。但测交流波形怎么能用直流档?只好退货作罢。
与以后从输出牛输出端测得的低频交流方波稍有点向后倾斜相比,推动牛1000HZ交流方波是平直的,100HZ以后的倾斜斜率也更小。
由于单独测推动牛方波频率响应时没有额外加入直流成份,没有铁芯被直流磁化导致电感量下降的问题,所以我一直对空载单独测得的推动牛低频方波响应波形不以为然,认为是虚的,不真实。但是受电感量降低影响的主要是低频频响,而不是中高频频响,现在不妨把中高低频方波一起传上来,供参考。

IMG20211109093531_20hz-8.jpg
IMG20211109094055_40hz-9.jpg

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所有音频牛的作用只有一个,就是阻抗匹配
所以你那1:1的牛没有任何意义
而且你的线路放大倍数不够

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牛推固偏入A2,功率大大地

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楼主制作设计技术数据详尽,经验丰富,值得学习

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看算式,EI96 铁芯磁路长度是 210,不是288。
ML.png
楼主很会计算,但一个电感不理直流电流就做出来,跟一个小朋友做的没有分别。


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linpei 发表于 2024-3-6 10:29
用上无一厂上世纪80年代生产的15mH成品电感,检验了电感表的准确性很好。
估算推动牛作阳极负载时的交流 ...

继续发推动牛方波频率响应图片
IMG20211117132929_100hz-10.jpg
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本帖最后由 linpei 于 2024-3-8 05:48 编辑
linpei 发表于 2024-3-7 06:03
继续发推动牛方波频率响应图片


推动牛做好后,我摆地摊似的试验了用EF184、E180F和D3a(三极管接法)、SQ级金脚5842、6C45п-E互换作单级放大牛推固偏300B单端。试验一开始就试图用示波器测推动牛方波输出波形,但示波器测试夹置于高压档,两端一碰推动牛输出两端,就有明显“嗤啦”一声放电现象,虽然没有击穿推动牛,但是固偏稳压器却被击穿了,导致300B电流表打过头而报废,以后就再也不敢测了。
2022年为了调试新买了一对300B。调试实测表明,运行于西电手册推荐的屏压300ⅴ下,负偏压只能调到-63ⅴ左右,再加深则屏流就达不到60mA。在此条件下,3.5K负载输出5.4w不失真(感观)功率。所谓“感观”是指,按推动牛输出即300B输入的信号电压有效值47.8Vrms算出的峰值是67.5Vp,实际把300B负偏压最深调至-63.6V左右,比应该的负偏压浅了约-3V,输出正弦波形没有可见的不对称畸变失真。
实测300B的放大因素μ=2.8~2.9,没有达标。如果300B的达到西电手册的标称值μ=3.9,预估输出功率可以达到西电的标称值6~7W。下面是试验照片及输出牛8Ω端的方波频率响应照片,频率幅值都在示波器上有显示。
IMG20221005103229_30hz-20.jpg
IMG20220918091724_1khz-24.jpg
IMG20220918091946_10khz-27.jpg
IMG20220918092334_20khz-29.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-7 06:12 | 显示全部楼层
linpei 发表于 2024-3-7 06:08
推动牛做好后,我摆地摊似的试验了用EF184、E180F和D3a(三极管接法)、SQ级金脚5842、6C45п-E互换作单 ...

摆地摊实验断断续续持续了2年的春秋冬时间,夏天停工。
IMG_20240213_193907_地摊实验-19.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-7 06:14 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2024-3-7 19:16 编辑
linpei 发表于 2024-3-7 06:12
摆地摊实验断断续续持续了2年的春秋冬时间,夏天停工。


所有波形都在输出牛8欧端子测得,也就从输入管到喇叭的整机输出波形,而不是在推动牛输出端。1KHZ方波响应稍有点向后倾斜,是成品输出牛所致,推动牛的1KHZ方波是平直的。高频方波直至20KHZ的水平段没有明显波动,表明推动牛和输出牛的漏电感都不大。
制作了三极管接法的EF184、E180F、D3a、5842、6C45п-E互换的转换座,,把小九脚转换成大八脚,插入机子上的大八脚座实现互换,接线图如下:
IMG_20240303_115025_proc9.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-7 06:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2024-3-7 14:48 编辑
linpei 发表于 2024-3-7 06:14
所有波形都在输出牛8欧端子测得,也就从输入管到喇叭的整机输出波形,而不是在推动牛输出端。1KHZ方波响 ...


一级放大倍数和推动电压达到了设计目标:在路放大倍数≈管子的μ值,推动电压42.5Vrms交流有效值。总结如下:
在用大于200H电感的1:1推动牛作阳极负载的条件下
1、输入灵敏度:0.7~0.8Vrms交流有效值时,EF184一级增益(放大倍数)都超过60,最高67,推动牛输出即300B输入47.3Vrms交流有效值。
2、输入灵敏度:0.7~0.74Vrms交流有效值时,D3a(西门子金脚)一级增益(放大倍数)都在70左右,最高78,动牛输出即300B输入47.9Vrms交流有效值。
3、输入灵敏度:1.1Vrms交流有效值时,6C45п-E一级增益(放大倍数)都超过43,最高45.7,推动牛输出即300B输入47.8Vrms交流有效值。6C45п–E的放大倍数比标称值μ=52小了接近10,可能是因为河北邢台的商家所宣称的全新管,实际是前苏联使用过的二手管;也有可能管子是全新的,但正如《电子管放大器》作者所说,前苏联6C45п–E的参数实测值都在标称值的下限。不过,由于屏流正常且频响还是好的,所以估计跨导和内阻还是达标的。
4、输入灵敏度:0.93Vrms交流有效值时,E180F(大盾金脚)一级增益(放大倍数)都超过50,最高53,推动牛输出即300B输入47.2Vrms交流有效值。
5、输入灵敏度:0.93Vrms交流有效值时,金脚5842一级增益(放大倍数)都超过50,最高55,推动牛输出即300B输入47.0Vrms交流有效值。
IMG_20240227_32.jpg
IMG_20240227_134139_33.jpg

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 楼主| 发表于 2024-3-7 07:06 | 显示全部楼层
本帖最后由 linpei 于 2024-3-7 08:33 编辑
Ooh 发表于 2024-3-6 23:43
看算式,EI96 铁芯磁路长度是 210,不是288。

楼主很会计算,但一个电感不理直流电流就做出来,跟一个小 ...


谢谢您指正。磁路按210mm,导磁率按10000,算出的电感量应该更大,是336H,相应的低频20HZ时的阻抗也更大,是Z=R+XL=R+2лfL=1400+2×3.1416×20×336=43601Ω=43.6KΩ
另外,我毕业后40年一直作工程设计施工,搞音响只是源于小学时的无线电爱好,至今连交流毫伏表也没买过,没有在给电感器加直流偏置的情况下测量方波响应的经验,怕损坏推动牛和示波器。所以发帖时就说明自己也认为低频方波响应不真实,而中高频方波响应可能是真实的,现在连低频一起发上来只是作为参考,不想使大家当真,不妨看看罢了。

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发表于 2024-3-7 07:39 | 显示全部楼层
300B现在价格很低了,你的工作点太保守了!
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