Звуковоспроизводящее устройство

ПАН СП1 А4.frw

Звуковоспроизводящее устройство
Плата анодных нагрузок
Схема электрическая
БР-210400.62-410-17-14 СБ
БР-210400.62-410-17-14 Э3
БР-210400.62-410-17-14 ПЭ3
БР-210400.62-410-17-14

УНЧ ПЭЗ 1 А4.frw

Высокочастотный высоковольтный генератор
БР-210400.62-410-17-14ПЭ3
Др-2-ЛМ-К 2.1 Гн ГОСТ 5.373-70
КСО-5-0.01 мкФ-500 В ГОСТ 7134-64
БМТ-2-0.1 мкФ-350 В ГОСТ 24602-81
К50-35-470 мкФ-50 В ОЖО 464.214
БМТ-2-0.22 мкФ-350 В ГОСТ 24602-81
К50-35-2200 мкФ-50 В ОЖО 464.214
КБГ-16-мкФ-400 В ОЖО.462.143
конд. 8 мкФ параллельно

УНЧ Э3 А2.cdw

Звуковоспроизводящее устройство
Схема электрическая принципиальная
Плата блока усиления
Плата анодных нагрузок
Плата фильтрации анодного напряжения
Плата выпрямителя анодного напряжения и источника питания накальных цепей

СХ Э1 А3.cdw

АСМОД. - переключатель режимов: акустическая системамодуляция
FA1 - высоковольтный контур с воздушным разрядником
Ua - анодное напряжение радиоламп
Uн - напряжение накалов радиоламп
Звуковоспроизводящее устройство
Схема электрическая структурная
Высокочастотный высоковольтный генератор

УНЧ ПЭЗ 2 А4.frw

ПАН СП1_1 А4.frw

Звуковоспроизводящее устройство
Плата анодных нагрузок
Схема электрическая
БР-210400.62-410-17-14 СБ
БР-210400.62-410-17-14 Э3
БР-210400.62-410-17-14 ПЭ3
БР-210400.62-410-17-14

УНЧ ПЭЗ 3 А4.frw

БР-210400.62-410-17-14ПЭ3
ТВ-2Ш-2 ГОСТ 14234-74
Диодный мост W005M 1.5 А 50 В
Романтика-106 ГОСТ 14233-74
Тумблер MTS-202 3 А 350 В
Клемма приборная 8СК
Вилка приборная 5п 16А 400В IP44
Combo Jack 3.5 стерео

ПАН СБ А3.cdw

Звуковоспроизводящее устройство
Плата анодных нагрузок
* - размер для справок.
** - размеры обеспечиваются инструментом.
Клей Момент ТУ2385-001-89589540-2009.
Установку элементов производить по ОСТ 4.010.030-81
Элементы R8-R19 устанавливать по варианту Ia.
Монтаж радиоэлементов односторонний.
Обозначения элементов соответствуют схеме
БР-210400.62-17-14 Э3.
Монтаж выполнять проводом МГШВ 1х0.35 ГОСТ 17515-72.
Припой ПОС-40 ГОСТ 21930-76.

ВГ Э3 А3.cdw

Звуковоспроизводящее устройство
Высокочастотный высоковольтный генератор
Схема электрическая принципиальная

