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试论胆机电源的A电

试论胆机电源的A电

点击数:7883 次   录入时间:03-04 11:43:57   整理:http://www.55dianzi.com   稳压-电源电路

  电源是放大电路的能量基础。我们都知道,电子管与晶体管放大器的在原理和结构上都有很大的区别,因此它们电源供给的原理和结构也大相径庭。饮水思源,系统地认识电子管的电源电路,是胆机发烧的必由之路,将为电子管电路的设计、制造和维修打下坚实的基础。
  从电源供给的角度来看,电子管的电源分为灯丝电源(A)、高压电源(B+)和负偏压(C—)三部分,基本形式如图1所示。图中我们看到只有B电才能与晶体管电路电源的作用相对应,直接参与放大器的增益和能量转换,而A电和C电就只是电子管电路特有的。
  电子管诞生之初是用电池来供电的,当时灯丝、阳极、第一栅极各使用一组电池,A、B、C电的命名因此而来。A电的特征——低电压大电流适应了当时蓄电池的特性。其灯丝电压Uf的系列也是按蓄电池的电压标准度身定做,6.3V、12。6V等沿用至今。

    图1 电子管的电源系统
 
   

  按阴极加热的方式区分电子管有直热式和旁热式两种。直热式电子管的灯丝即阴极,两者二位一体。旁热式电子管的灯丝位于筒状阴极的中心,灯丝仅作为阴极加热之用的热源。直热式电子管中多数是早期的电池收音机的收讯放大管和现在的直热功率放大管,前者已是昨日黄花,后者却以迷人的音质成为现代电子管队伍中的佼佼者——2A3、300B、211、845等,为今天发烧友们梦寐以求的胆之瑰宝。
  在电子管放大电路中,A电只是作为灯丝的加热电能供给,不直接参与电路的工作过程,但它对全电路的工作质量依然是举足轻重的。
  1.灯丝电压的影响
  一般灯丝电压Uf的偏离值要求小于±8%,例如按电子管手册的规定,灯丝电压6.3V的管子的极限值为5.7和6.9V。然而灯丝电压在这个范围内偏移时,电子管的工作表现是否能一如既往呢?
  我们先看看描述电子管热发射能力的舒曼公式J=AT2ewo“’,式中T是阴极的绝对温度,A、K、WO是常数。我们且不讨论此公式,只从公式的文字表达上就可理解到,阴极温度的变化(由灯丝电压变化所导致)对电子管发射能力影响是非常大的。
  假如一个氧化物阴极电子管(最常见的普通旁热管)的灯丝电压Uf由6.3V降到6.0V,在灯丝电压变化4%这样小的允许范围内,可认为阴极温度变化与灯丝电压变化的平方成正比例关系。即灯丝电压为正常值的96%时,  阴极温度前后的比率为T1/T2=(U1/U2)’=(6/6.3)’=0.92,由上述舒曼公式计算出,此时阴极发射率急剧降到正常值的 0.3351当然决定阴极电流的主要因素还有栅极电压和阳极电压的加速作用,但从这个计算结果也得知灯丝电压偏移的影响程度是相当严重的。
  从实践中体会到,若灯丝电压升高,阴极温度随之升高,阴极温度的超额使阴极的发射能力陡然增加。整机的音质表现是生动活泼,丰满和弹性十足,但交流声明显增大(前级)c其害处是阴极的发射物质过量的蒸发,使电子管透支早衰。
  反之,若灯丝电压降低,阴极温度下降造成恶音,其表现是音质暗淡苍白和软弱无力。不过也有人以降低少许灯丝电压来校音,使音质变得松软些,或交流声低一些,当然这种不规范的校音手法难以得到大众认同。
  灯丝电压不足对电子管寿命也是有害无益的,因为当阴极加热不足时,阴极的各部段受热不均匀,温度较高之处被逼承受了大部分的阴极发射电流,造成此局部区域的温度一电流一温度的恶性循环上升,使阴极受损,同样很快造成了电子管的衰老。
  在显示或测量的放大器中,电源电压不稳使电子管的阳极电压波动,会影响输出信号的幅度,其输出变化的量值在显示的波形或者数值上就能直接读出。而灯丝电压在允许范围内变化的影响,输出量值上也许难以觉察。问题的要害在于,在HI-FI音响放大器中,灯丝电压波动影响的关键不在乎量(输出功率)上,而是在质(音乐品质)上。发烧友在聆听胆机音乐时,他并非在领会乐声的体积,而是在欣赏音乐的韵味,用心灵去感受音乐的真髓。灯丝电压不足的负面影响,如同阴影般在音乐品质上缠绕附着,使音质黯然失色。遗憾的是,A电的负作用在经典的技术参数和电路分析上却完全被忽略了。
  资深发烧友都清楚,电源不稳的波动影响,作用在灯丝电压上的效果更甚于阳极高压上。电子管的阳极电压可选范围很大,例如6P3P(6L6G)的几种典型运用值的阳压在250V到400V的大范围之内,音量音质都有较佳表现。故此阳极电压在一定范围内波动造成的输出功率和失真的影响很小,不会使人耳有所觉察,因为人的听觉服从音量功率的对数变化规律。而灯丝电压不足对音质的损害,人耳却能比较敏锐地感受到,而且对于这种音质的劣化,试图用任何其他改良措施去补偿都是无济于事的。
  A电的特征是低电压(5V,6.3V,12.6V)和大电流(后级电流达4—20A),影响灯丝电压幅值的因素有电源变压器的内阻、馈线电阻、以及电子管管座和接插端子的接触电阻,如图2所表示。当然还有市电的电压波动的外部因素。