Пояснительная записка.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра: “Радиотехнические устройства и системы диагностики”
Допускается к защите
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
на тему: Звуковоспроизводящее устройство
Студента Савченко Андрея Анатольевича
Пояснительная записка
Шифр работы_ БР–210400.62-410-17-14 ПЗ
Направление 210400.62 «Радиотехника»
(подпись дата) (ФИО)
Омский государственный технический университет
Зав. кафедрой Ю.Г. Долганёв
на выпускную квалификационную работу
Студент Савченко Андрей Анатольевич
Тема работы Звуковоспроизводящее устройство
Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)
Обзор устройств электро-акустических излучателей. Анализ основных параметров и
характеристик акустических излучателей.
Обоснование выбора конструкции звуковоспроизводящего устройства. Описание
структурной схемы устройства. Расчёт усилителя-модулятора. Расчёт источника питания усилителя-модулятора. Конструктивный расчёт трансформатора питания дросселей фильтра выходного трансформатора усилителя-модулятора.
Разработка вопросов безопасности.
Структурная схема звуковоспроизводящего устройства схема электрическая принципиальная усилителя-модулятора схема электрическая принципиальная высоковольтного высокочастотного генератора сборочный чертёж платы анодных нагрузок.
Консультанты по работе (с указанием относящихся к ним разделов работы)
(подпись студента дата)
на проектирование звуковоспроизводящего устройства
Область применения:
Применяется как оконечное устройство звуковоспроизводящего тракта
Ионофон предназначается для преобразования электрических колебаний в акустические колебания звукового диапазона
Технические требования
1. Показатели назначения изделия:
параметры питающей сети: ~ 220 В 50 Гц одна фаза;
потребляемая мощность: не более 200 Вт;
параметры входного сигнала: амплитуда входного напряжения не более 075;
диапазон воспроизводимых частот 7 20 кГц;
режим работы: непрерывная работа не менее часа с перерывом 10 минут.
2. Состав изделия и требования к конструкции
Устройство состоит из: усилителя-модулятора; высоковольтного высокочастотного генератора; плазменного акустического излучателя.
Конструкция должна быть: настольной массой не более 40 кг. При разработке конструкции должны быть обеспечены требования безопасности жизнедеятельности.
3. Требования к надежности безопасности срок службы ионофона должен быть не менее 5 лет; изделие в процессе эксплуатации не должно представлять опасности для человека и окружающей среды.
5. Условия эксплуатации
диапазон температур окружающего воздуха °С: от минус +15 до +35;
относительная влажность воздуха при температуре 25 °С: до 70 %;
атмосферное давление мм рт. ст.: 650 – 800;
на месте эксплуатации не должно быть паров агрессивных жидкостей (кислот и щелочей).
Выпускная квалификационная работа содержит 139 страниц машинописного текста 52 рисунка 3 таблицы 55 использованных источников.
ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЕ ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ПЛАЗМЕННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ИОНОФОН.
Объектом исследования является – высококачественное звуковоспроизведение.
Цель работы – общий анализ звуковоспроизводящих устройств акустических излучателей проектирование плазменного акустического излучателя для проведения дальнейших исследований его параметров.
В процессе работы проводился общий анализ исторического развития звуковоспроизведения звуковоспроизводящих устройств существующих типов акустических излучателей их технических параметров достоинств и недостатков.
Результат анализа показал – единственным акустическим излучателем не вносящим искажения в воспроизводимый сигнал является плазменный акустический излучатель (ионофон).
По результатам анализа была выбрана наиболее простая и надёжная схемотехника реализации данного излучателя произведён расчёт входящих в излучатель узлов сконструирован опытный образец для проведения углубленных исследований технических характеристик устройства.
Использование плазменного излучателя для воспроизведения СВВЧ полосы звукового сигнала является целесообразным и может быть рекомендовано к реализации.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АИ – акустический излучатель
АМ – амплитудная модуляция
АС – акустическая система
АСХ – анодно-сеточная характеристика
АХ – анодная характеристика
ВЧ – высокая частота
ГУН – генератор управляемый напряжением
ЗВУ – звуковоспроизводящее устройство
ИИП – импульсный источник питания
ООС – отрицательная обратная связь
ПОС – положительная обратная связь
РПДУ – радиопередающее устройство
УМ – усилитель мощности
УНЧ – усилитель низкой частоты
ЧМ – частотная модуляция
ШИМ – широтно-импульсная модуляция
История развития структура и принципы построения современных звуковоспроизводящих устройств7
1Электродинамический излучатель16
2Электростатический излучатель19
3Электромагнитный излучатель (телефон)23
4Пьезокерамический излучатель24
5Малораспространённые нетрадиционные излучатели26
6Сравнение излучателей различных типов32
Классификация структура и аналоги плазменного АИ35
1 Звуковоспроизводящий агрегат с ионофоном41
2 Ионофон на ГУ-5045
3 Ионофон на К1156ЕУ249
4 Ионофон на UC3845BN53
Практический расчёт узлов ионофона60
1 Энергетический расчёт выходного каскада УНЧ61
2. Расчёт элементов выходного каскада УНЧ67
3 Расчёт выходного согласующего трансформатора.71
4 Энергетический расчёт каскада предварительного усиления76
5. Расчёт элементов каскада предварительного усиления80
6 Обобщённый расчет источника питания УНЧ83
7 Конструктивный расчет дросселя питания Др.188
8 Конструктивный расчет дросселя питания Др.296
9 Расчёт емкостного сглаживающего фильтра99
10 Расчёт выпрямителя питания анодных и сеточных цепей100
11 Расчет цепей питания накалов радиоламп105
12 Конструктивный расчет трансформатора питания Tr2109
Практические испытания узлов ионофона123
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК135
История развития структура и принципы построения современных звуковоспроизводящих устройств
С давних пор и до наших дней людей всегда интересовала возможность высококачественной записи и воспроизведения звука. Исторически и технически звукозапись и звуковоспроизведение неотделимы друг от друга и не могут существовать раздельно.
Можно со всей уверенностью сказать что до 1877 года звукозаписи в современном ее понимании не существовало то есть фиксировать звуковые волны с последующей возможностью их воспроизведения люди не умели. Вот почему появление «говорящей» машинки созданной американским изобретателем Томасом Алва Эдисоном очень развеселило его механика. А сама идея положенная в основу этого удивительного устройства стала стартовым моментом в истории звукозаписи. [12]
Заокеанское говорящее чудо изготовление которого обошлось всего в 18 долларов представляло собой цилиндр покрытый оловянной фольгой. Над ним находилась соединенная с мембраной игла которая в зависимости от громкости и характера звука процарапывала определенной глубины канавку. Вращался цилиндр вручную. Назвали новинку фонографом (рис.1.1) [12].
Рисунок 1.1 – Внешний вид фонографа
В октябре 1877 года Эдисон прокричал в рупор устройства песенку «У Мэри была овечка» (именно «прокричал» потому что петь приходилось громко). Так был сделан первый шаг в истории звукозаписи.
Понятно что до воспроизведения хорошего звука этому шипящему устройству было далеко к тому же записи с него нельзя было тиражировать. Со временем Эдисон несколько усовершенствовал свое изобретение. Механическую записывающую силу заменил электрической олово — воском (это дало возможность перезаписи) но основную проблему массового тиражирования он так и не решил [12].
Если в плане практики звукозаписи пальма первенства безусловно принадлежит американцам то по части идей и теории ее не без основания оспаривают французы. Поэт композитор и изобретатель Шарль Кро еще 30 апреля 1877 года отправил во Французскую академию наук заявку с описанием оригинального звукозаписывающего механизма. Он предложил колебания мембраны процарапывать иголочкой на стеклянном диске покрытом сажей затем их фотографически переносить на металл и углублять способом химического травления [12].
В 1887 году американец немецкого происхождения Эмиль Берлинер воскресил из забвения идею Шарля Кро и занялся ее практической реализацией и усовершенствованием. Берлинер применял химическое травление для углубления дорожки на цинковом диске покрытом слоем воска. Весь процесс от записи до «проявки» и «закрепления» занимал всего полчаса. «Протравленные» диски играли и лучше и громче.
Прибор для их проигрывания получил название «граммофон». Первая грампластинка теперь уже достояние истории хранится в Национальном музее США в Вашингтоне. Вскоре с цинковых протравленных дисков научились делать негативные стальные матрицы и с помощью последних — штамповать эбонитовые граммофонные диски [12].
В 1896 году граммофоны моторизировали и с тех пор больше не надо было дежурить у звуковоспроизводящего устройства крутя ручку. Публика по-настоящему оценила чудо техники и начался массовый выпуск аппаратов и пластинок [12].
Рисунок 1.2 – Внешний вид патефона
В 1907 году один из служащих французской фирмы «Пате» Гильон Кэммлер предложил упрятать рупор граммофона внутрь корпуса. Новое компактное устройство назвали патефоном (рис. 1.2). В те же годы совершенствовались не только носители но и считывающие устройства. До начала 30-х годов использовались стальные иглы к которым привешивали механический адаптер-тонарм весивший 100—130 граммов. Под таким грузом игла стачивалась проиграв всего лишь одну пластинку.
Через некоторое время адаптеры подсоединенные к иглам сбросили вес и стали вначале электромагнитными потом пьезокристаллическими и пьезокерамическими и наконец опять электромагнитными но уже с нагрузкой на иглу измеряемую не десятками а единицами граммов. И к 1939 году появились сапфировые иглы выдерживающие до 2 000 проигрываний [12].
С изобретением микрофонов и усилителей электрических сигналов качество записи значительно улучшилось: нелинейные искажения уменьшились а частотный диапазон увеличился (со 150—4 000 до 50—10 000 Гц). Кроме того микрофон вместе с усилителем сделали сам процесс звукозаписи более удобным [12].
Рисунок 1.3 – Внешний вид виниловых «долгоиграющих» пластинок различных типов
В 1948 году спасаясь от растущей конкуренции со стороны магнитофонов фирма грамзаписи «Колумбия» разработала виниловую «долгоиграющую» пластинку (рис. 1.3). Новый материал позволил уменьшить размер канавок тем самым уплотнив запись. Верхняя граница частот возросла до 16 000 Гц [12].
Датчанин Вальдемар Паульсен запатентовал принцип магнитной записи еще в 1898 году правда вместо привычной теперь пленки он применил металлическую проволоку. На Всемирной Парижской выставке первый телеграфон (так называли поначалу это устройство) проигрывал голос императора Австро-Венгрии Франца Иосифа и за эти заслуги перед Его Императорским Величеством Паульсен даже получил Гран-при. Однако магнитная технология не стала развиваться столь стремительно как грамзапись. Фактически она оказалась замороженной до 30-х годов XX века когда вместо проволоки начали намагничивать ленты изначально на бумажной и только потом на пластиковой основе. Тормозило развитие магнитной записи отсутствие электрических усилителей. Без них звук оставался очень тихим [12].
В 1935 году первые магнитофоны стала выпускать немецкая фирма AEG. Но по достоинству потребители оценили новинку только в конце 40-х годов. Кардинальным шагом к повышению качества звука стало предложенное немецкими учеными подмагничивание пленки переменным током во время записи сигнала. После войны немецкие магнитофоны растащили на трофеи. В частности американцы использовали их до 1948 года [12].
Любой магнитофон как известно работает по очень простой схеме: намагниченная в разной степени лента пролетая мимо зазора в магнитопроводе головки создает в обмотке головки переменное электрическое поле которое после усиления преобразуется в звуковой сигнал с помощью электродинамических громкоговорителей.
Рисунок 1.4 – Внешний вид магнитофона катушечного типа
Магнитофоны достаточно долго использовались в основном в радиовещании студийной профессиональной и военной практике. Но по мере развития технологии и удешевления изделия они быстро прижились в домашних интерьерах став такой же необходимой вещью как и «вертушки» для пластинок [12].
В самом начале 50-х годов были разработаны малогабаритные магнитофоны с магнитной лентой на пластмассовой основе а металлическая лента и проволока были окончательно вытеснены как носители информации. Появились двухканальные усилители и регулировка тембра по низким и высоким частотам [12].
А в начале 70-х годов уже стали работать катушечные (бобинные) бытовые магнитофоны (рис. 1.4) класса HIGH FIDELITY более известные по аббревиатуре Hi-Fi что в переводе означает «высокая достоверность». Постепенно полоса воспроизводимых частот этих магнитофонов стала от 20 до 20 000 Гц а динамический диапазон достиг 50 дБ [12].
Очередная веха в развитии магнитной записи обозначилась в 1964 году когда фирма PHILIPS продемонстрировала миру компактную кассету (рис. 1.5) которая хоть и звучала несколько хуже пластинок но была очень удобной и практичной по сравнению с бобинными гигантами. А с 1968 года начался серийный выпуск кассетных магнитофонов [12].
Рисунок 1.5 – Внешний вид кассеты магнитафона
Совсем миниатюрные варианты такого звуковоспроизводящего устройства — разнообразные вокманы — создавались вполне сознательно. Концепция мобильного прослушивания музыки родилась в головах именно маркетологов увидевших в этом изобретении новый рынок с огромным товарооборотом. В результате музыка которая «всегда с тобой» не только озолотила множество фирм и исполнителей но и изменила стиль жизни очень многих людей [12].
Последним этапом развития звукозаписи и звуковоспроизведения который продолжается и активно развивается сейчас стала цифровая запись и воспроизведение звука.
Первые попытки цифровой записи были сделаны все на той же магнитной пленке. Заметим что до этого эксперимента на пленку пытались нанести и механическую запись. Полученное устройство назвали тогда шоринофоном (по фамилии создателя — Шорина). Суть же цифровой записи сводилась к следующему: носитель оставался прежним но кардинально менялось то что на него писалось [12].
Последующий рывок в этой области был сделан японцами которые в 1953 году сообщили что научились записывать звук при помощи импульсно-кодовой модуляции. Но наглядно эти заявления они подтвердили лишь в 1967 году когда фирма NHK продемонстрировала самый настоящий цифровой магнитофон. В этом приборе оцифрованный звук записывался двумя вращающимися головками на дюймовую ленту и уже в первых записях сигнал не шипел не дрожал и не плавал как звук аналоговых магнитофонов [12].
О поточном производстве цифровых проигрывателей речь тогда конечно не шла: слишком дороги и велики были микросхемы запоминающих устройств. И все же покупатели нашлись и на эти первые образцы. Ими стали студии звукозаписи которые в погоне за качеством не жалели денег и могли позволить себе не обращать внимания на габариты. Основу тех первых аппаратов составлял магнитофон с лентой шириной 19 мм [12].
В 1972 году был создан 200-килограммовый цифровой гигант на базе профессионального видеомагнитофона: запись производилась на двухдюймовую ленту четырьмя вращающимися головками. Его особенностью было то что звук писался именно в телевизионный кадр то есть в его 576 строк. Частотный диапазон записываемого звука составлял от 20 до 20 000 Гц. Таким образом уже тогда этот казалось бы доисторический аппарат 70-х годов дошел до пределов возможностей человеческого слуха. Этот магнитофон как и его предшественник стал активно применяться в студиях на нем записывались мастер-ленты для грампластинок высшей категории качества [12].
Примерно в это же время производители занялись разработками цифровых магнитофонов с неподвижными головками. В них скорость движения ленты относительно головки была низкой что могло сделать аппараты более надежными. Один такой магнитофон создали в 1979 году фирмы MITSUBISHI и MATSUSHITA. В том же году между двумя японскими городами открылась первая в мире линия цифрового вещания и в это же время симфонический оркестр Берлинской филармонии приехал с гастролями в Токио. Все эти три события оказались связаны между собой: концерты оркестра с 16 по 26 октября записывались на магнитофон а в конце года через новую ветку вещания их услышала почти вся Япония [12].
Таким образом всю свою историю развития звукозапись и звуковоспроизведение неразрывно шагают рядом друг с другом и не могут быть разделены.
Вообще любое звуковоспроизводящее устройство (ЗВУ) в упрощённом виде технически состоит из 3 узлов: источника сигнала усилителя сигнала и акустического излучателя. Структурная схема любого звуковоспроизводящего устройства приведена на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 – упрощённая структурная схема ЗВУ
Упрощённо принцип работы состоит в том что какой-либо аудио сигнал или любая другая акустическая запись с источника сигнала (в разное время в качестве источника выступали различные носители начиная от барабана в фонографе и кончая современными цифровыми источниками компьютерами MP3-плеерами) усиливается до нужного уровня усилителем сигнала и поступает на акустический излучатель (АИ). АИ преобразует усиленный электрический сигнал в звук. Таким образом происходит воспроизведение информации с носителя.
Конечное качество воспроизведённого сигнала примерно в равной мере зависит от качества всех трёх составляющих ЗВУ.
Прогресс не стоит на месте постоянно происходит усовершенствование как источников сигнала так и усилителей и АИ. Последним звеном определяющим будет ли сигнал воспроизведён качественно является АИ.
Рассмотрим подробнее устройство принцип работы АИ используемых в современных ЗВУ а так же возможные пути повышения качества звуковоспроизведения.
Акустический излучатель (АИ) – это устройство для возбуждения звуковых волн (звука) в упругой среде. [1 2].
АИ могут строиться на различных механизмах звукообразования например на колебаниях твёрдых тел или поверхностей в упругой среде (струна с декой пластина мембрана и др.) на возбуждении колебаний самого воздуха (свистки сирены органные трубы голосовой аппарат человека и др.) на периодическом изменении температуры среды (термофон ионофон) и т. д.
Все существующие АИ можно классифицировать по различным параметрам.
По полосе воспроизводимых частот АИ можно разделить на:
- низкочастотные излучатели;
- среднечастотные излучатели;
- высокочастотные излучатели;
- широкополосные излучатели.
По принципу действия АИ можно разделить на:
- электродинамические излучатели;
- электростатические излучатели;
- электромагнитные излучатели (телефоны);
- пьезоэлектрические излучатели;
- другие нетрадиционные излучатели.
По форме диафрагмы на:
- конусные (диффузорные) излучатели;
- купольные излучатели;
- плоские излучатели;
- кольцевые излучатели.
По области применения на:
- массовые излучатели;
- студийные излучатели;
- кинотеатральные излучатели;
- абонентские излучатели.
Рассмотрим кратко особенности и устройство каждого типа АИ.
1Электродинамический излучатель
Принцип электродинамического излучателя основан на взаимодействии проводника с током и постоянного магнитного поля. [2 3 4 7 11].
Схематически этот принцип относящийся к любой электродинамической системе показан на рисунке 1.7
Рисунок 1.7 - Схема возникновения электродинамической силы
Он заключается в следующем: если в магнитное поле образованное полюсами магнита помещен проводник по которому проходит постоянный электрический ток то на проводник будет действовать механическая сила называемая электродинамической.
Эта сила стремится вытолкнуть проводник из зоны действия магнитного поля в направлении перпендикулярном силовым линиям поля и направлению тока (правило "левой руки"). В том случае если ток протекающий по проводнику будет переменным то сила выталкивающая проводник будет изменять свое направление с частотой переменного тока и проводник будет совершать колебания в магнитном поле с той же частотой.
В электродинамическом громкоговорителе типовая конструкция которого показана на рис. 1.8 магнитное поле сосредоточено в кольцевом зазоре а проводник намотан на цилиндрическом каркасе в виде звуковой катушки.
Рисунок 1.8 – Устройство электродинамического громкоговорителя