                                           

  灯丝馈线的电阻对灯丝电压的影响是决不能掉以轻心的。灯丝的电流很大,百分之几欧的电阻所造成的电压损失也不可小觑。下举一例说明。
  某胆机灯丝的电流为4A,通常的做法是:选择截面0.3mm的软铜线馈电(标称载流量是6A,已留有余量)。在其双绞线长0.3m,工作温度75t时电阻值为0.051n,实际的结果造成了0.21 V的电压损失,0.8W的功率损耗,使电子管的灯丝电压由6.3V下降到6.09V,音质发生了可以觉察的下降。这么一段毫不显眼的电线也对灯丝电压产生了负影响,其影响程度之大有点出入意料之外。
  所以在制作胆机的第一步——电源变压器的设计制作中,就应对灯丝绕组加以足够的重视。灯丝绕组的设计貌似简单,但要真正达到Hi,Pi的要求也并非容易。灯丝绕组设计的主要指标是温升和电压调整率ΔU%(ΔU% =Uf空载一Uf额定/Uf空载=Uf空载—6.3/Uf空载)。温升指标考虑的是导线载流量和散热条件,比较简单直观。而电压调整率则要综合考虑电源变压器的内阻(包括灯丝线圈的热电阻、初级线圈的直流热电阻及其反射的阻抗,如图2的Rfi、Roi和Rni’),此外还要考虑外电路的线路电阻和插座电阻(Rl和刚)等因素,以到达电子管管脚的灯丝电压为规定值为目的。
  设计精良的电源变压器是Hi-Fi胆机的品质的保证和可靠性的基础,遗憾的是鲜见有关电源变压器的设计资料强调灯丝电压准确稳定的重要性,设计中有关A电的部分往往被简化处理。不少发烧友对A电欠佳的负面影响也认识不足,相信大部分制作者就从来没有校核过达到电子管脚上的灯丝电压的真实值。
 220V市电也是个不稳定的因素。在市电变化正负百分之十时,6.3V的灯丝电压变化在6.93到5.67之间。电压低时音质恶化,电压高时声音“情绪激昂”,更危险的隐患是过压可能会造成功率电子管阳栅电压系统崩溃而烧坏。因此在市电起伏大的地方,无论从音质或安全的角度看都应该附加电源电压调整的功能电路。

   

图2 影响灯丝电压的线路电阻

     


2.交流噪声的影响
  一台合并式胆机竣工时,我们满怀美好的愿望去试机,但一开机的声音表现却令人大为沮丧:信号的背景上浸淫着交流哼声,音质浑浊无层次——这几乎是每一位胆式发烧初哥都必然经受过的痛苦历程。为什么精密的电路谋划和苦心的工艺炮制,却仍遭遇交流声的纠缠?答案是忽视了A电噪声干扰的后果。
  A电是电子管放大器噪声的主要来源。交流噪声由电源工频50Hz或100Hz的基波及其高次谐波组成。基波成分听起来比较低沉,称为哼声。而高次谐波交流声的频率较高,其滋声干扰比较尖噪,干扰的穿透力比哼声强。高次谐波来自电源的污染,可控硅、整流子交流电机、开关电源等变流装置会向电源回馈高次谐波,在电源正弦波的波形上附加了畸变,这种高次谐波造成的交流噪音在工业地区比较明显。
  在低电平高增益的放大器中,例如话筒、动圈唱头放大和一些仪器的高输入阻抗的测量电路等,抑制交流噪声的干扰往往成了电路制作的第一难题。即使我们一丝不苟地实施了各种技术措施,残余的交流声仍然超过诸如电子管内部热发射噪音、电阻热噪音等等影响。要成功地抑制交流噪声,制作出品质卓越的胆前级放大器,除了精选优良的电路图外还需要炉火纯青的工艺手法,这就难倒了不少发烧友制作者,也使电子管电路长期蒙受“非低噪音放大器”的不白之冤。

   

  电子管的灯丝与栅极存在着分布电容CfS及漏电阻Rfg,(主要由管座不洁造成)。用交流电点燃灯丝的电子管,其电压Uf会在灯丝两端产生一个峰一峰值为(2”’)Uf的交流电场。由于电子管的信号栅极(第一栅1)的输入阻抗很高达数百千欧,很容易受到此电场的感染,使输出信号中混入交流声的背景噪音,如果灯丝不接地电位,灯丝的交流电压就全部通过Ckf和Rkf耦合到阴极上,造成强大的哼声干扰。即使是灯丝接了地,其干扰也不会完全消除。

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