Сила взаимодействия переменного тока протекающего по звуковой катушке и магнитного поля приводит в аксиальное(осевое) колебательное движение катушку и жестко соединенный с нею диффузор (конус). Количественно эта сила пропорциональна магнитной индукции в кольцевом зазоре длине проводника звуковой катушки и силе тока.
Устройство электродинамического громкоговорителя видно из рис. 1.8. Постоянный магнит 1 создает сильное магнитное поле в кольцевом зазоре между керном 2 и передним фланцем 3. В этом зазоре помещается звуковая катушка 4 жестко соединенная с диффузором конической формы 5. Звуковая катушка расположена посередине кольцевого зазора благодаря наличию центрирующей шайбы 6 приклеенной к диффузору вблизи места соединения его со звуковой катушкой. Края диффузора и центрирующей шайбы в виде плоского воротника крепятся к диффузородержателю 7 имеющему прорези (окна).
Звуковая катушка вместе с диффузором и центрирующей шайбой образуют подвижную систему громкоговорителя. Перемещения (колебания) диффузора возбуждают в окружающем воздушном пространстве звуковые волны воспринимаемые человеческим ухом как звуки.
Основная резонансная частота подвижной системы (частота механического резонанса громкоговорителя) зависит от ее массы и гибкости (упругости): чем больше масса и больше гибкость тем ниже резонансная частота.
Гибкость подвижной системы определяется гибкостями центрирующей шайбы и подвеса диффузора; гибкость подвеса диффузора обычно больше чем гибкость центрирующей шайбы.подвижной системы в основном складывается из масс звуковой катушки диффузора и соколеблющейся с диффузором (присоединенной) массы воздуха.
При воспроизведении сигнала с частотой близкой или равной частоте основного резонанса подвижной системы громкоговорителя и неизменном токе в звуковой катушке амплитуда колебаний диффузора увеличивается и повышается звуковое давление на этих частотах.
2Электростатический излучатель
Принцип работы электростатического громкоговорителя показан на рисунке 1.9. Тонкая пленка (толщиной порядка 8 мкм) покрытая проводящим слоем помещается между двумя перфорированными электродами из металлизированного диэлектрика. Между диафрагмой и электродами прикладывается высокое поляризующее постоянное напряжение (от 3 до 10 кВ) звуковой сигнал (переменное напряжение) подается через трансформатор на электроды. [5] [6][11].
Рисунок 1.9 – Принцип работы электростатического излучателя
Под действием переменного напряжения диафрагма перемещается между электродами (рис. 1.10) при этом происходит излучение звука через отверстия в перфорированных электродах (по принципу действия — это конденсатор переменной емкости).
Рисунок 1.10 – Принцип излучения электростатического излучателя
Импеданс электростатического громкоговорителя линейно уменьшается с частотой. При этом на низких и средних частотах он равен десяткам Ом поэтому громкоговорители используются с трансформатором.
Верхний частотный диапазон электростатического громкоговорителя ограничивается способностью усилителя работать на емкостную нагрузку а воспроизведение низких частот — пределами смещения диафрагмы между двумя неподвижными электродами.
Поскольку величина зазоров в современных громкоговорителях составляет 1-15 мм то смещения диафрагмы не могут быть большими и уровень излучения низких частот определяется главным образом размерами площади электростатического излучателя (так например последняя модель ESL 989 фирмы Quad имеет габариты 1335 х 670 х 315 мм).
Однако слишком большая площадь поверхности приводит к узкой с большими боковыми лепестками характеристике направленности на высоких частотах поэтому обычно широкополосные электростатики конструируются в виде набора отдельных пластин для воспроизведения различных частотных диапазонов.
Масса диафрагмы электростатика существенно меньше массы подвижной системы динамического громкоговорителя а масса воздуха в слое между диафрагмой и электродами и в отверстиях электродов довольно большая (масса воздуха на единицу площади примерно в пять раз больше чем масса самой диафрагмы на единицу площади) и она демпфирует колебания диафрагмы. Именно поэтому уровень переходных искажений в электростатических излучателях существенно меньше чем в обычных громкоговорителях.
Одной из серьезных проблем при конструировании электростатических громкоговорителей является пробой из-за высоких напряжений за счет ионизации слоя воздуха и нарушения изоляции электродов.
Несмотря на относительную простоту принципов построения для промышленного освоения электростатических громкоговорителей понадобились десятилетия напряженной работы. Необходимо было решить такие проблемы как выбор материалов для мембран и электродов отработка технологии нанесения электроизоляционных покрытий разработка специальных усилителей и т. д. В современных конструкциях диафрагма изготавливается из тонкого пленочного синтетического материала (например майлара толщиной 8 мкм с нанесенным на поверхность проводящим графитовым покрытием).
Поскольку сила за счет электростатического взаимодействия мала необходимо большое поляризующее напряжение (8-10 кВ) из-за чего возникают серьезные проблемы с изготовлением электродов. Электроды должны быть очень жесткими (чтобы в них не возникали изгибные колебания) но акустически прозрачными то есть иметь достаточное количество отверстий на острых краях которых и возникает максимальная опасность пробоя.
Отработка технологии нанесения проводящего покрытия на поверхность краев отверстий представляет непростую проблему. Электроды должны иметь исключительно ровную и однородную поверхность для равномерного распределения заряда. Обычно используются перфорированные металлизированные пластины или металлические сетки. Изоляторы между мембраной и электродами должны обеспечивать равномерную центровку мембраны относительно электродов (в противном случае возникают значительные нелинейные искажения) и обеспечивать изоляцию при больших напряжениях (до 10 кВ). Пробой при таких напряжениях представляет значительную опасность.
Таким образом много факторов влияет на параметры и качество звучания излучателей: выбор размеров и материалов для электродов расстояние между мембраной и электродами однородность конструкции надежность изоляции технология нанесения токопроводящих покрытий величина поляризующего напряжения и другие. Однако несмотря на технологические проблемы потребовавшие много лет для их решения в промышленном масштабе существует немало фирм выпускавших и продолжающих выпускать электростатические излучатели.
Производители руководствуются несомненными преимуществами электростатических громкоговорителей перед электродинамическими в качестве звучания. Такой прозрачности и чистоты звука особенно при воспроизведении классической музыки которые можно услышать через электростатические излучатели не удается получить с применением электродинамических громкоговорителей. Это связано прежде всего с тем что легкая и тонкая мембрана обладает значительно меньшей инерционностью по сравнению с подвижной системой громкоговорителя.
Как было отмечено ранее мембрана электростатика движется в однородном электрическом поле что приводит к отсутствию нелинейных искажений (которые обусловлены движением катушки в зазоре динамического громкоговорителя где ей приходится смещаться в неоднородном и несимметричном магнитном поле). Наконец тонкая мембрана сильно натянута и демпфируется слоями воздуха поэтому для нее нехарактерны выраженные резонансные колебания типичные для диафрагм динамических громкоговорителей.
Однако наряду с несомненными преимуществами электростатические громкоговорители имеют ряд недостатков. Поскольку смещение мембраны мало возникают проблемы с воспроизведением низких частот. Как уже было сказано требуется большая площадь а это в свою очередь вызывает обострение характеристики направленности в области средних и высоких частот. Кроме того поскольку диафрагма излучает в обе стороны то есть это излучающий диполь то чрезвычайно критичным является установка электростатических излучателей в помещении. Наконец значительные проблемы связаны с согласованием этих излучателей с усилителем поскольку они представляют собой чисто емкостную нагрузку.
3Электромагнитный излучатель (телефон)
Электромагнитный телефон преобразует электрические колебания в звуковые и работает на принципе электромагнетизма. В отличие от громкоговорителя он является прибором индивидуального пользования. [2 4 7].
Рисунок 1.11 - Электромагнитный телефон: а — устройство 6 — условное обозначение в г и д — схемы поясняющие принцип действия телефона; 1 — корпус 2—постоянный магнит 3 — полюсные наконечники 4 — катушки телефона 5 — железная диафрагма 6 — амбушюр
В кинотехнике телефон применяется для контроля звука на передвижных киноустановках и как простейшее приспособление для проверки исправности некоторых деталей усилителя. Устройство и условное обозначение электромагнитного телефона изображены на рисунке 1.11 а и б. Если тока в цепи телефона нет диафрагма под влиянием постоянного магнита прогибается (рисунок 1.11 в). При включении телефона в цепь переменного тока сила притяжения диафрагмы к полюсам меняется с частотой тока т. е. диафрагма начинает колебаться (рисунок 1.11 г и д). Колебания диафрагмы создают колебания воздушной среды которые человеческим ухом воспринимаются в виде звука.
Постоянный магнит увеличивает чувствительность телефона и устраняет возможность возникновения колебаний с удвоенной частотой. При отсутствии магнита диафрагма в течение одного периода будет притягиваться к полюсным наконечникам электромагнита дважды. Очевидно что при подведении к телефону переменного тока с частотой 50 гц возникнут звуковые колебания с частотой 100 гц что недопустимо.
В зависимости от сопротивления катушек различают два типа телефонов: низкоомные (с сопротивлением катушек 600 ом) и высокоомные (с сопротивлением катушек 2000 ом).
4Пьезокерамический излучатель
Довольно широкое распространение получили модели пьезокерамических излучателей в основном в качестве высокочастотных излучателей в акустических системах .
Пьезокерамические излучатели (пьезоизлучатели) — электроакустические устройства воспроизведения звука использующие обратный пьезоэлектрический эффект - при воздействии на пьезоэлектрик например кристалл электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. [2 5 8 9 10].
При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направление напряжения и деформации.
Пьезоизлучатели широко используются в различных электронных устройствах — часах-будильниках телефонных аппаратах электронных игрушках бытовой технике. Часто используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в устройствах отпугивания грызунов и насекомых увлажнителях воздуха ультразвуковых «стиральных машинах».
Пьезокерамический излучатель состоит из металлической пластины на которую нанесён слой пьезоэлектрической керамики имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами.
Пьезоизлучатель также может использоваться в качестве пьезоэлектрического микрофона или датчика.
Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции имеют малое энергопотребление у них отсутствуют электрические шумы и такие устройства производят чистый звук.
Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях: со схемой управления (излучатели с генератором) и без нее (преобразователи). Для того чтобы преобразователь генерировал звуки пользователь должен создать схему подачи управляющего сигнала. Такой сигнал обычно бывает синусоидой или меандром с определенной частотой указанной для конкретной модели преобразователя.
Преобразователи в свою очередь также могут иметь две разновидности конструкции: с обратной связью и без обратной связи. Преобразователи без обратной связи имеют только два вывода на корпусе. Пользователь должен обеспечивать полный прямоугольный или синусоидальный сигнал для генерации звука. Преобразователи с обратной связью имеют три вывода в корпусе и создают сигнал обратной связи со сдвигом фазы в 180 градусов при подаче управляющего сигнала.
При использовании преобразователей с обратной связью может быть использована простая схема осцилляции что позволит значительно сократить количество используемых в схеме компонентов. Излучатели со встроенным генератором требуют только подачи напряжения определенного уровня для генерации звукового сигнала.
5Малораспространённые нетрадиционные излучатели
К малораспространённым нетрадиционным типам АИ относятся различные разновидности электродинамических излучателей – ленточные изодинамические ортодинамические излучатели Хейла а также излучатели работающие по иному принципу – ионофоны термофоны пневматические излучатели на NXT панелях излучатели на нанотрубках и т.д. [1 2].
Вторая разновидность электродинамического излучателя - ленточный излучатель был предложен Герляхом и Шотки. В этом излучателе подвижной проводник 1 (рис. 1.12) в виде тонкой гофрированной алюминиевой ленточки является в то же время и излучателем. Ленточка расположена в зазоре между двумя полюсными башмаками 2 электромагнита 3 [1 2].
Рисунок 1.12 – Схема устройства ленточного излучателя
Легко усмотреть крупный недостаток такого устройства - увеличение поверхности ленточки излучателя за счет увеличения ее ширины вызывающее соответственное увеличение зазора. КПД одной из первых моделей составлял «215 %. Однако распространения этот тип громкоговорителей не получил [1 2].
Следующий более совершенный тип громкоговорителя - это громкоговоритель с волнистым диффузором. В этом приборе прямой проводник в виде ленты помещен в зазор между башмаками электромагнита 3 (рис. 1.13).
Рисунок 1.13 – Схема устройства ленточного излучателя с волнистым диффузором
Лента связана с алюминиевым диффузором состоящим из двух половинок 4 напоминающих крышки книжного переплета к корешку которого прикреплена лента. Внешние края обеих половин диффузора мягко закреплены в раме. Поверхность диффузора в целях увеличения его жесткости снабжена поперечными волнами (гофрировкой) откуда и происходит название этого типа.
Очевидно что в этой системе отсутствует вышеуказанный недостаток ленточного громкоговорителя: функции излучателя и подвижного проводника не совмещаются в одном элементе а потому выполнение каждой из этих функций может быть обеспечено надлежащим конструированием соответствующих органов [1 2].
В 1924 году немецким физиком Риггером был предложен ортодинамический излучатель. В основном конструкция излучателя такова: к большому плоскому прямоугольному диффузору прикреплена поставленная на ребро изогнутая зигзагом металлическая лента являющаяся подвижным проводником. Прямолинейные элементы ленты входят в соответственные зазоры сложной магнитной цепи. При этом нужно обратить внимание на то что так как в двух соседних элементах ленты ток имеет противоположное направление то для того чтобы действующая на эти элементы сила имела одинаковое направление необходимо чтобы поле в двух соседних зазорах имело противоположное направление что и достигается как показано стрелками в изображенной на рисунке 1.14 конструкции [1 2].
Рисунок 1.14 – Схема устройства ортодинамического излучателя
При таком устройстве рассеяние магнитного потока довольно велико вследствие чего получение больших напряженностей поля затруднительно. В целях уменьшения рассеяния в новейших моделях применено совершенно своеобразное устройство магнитной цепи: катушки возбуждения насажены на участки магнитной цепи с наибольшим магнитным сопротивлением т. е. охватывают самые воздушные зазоры (рис. 1.15) [1 2].
Рисунок 1.15 – Схема щелевого возбуждения
При этом диффузор располагается внутри катушек и последние отчасти экранируют в акустическом смысле диффузор; для ослабления этого эффекта катушки выполняются в виде сравнительно плоских галет промежутки между которыми оставляют достаточную свободную поверхность диффузора [1 2].
Такая система носит название «щелевого возбуждения» в отличие от ранее применявшегося «ярмового возбуждения» и позволяет получить значительно большие поля [1 2].
Разновидностью изодинамического излучателя является излучатель Хейла [1 2].
Излучающий элемент представляет собой прямоугольную мембрану изготовленную из тонкой тефлоновой (или майларовой) пленки толщиной ~10 мкм. Методом напыления на нее наносятся прямоугольные полосы алюминия выполняющие роль проводника. Затем мембрана гофрируется в продольном направлении и закрепляется в прямоугольной рамке. Рамка с мембраной помещается в сильное магнитное поле между полюсами магнитов [1 2].
Как известно на проводник с током помещенный в магнитное поле действует механическая сила F = BLI где В - индукция в зазоре магнитной цепи L - длина проводника с током I - сила тока. Направление действия силы F зависит от направления магнитных силовых линий и от направления тока (знаменитое "правило буравчика") [1 2].
В случае гофрированной мембраны механическая сила будет воздействовать на каждый гофр с противоположных направлений то есть сжимать и разжимать мембрану. При этом происходит всасывание и выталкивание воздуха. За счет такого выталкивания скорость воздуха по отношению к скорости мембраны возрастает до соотношения 5:1 что позволяет увеличить КПД громкоговорителя так как излучаемая акустическая мощность пропорциональна сопротивлению среды и колебательной скорости.
Использование гофрированной мембраны позволило существенно уменьшить размеры излучающей поверхности обеспечив тем самым расширение характеристики направленности на высоких частотах. Кроме того поскольку вес тонкой пленочной диафрагмы много меньше чем вес подвижной системы обычного громкоговорителя то и уровень переходных искажений в ней значительно ниже (благодаря меньшей инерционности) чем в диффузорных громкоговорителях [1 2].
Ещё одним видом нетрадиционных излучателей являются плазменные (плазмотроны ионофоны) излучатели.
Рисунок 1.16 – Конструкция ионофона
Схематично ионофон показан на рисунке 1.16 [1 2]. При подаче на коронирующий электрод высокочастотного напряжения у свободного конца электрода создается большая напряженность поля вызывающая ионизацию молекул окружающего воздуха и коронирующий электрод оказывается окруженным облачком ионов. Температура внутри этого облачка достигает 1700° С.
Ионизированное облачко занимает объем зависящий от величины высокочастотного напряжения. Если высокочастотное напряжение промодулировать по амплитуде то объем облачка ионизированного воздуха будет меняться с частотой модулирующего напряжения. Изменение объема облачка ионов приводит к изменению давления в окружающей среде с частотой модуляции. Если генератор модулировать напряжением звуковой частоты то очевидно в окружающей среде появятся звуковые колебания.
Ввиду того что масса ионного облака ничтожно мала по сравнению с массой твердых механических колебательных систем даже лучших современных громкоговорителей ионофон способен воспроизводить без заметных частотных и переходных искажений колебания не только высших звуковых частот но и ультразвуковые колебания.
Объем ионного облака очень мал и для более эффективной передачи колебаний в окружающую среду используется согласующий экспоненциальный рупор являющийся продолжением кварцевой ячейки [1 2].
При использовании ионофона в многополосных акустических агрегатах необходимо учитывать что развиваемое им акустическое давление и коэффициент гармоник пропорциональны глубине модуляции высокочастотного генератора.
Основным преимуществом таких громкоговорителей является практически безинерционное воспроизведение звука (т. е. отсутствие переходных искажений). В настоящее время такие модели выпускаются фирмами Magnat (ФРГ) Plasmatronic (США) и др.
6Сравнение излучателей различных типов
Проведя общий анализ звуковоспроизводящих устройств и используемых в них различных типов акустических излучателей приведём сравнительный анализ достоинств и недостатков каждого типа АИ. [1 2]
Достоинства и недостатки АИ различных типов
Электродинамический (с классическим диффузором)
Относительно высокая чувствительность; высокая подводимая мощность.
Высокий уровень переходных и нелинейных искажений; неравномерность АЧХ +- 12 дБ; множество собственных резонансов; невозможность воспроизведения широкого диапазона частот; относительно узкая направленность с частотной зависимостью.
Простота конструкции; неравномерность АЧХ +- 2 дБ; КНИ менее 05% (как у усилителей!); практически отсутствуют фазовые искажения.
Низкая чувствительность (82 дБ); необходимость дополнительного источника питания для блока поляризации; необходимость применения согласующего трансформатора; относительно узкая направленность; притяжение пыли.
Электромагнитный (телефон)
Относительно высокая чувствительность.
Сложность настройки; узкий диапазон воспроизводимых частот.
Высококачественное воспроизведение высоких частот звукового сигнала малые габариты высокая надёжность
Низкая чувствительность. Необходима дополнительная схема управления излучателем невозможность воспроизведения низких частот.
Электродинамический (с ленточным и волнистым диффузором)
Простота конструкции; малые переходные и нелинейные искажения; ровная АЧХ; относительно высокая чувствительность.
Необходимость использования согласующего трансформатора; невозможность качественного воспроизведения НЧ-диапазона.
Относительно высокая чувствительность; малые переходные и нелинейные искажения (КНИ 1%); относительная простота конструкции.
Относительно высокая стоимость; незначительные фазовые искажения при многократном отражении звуковой волны между магнитом и мембраной.
Плазменный излучатель (Ионофон)
Полное теоретическое отсутствие переходных и нелинейных искажений; простота конструкции; круговая диаграмма направленности; воспроизводит частоты до 50 кГц; Неравномерность АЧХ +- 4 дБ
Сложно воспроизводить частоты ниже 100 Гц; токсичность; опасное высокое напряжение; быстрое выгорание электродов.
Как видно из проведённого анализа единственным акустическим излучателем не вносящим искажения в воспроизводимый сигнал является плазменный излучатель (Ионофон). Это связано с тем что он не имеет механических подвижных частей в тракте непосредственно участвующем в воспроизведении а масса и инерционность плазменного канала настолько мала что ими можно пренебречь.
Кроме того данный излучатель обладает круговой диаграммой направленности излучения что позволяет сократить количество излучателей для озвучивания выбранного помещения. Кроме того упрощается возможность озвучивания залов площадок с расположенным вокруг зрительным залом. 4). Единственным существенным недостатком является сложность воспроизведения частот ниже 100 Гц. Таким образом данный тип излучателей используется для воспроизведения СЧ и ВЧ сигналов звукового диапазона. Для воспроизведения НЧ используется сабвуфер совместно с ионофоном.
Кроме того данный излучатель обладает ещё одним несомненным преимуществом по сравнению с другими АИ: при озвучивании концертов клубов и дискотек мы получаем кроме озвучивания зала интересные световые эффекты. Таким образом применение данных излучателей вызовет дополнительный приток посетителей что экономически выгодно.
Таким образом как с экономической так и с технической точки зрения применение именно данного типа АИ является наиболее целесообразным.
Классификация структура и аналоги плазменного АИ
Идея использовать движение ионизированных частиц в электрическом поле для создания звуковых волн возникла еще в конце XIX века. В 1900 году Дуделл продемонстрировал научному сообществу поющую дугу. В 1946 году французский изобретатель Зигфрид Клейн предложил электрическую дугу ограничить и поместить ее внутрь небольшой кварцевой трубки соединенной с рупором. Именно Клейн предложил назвать это устройство ионофоном.
В его излучателе коронный разряд создавался между анодом помещенным в кварцевую трубку и металлическим цилиндрическим катодом вокруг ее внешней стороны. При подаче на электроды высокого напряжения частотой 100 кГц промодулированного аудиосигналом вокруг свободного конца анода образовывалось облачко ионизированных молекул воздуха. Температура при этом достигала 1700 0С. Сжатие и расширение объема ионизированного воздуха приводило к возникновению звуковой волны.
Рупор в первой конструкции ионофона использовался для повышения эффективности излучения (объем облака был достаточно мал и интенсивность звуковой волны получалась низкой). Клейн предложил использовать анод изготовленный из комбинации платины фосфата алюминия иридия и графита однако это было не лучшим решением так как платина под воздействием температуры быстро распылялась на стенки кварцевой трубки что приводило к появлению в воспроизводимом звуке шорохов и треска.
Анод должен был не только эффективно ионизировать воздух но и быть устойчивым к коронному разряду и высокой температуре вызывающей окисление. В более поздних моделях ионофонов эта проблема была решена применением специального сплава из железа хрома и алюминия который стал называться «кантал». Для устранения свиста сопровождающего коронный разряд частота генератора была увеличена до 2-3 МГц. Позже по этой же причине частота была увеличена еще в десять раз.
Используя патент Клейна ионофоны выпускались такими компаниями как DuKane Plessely Ltd Telefunken Audax Fane Acoustics Ltd.
В 50-х годах XX века в ИРПА им. Попова попал образец ионофона. После испытаний было решено что из-за существенных недостатков его промышленное применение будет затруднительно. После этого в нашей стране появлялись только радиолюбительские конструкции ионофонов. В частности в 1958 году Плоткин Каратаев и Прютц на XVI Всесоюзной выставке показали первую отечественную модель ионофона и удостоились за нее Почетной премии.
В настоящее время ионофонические твиттеры используют немецкие компании которые занимаются эксклюзивными акустическими системами Hi-End: Acapella (модель ION TW 1S) Lansche Audio (твиттер Corona).
В прошлом знаменитая компания Magnat выпускала акустические системы MP-X-066 в составе которых в качестве ВЧ-излучателей использовался ионофон с круговой диаграммой направленности.
Ниже приведена классификация ионофонов по различным признакам.
По типу модуляции ионофоны делятся на:
- ионофоны с амплитудной модуляцией;
- ионофоны с частотной модуляцией;
- ионофоны с ШИМ модуляцией;
По типу применяемой элементарной базы в системе управления и формирования сигнала:
- ионофоны на радиолампах;
- ионофоны на транзисторах;
- ионофоны на специализированных ШИМ-контроллерах;
- ионофоны на цифровых микросхемах (жёсткой логике);
- ионофоны на других специализированных микросхемах (ГУНах микросхемах АМ и ЧМ передатчиков и пр.).
По схемотехнике ионофоны подразделяются на:
- классические РПДУ нагруженные на высоковольтный контур;
- Импульсные источники питания (ИИП с ШИМ-модуляцией) нагруженный на высоковольтный трансформатор (кроме того данную группу можно классифицировать ещё по схемотехнике выходного каскада: однотактный двухтактный полумостовой мостовой выходной каскад);
- РПДУ на цифровых микросхемах нагруженные на высоковольтный трансформатор (как на жёсткой логике так и на специализированных микросхемах).
Рассмотрим структуру каждого типа ионофона подробнее.
На рисунке 2.1 изображена структурная схема ионофона 1 типа (классические РПДУ нагруженные на высоковольтный контур).
Рисунок 2.1 – Структурная схема ионофона 1-ого типа
В данном ионофоне сигнал с источника сигнала (выхода генератора аудиоустройства или любого другого источника сигнала) поступает на усилитель сигнала где он усиливается до нужного уровня и поступает на модулятор.
Модулятор осуществляет модуляцию генератора ВЧ требуемым видом и типом модуляции. Тем самым на выходном контуре L1 генератора ВЧ формируются высокочастотные модулированные колебания.
Данные колебания формируют на выходном высоковольтном контуре L2 высокое напряжение порядка 20-50 киловольт с заданным в модуляторе видом и типом модуляции.
Контура L1 и L2 обычно имеют автотрансформаторную связь для более полной передачи высокочастотной энергии на выход. Кроме того ВЧ генератор в данном типе ионофона по схемотехнике обычно является автогенератором с индуктивной или автотрансформаторной обратной связью.
Основным достоинством данной схемы является то что верхняя граница диапазона ВЧ генератора ограничена только типом применяемой элементарной базы а в случае применения электронных ламп верхний предел является больше условным показателем. Кроме того данный ионофон прост в изготовлении налаживании и ремонте.
К недостатком ионофонов данного типа можно отнести высокую нестабильность частоты при изменении внешних факторов и питающих напряжений.
Лишить ионофон данных недостатков позволило построение схемы показанное на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Структурная схема модернизированного ионофона 1-ого типа
В данном варианте ионофона как и в предыдущем варианте сигнал с источника сигнала поступает на усилитель сигнала где усиливается до нужного уровня. Далее усиленный сигнал поступает на модулятор который осуществляет модуляцию в промежуточном каскаде заданным типом и видом модуляции высокочастотного колебания поступающего в промежуточный каскад с генератора ВЧ. После этого промодулированный высокочастотный сигнал усиленный до нужного уровня усилителем мощности выделяется на контуре L1. В остальном работа данного варианта ионофона аналогична предыдущему.
Основным достоинством данной схемы является высокая стабильность частоты от изменения питающего напряжения и других внешних факторов.
Недостатком является усложнение конструкции по сравнению с предыдущим вариантом и как следствие более сложная наладка настройка и ремонт.
Генератор ВЧ данной конструкции может быть выполнен так же как и в предыдущем варианте. Для повышения стабильности можно использовать кварцевый автогенератор или генератор с электронным потоком в случае использования радиоламп.
Вторым типом ионофонов являются ИИП (с ШИМ-модуляцией) нагруженные на высоковольтный трансформатор. Структурная схема данного ионофона представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Структурная схема ионофона второго типа
В данном ионофоне аналогично предыдущим конструкциям присутствуют источник сигнала и усилитель сигнала. Их назначение такое же как и в ионофоне первого типа. Таким образом усиленный сигнал с усилителя сигнала поступает на ШИМ-контроллер где модулирует скважность выходного сигнала.
Таким образом на выходе контроллера ширина импульса меняется в такт со входным сигналом что приводит к изменению передаваемой импульсами мощности так же в такт со входным управляющим сигналом. Данный сигнал усиливается выходным каскадом до нужного уровня. Выходной каскад нагружен на повышающий высоковольтный трансформатор на вторичной обмотке которого и формируется высокое выходное напряжение.
Основным достоинством данной схемы является возможность получения приемлемого качества звука при более низкой рабочей частоте.
К недостаткам можно отнести высокую сложность сборки наладки и настройки ионофона данного типа особенно при высоких рабочих частотах (порядка 800-900 килогерц). Кроме того подавляющее большинство ШИМ-контроллеров для ИИП ограничены рабочей частотой в 1 мегагерц. Ещё одним серьёзным недостатком является сложность реализации трансформатора. Для его изготовления требуется высокочастотный феррит.
Третьим типом ионофона является РПДУ на цифровых микросхемах нагруженные на высоковольтный трансформатор (как на жёсткой логике так и на специализированных микросхемах). Структурная схема ионофона данного типа представлена на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Структурная схема ионофона третьего типа
В данном ионофоне усиленный сигнал с усилителя сигнала поступает на цифровой генератор с непосредственной (прямой) модуляцией где происходит модуляция высокочастотного сигнала заданным применяемой элементарной базой видом и типом модуляции.
После этого промодулированный сигнал усиливается выходным каскадом и поступает на первичную обмотку выходного высоковольтного трансформатора. Со вторичной обмотки данного трансформатора и снимается выходное высокое напряжение.
К достоинствам ионофонов данного типа можно отнести простоту сборки настройки и налаживания (в некоторых случаях в зависимости от применяемой элементарной базы генератора) возможность получения хорошего качества выходного сигнала.
Серьёзным недостатком опять же является сложность изготовления выходного трансформатора на высокие рабочие частоты а в некоторых случаях и сложность сборки настройки и наладки.
Рассмотрим подробнее существующие аналоги ионофонов различного типа.
1 Звуковоспроизводящий агрегат с ионофоном
Усилительное устройство описываемого звуковоспроизводящего агрегата состоит из высококачественного усилителя низших и средних частот; усилителя высших звуковых частот (модулятора) питающего ионофон; генератора высокой частоты и выпрямителя. На рисунке 2.5 изображена принципиальная схема данного агрегата. [13]
Рисунок 2.5 – Схема электрическая принципиальная звуковоспроизводящего агрегата с ионофоном
Низкочастотный канал служит для усиления напряжения звуковых частот в диапазоне от 30 до 700 Гц; полоса пропускания среднечастотного канала - 700-5000 Гц. Высокочастотный канал содержащий модулятор и ионофон предназначен для усиления напряжения звуковых частот выше 5000 Гц. Практически верхняя граничная частота воспроизведения в рассматриваемом агрегате расположена значительно выше 20 000 Гц.
Усилитель низших и средних звуковых частот включает в себя три каскада выполненные на одной лампе 6Н2П (Л1) и двух 6ПЗС (Л2 и Л3). Выходное сопротивление усилителя равно 2 ом неравномерность частотной характеристики в диапазоне частот 30-5000 Гц не более 2 дБ номинальная выходная мощность — порядка 10 вт. Коэффициент нелинейных искажений во всем диапазоне частот при номинальной мощности - менее 2%. Уровень шума порядка 60 дБ (для максимальной выходной мощности).
На входе усилителя для обеспечения симметрии стоит входной трансформатор Тр1 с коэффициентом трансформации 1:1. Первичная обмотка трансформатора шунтирована сопротивлением для большей стабильности входного сопротивления во всем диапазоне частот. Первый каскад усиления напряжения выполнен на левой (по схеме) половине лампы 6Н2П (Л1) по реостатно-емкостной схеме. Второй триод лампы 6Н2П используется как фазоинвертор для перехода на двухтактный выходной каскад усилителя выполненный на лампах 6ПЗС (Л2 и Л3).
Для уменьшения нелинейных искажений в усилителе применена глубокая отрицательная обратная связь по напряжению охватывающая весь усилитель. Напряжение обратной связи подается с выхода усилителя на катод лампы первого каскада. В целях повышения стабильности и улучшения фильтрации в анодных цепях первых двух каскадов предусмотрены развязывающие фильтры.
Анодная и катодная нагрузки фазоинвертора шунтированы конденсаторами малой емкости С6 и С1 для завала частотной характеристики в области частот выше 5000 Гц. Аналогичное действие на частотную характеристику оказывают конденсаторы С9 и С10 шунтирующие первичную обмотку выходного трансформатора Тр2. Ограничение в области высших частот спектра сигнала поступающего на выходной трансформатор позволило снизить требования к допустимым величинам индуктивностей рассеяния что значительно упростило конструкцию трансформатора.
Во вторичную обмотку выходного трансформатора включены разделительные фильтры Полоса пропускания фильтра низших частот находится на участке от 0 до 700 Гц. Фильтр средних частот пропускает полосу от 700 до 5 000 Гц.
Модулятор ионофона — это обычный усилитель НЧ который рассчитан на пропускание звуковых частот выше 5 000 Гц. Схема его аналогична усилителю низших и средних частот. Ограничение полосы пропускания модулятора со стороны низших частот достигается применением переходных конденсаторов малой емкости.
Выходное сопротивление модулятора равно 3 кОм. Неравномерность частотной характеристики в диапазоне 5 000-20 000 Гц не более 15 дБ. Максимальная выходная мощность модулятора равна 8 Вт при уровне шума не более минус 60 дБ. Коэффициент нелинейных искажений во всем передаваемом диапазоне частот менее 2%.
Высокочастотное напряжение необходимое для образования ионного облака снимается с генератора выполненного по схеме с параллельным питанием на лампе ГУ-32 (Л7).
Нагрузкой генератора является трансформатор Тесла представляющий собой систему двух связанных контуров. Первичный контур образован индуктивностью L совместно с емкостью монтажа собственной емкостью катушки выходной емкостью лампы и емкостью вносимой из вторичного контура. Индуктивность L2 совместно с емкостью монтажа собственной емкостью и емкостью коронирующего электрода относительно корпуса образует вторичный контур трансформатора Тесла.
Настройку всей системы производят изменением связи между катушками L1 и L2.
В описываемой модели ионофона использована анодная модуляция. Для работы с малыми нелинейными искажениями глубина модуляции не должна превышать 20—30% поэтому мощность модуляционного устройства составляет примерно 30% от мощности генератора высокой частоты. Мощность потребляемая высокочастотным генератором от источника питания равна 50 Вт при напряжении анодного питания равном 500 В. Генерируемая частота равна 315 Мгц.
На рисунке 2.6 приведена схема электрическая принципиальная ионофона на радиолампе ГУ-50. [14]
Рисунок 2.6 – Схема ионофона на радиолампе ГУ-50
Основу данного ионофона составляет классический LC автогенератор с индуктивной обратной связью выполненный на радиолампе ГУ-50 (Ла3). Частота данного генератора задаётся номиналами элементов C8 и L1 и при указанных на схеме номиналах составляет 19 мегагерца. Резистор R7 и конденсатор C9 задают режим работы автогенератора по постоянному току. Через обмотку L2 осуществляется ПОС (положительная обратная связь) с необходимым коэффициентом обратной связи. Обмотка L3 – это выходная обмотка с неё и снимается выходное высокое напряжение. Данная обмотка имеет автотрансформаторную связь с выходным контуром чем осуществляется более полная передача ВЧ энергии на выход.
Питание генератора осуществляется со вторичной обмотки (II) трансформатора Tr1 через утроитель напряжения.
Рассмотрим работу самого ионофона поподробнее. При включении выключателя S1 напряжение поступает на силовой трансформатор Tr1. Его вторичные обмотки (III и IV) питают накалы ламп автогенератора (Ла3) и усилителя (Ла1 и Ла2). Причем накалы ламп усилителя питаются постоянным током выпрямленным диодным мостом VDS1 и сглаженным конденсатором С7. Благодаря этому снижается уровень шумов усилителя (переменного фона 50 и 100 Гц).
Далее при включении выключателя S2 напряжение со вторичной обмотки (II) трансформатора Tr1 поступает через утроитель на анод лампы Ла3 автогенератора и одновременно через диодный мост VDS2 и фильтр питания на аноды ламп УНЧ (Ла1 и Ла2). Устройство УНЧ и фильтров подробно рассмотрено в [15 16].
Для повышения рабочего напряжения конденсаторы С1-С2 С3-С4 С5-С6 и диоды VD1-VD2 VD3-VD4 VD5-VD6 утроителя включены последовательно по 2 штуки. Резисторы R1-R6 служат для разрядки конденсаторов при выключении питания. Их присутствие не является обязательным но если их не установить то высокое напряжение может сохраняться на выводах конденсаторов длительное время что может стать причиной поражения электрическим током травм и в худшем случае гибели Поэтому лучше не подвергать себя излишней опасности и не рисковать Таким образом после подачи питания между электродами вторичной высоковольтной обмотки (L3) можно зажечь дугу.
После этого остаётся только подать аудиосигнал на вход усилителя где он усилившись с нагрузочного резистора R10 поступит на 2 сетку лампы Ла3 осуществляя амплитудную модуляцию автогенератора.
Подачу напряжение выключателем S2 следует производить только через 1-3 минуты после подачи напряжения выключателем S1 на накалы ламп. То есть должен произойти надёжный прогрев ламп особенно автогенератора что продлит их срок службы.
Настройка автогенератора ионофона очень проста. Если при подаче напряжения на анод лампы автогенератора выключателем S2 на выходе нет высокого напряжения то следует поменять концы обмотки L1 или L2 местами. Так же следует проверить в каком из двух положений катушки L3 (началом вверх или вниз) напряжение на выходе выше. На этом настройку можно считать оконченной. Правильно собранный и настроенный ионофон начинает работать сразу.
Все использованные детали указаны на схеме. Остановимся только на некоторых подробностях: Трансформатор Tr1 - любой с номинальным напряжением первичной обмотки (I) 220 Вольт напряжением вторичной обмотки (II) - 250 Вольт и током 05-1 Ампер напряжением вторичных обмоток (III и IV) 62-65 Вольт и током 3 Ампера. Конденсатор С8 составляется из 4 конденсаторов КСО на напряжение 500 Вольт и ёмкостью 510 пФ. Для этого соединяются 2 конденсатора последовательно а затем получившиеся секции параллельно. В итоге мы получаем конденсатор 510 пФ на напряжение 1000 Вольт. Аналогично изготавливается конденсатор С9 но соединяются конденсаторы КСО 1000 пФ 500 Вольт. Получим конденсатор на напряжение 1000 Вольт ёмкостью 1000 пФ.
Контур L1 наматывается проводом ПЭЛ 1.5 на каркасе диаметром 30 мм и содержит 15 витков а контур L2 тем же проводом на той же оправке но содержит 30 витков. Контура должны быть расположены не далее 2 см друг от друга. Контур L3 наматывается проводом ПЭЛ 0.12-0.24 на оправке диаметром 5 см и содержит 500 витков. После намотки контура L1 L2 следует пропитать нитрокраской или нитролаком после его высыхания обмотать ниткой в 2-3 слоя повторить пропитку после этого контура покрываются 2 слоями полиэтиленовой изоленты и ещё раз красятся краской или нитролаком. Провода данных контуров выводятся внутри трубки-оправки.
Конденсаторы утроителя а так же фильтра УНЧ должны быть на напряжение не менее 350 В.
В качестве выключателей S1 S2 подойдут любые тумблеры на рабочее напряжение не менее 400 вольт и ток 3А но лучше использовать АЗ (автоматы защиты автоматический выключатель) на ток 4-6 Ампер.
3 Ионофон на К1156ЕУ2
На рисунке 2.7 приведена схема электрическая принципиальная ионофона на ШИМ-контроллере К1156ЕУ2. [17 54]
Рисунок 2.7 – Схема ионофона на ШИМ-контроллере К1156ЕУ2
Основу схемы составляет специализированный ШИМ-контроллер DD1. На данном контроллере реализована система управления выходным каскадом данного ионофона. Рабочая частота микроконтроллера задается номиналами резистора R7 и конденсатора С4 и при заданных на схеме номиналах примерно составляет 330 кГц.
Сигнал с выхода Вашего аудиоустройства поступает на трансформатор Tr1. Это ТВК-110 включённый «наоборот». Данный трансформатор служит для усиления сигнала поступающего с аудиоустройства а так же выполняет роль развязки по постоянному току аудиоустройства и ионофона.
Со вторичной обмотки данного трансформатора через конденсатор C2 аудиосигнал поступает на вход внутреннего усилителя рассогласования (вывод 2). Напряжение с выхода данного усилителя модулирует ШИМ-компаратор изменяя скважность выходных импульсов в такт с подаваемым сигналом. Резисторы R1 R2 R3 задают начальный уровень скважности выходного сигнала. Таким образом мы получаем на выходах 11 и 14 контроллера ШИМ-модулированный сигнал.
Промодулированный сигнал через токоограничительные резисторы R8 R9 поступает на входы драйверов верхнего и нижнего плеч. Подробно устройство и назначение данных драйверов рассмотрено в [18].
Рабочая частота каждого плеча схемы ровно в 2 раза меньше заданной резистором R7 и конденсатором С4. Это связано с тем что контроллер работает в двухтактном режиме сигнал на выходах 11 и 14 появляется в противофазе а расчетная частота получается сложением частот обоих плеч на выходном трансформаторе Tr4 т.к. оба плеча работают на одну и ту же нагрузку.
Выходной двухтактный каскад ионофона реализован на транзисторах VT5 VT6. Нагрузкой выходного каскада служат первичные обмотки трансформатора Tr4. Со вторичной обмотки данного трансформатора и снимается выходное высокое напряжение.
Диоды VD6 VD7 VD8 VD9 служат для защиты от бросков обратного напряжения при закрытии силовых ключей выходного каскада. Супрессорный диод VD1 защищает схему управления от перенапряжения по питанию.
Кроме того в данном ионофоне реализован плавный запуск. Время запуска зависит от ёмкости конденсатора С5. Резистор R5 и конденсатор С3 осуществляют коррекцию усилителя ошибки.
Трансформаторы Tr2 Tr3 мотаются на ферритовом Ш 6х6 марки 2000НМ. Первичные обмотки содержат 30 витков эмалированного провода диаметром 047 мм. Вторичные обмотки содержат 160 витков того же провода.
Кроме того в середине сердечников следует сделать зазор 1 мм. Изготовлению данных трансформаторов нужно уделить особое внимания. Они должны изготавливаться по возможности одинаково. Чем точнее они изготовлены тем лучше. Любые неточности приведут к рассогласованию плеч ионофона и как следствие перегреву и выходу из строя одного из плеч.
Трансформатор Tr4 – это переделанный ТВС-110. Первичные обмотки I и II содержат по 30 витков провода МГШВ-025. Намотка ведётся сразу в 2 провода. Фазировка обмоток указана на схеме. Вторичная высоковольтная обмотка штатная.
В качестве источника напряжения 160 В использован трансформатор ТС-180 от старого лампового телевизора с соединёнными последовательно 2 обмотками по 63 вольта выпрямительный мост от компьютерного БП KBU6G (RS604) и конденсатор 470 мкФ 350 Вольт.
Правильно собранный ионофон начинает работать сразу после включения.
Настройка ионофона очень проста. Нужно лишь резистором R2 подстроить сигнал на выходе по наилучшему соотношению качество звукамощность. На этом настройку можно считать законченной.
Наладка ионофона перед первым включением так же проста. Для начала вращением движка резистора R2 добиваются появления сигнала на выходах 11 14 микроконтроллера. Далее нужно проконтролировать при отключённых драйверах в контрольных точках А и В выходной сигнал. Он должен быть как на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8 – Форма сигнала в контрольных точках
Если сигналы по форме на выходе получились разные сигналы то генератор работает неверно. Кроме того при дальнейшем вращении движка резистора R2 должна изменяться скважность выходного сигнала.
Качество звучания данного ионофона можно повысить поэкспериментировав с формой электродов и их материалом.
4 Ионофон на UC3845BN
На рисунке 2.9 представлена схема первого варианта ионофона на UC3845BN. [18 19].
Рисунок 2.9 – Схема ионофона на UC3845BN первого варианта
Микросхема UC3845BN предназначена для построения однотактных импульсных источников питания. Благодаря ее применению удалось добиться:
-повышения КПД устройства в целом;
-понижения потребляемого тока ионофоном до 350 мА при напряжении питания 12 В;
-повышения громкости и четкости звучания дуги на выходе;
-повышения надежности устройства в целом;
-упрощения схемы до минимума деталей.
Рассмотрим данный ионофон подробнее.
Основу схемы (рисунок 2.9) составляет специализированный микроконтроллер DD1. На нем реализована система управления выходным силовым ключом VT1. частота данного преобразователя задается номиналами элементов С3 R4. При указанных на схеме номиналах составляет 70 кГц.
Сигнал с выхода аудиоустройства поступает на обмотку II (на которой при нормальном включении трансформатора напряжение 12 В) трансформатора ТВК-110. Данный трансформатор выполняет роль предусилителя сигнала и гальваническую развязку по питанию выхода аудиоустройства и ионофона.
С выхода данного трансформатора обмотки I (на которой при нормальном включении трансформатора напряжение 220 В) через разделительный конденсатор С4 аудиосигнал поступает на вход FB (вывод 2) микроконтроллера. От напряжения на этом входе зависит скважность выходных импульсов.
Таким образом подавая сюда аудиосигнал мы и осуществляем ШИМ (широтно-импульсную) модуляцию. Резисторы R1 R2 R3 служат для начальной установки скважности выходного сигнала. С выхода данного микроконтроллера (вывода 6) промодулированный сигнал через токоограничительный резистор R5 поступает на базу выходного силового ключа VT1. Нагрузкой данного ключа является первичная обмотка трансформатора Tr2. Со вторичной обмотки данного трансформатора и снимается выходное высокое напряжение.
Диод VD1 защищает схему от бросков обратного напряжения во время закрытия силового ключа а супрессорный диод VD2 защищает схему от перенапряжения по питанию.
Все используемые детали указаны на схеме.
Правильно собранный ионофон начинает работать сразу после включения. Настройка инофона так же проста. Нужно лишь резистором R2 подстроить сигнал на выходе по наилучшему соотношению качество звукамощность.
На рисунке 2.10 представлена схема второго варианта ионофона на UC3845BN. [18 55].
Как и в предыдущем варианте ионофона задающий генератор выполнен на широко распространенном ШИМ-контроллере UC3845BN. Все входные цепи устройства аналогичны предыдущей конструкции (рис. 2.9). Рабочая частота данного варианта ионофона равна 160 кГц. Рассмотрим подробно только отличие от предыдущей конструкции.
Итак с выхода (вывод 6) ШИМ-контроллера промодулированный сигнал через токоограничительный резистор R6 поступает на вход драйвера управления силовым ключом VT3. Данный драйвер реализован на транзисторах VT1 VT2. Резистор R8 служит для ограничения максимального рабочего тока каскада. С выхода драйвера через конденсатор С5 сигнал поступает на первичную обмотку развязывающего трансформатора Tr2. Посредством данного трансформатора осуществляется гальваническая развязка драйвера и выходного каскада а так же усиление управляющего сигнала до нужного уровня.
Со вторичной обмотки трансформатора Tr2 через резистор R10 усиленный сигнал поступает на затвор выходного силового ключа VT3. Нагрузкой данного ключа является первичная обмотка выходного трансформатора Tr3. Со вторичной обмотки данного трансформатора и снимается выходное высокое напряжение. Стабилитроны VD2 VD3 ограничивают уровень управляющего сигнала на затворе силового ключа.
Рисунок 2.10 – Схема ионофона на UC3845BN второго варианта
Нагрузочный резистор R9 служит для подавления всевозможных слабых гармоник возникающих в трансформаторе при переходных процессах и различных резонансных явлениях. Кроме того возникающие в результате этого короткие импульсы без резистора могут привести к ложному срабатыванию ключа а это в свою очередь приведет к его чрезмерному перегреву.
Диоды VD4 VD5 VD6 защищают схему от бросков обратного напряжения во время закрытия силового ключа.
Супрессорный диод VD1 защищает блок управления от перенапряжения по питанию.
Все использованные детали указаны на схеме.
Трансформатор Tr1 - это ТВК-110 включенный наоборот.
Трансформатор Tr2 мотается на ферритовом сердечнике Ш6х6 марки 2000НМ. Первичная обмотка содержит 35 витков эмалированного провода диаметром 047 мм. Вторичная обмотка содержит 160 витков провода диаметром 024 мм. Кроме того в середине сердечника следует сделать зазор 1 мм.
Трансформатор Tr3 - это переделанный ТВС-110. Первичная обмотка содержит 30 витков провода МГШВ-025. Кроме того при сборке трансформатора следует сделать зазор около 08 1 мм (с каждой стороны по 04 05 мм соответственно). Вторичная высоковольтная обмотка так же остается штатной.
Правильно собранный ионофон начинает работать сразу после включения.
Настройка ионофона очень проста. Нужно лишь резистором R3 подстроить сигнал на выходе по наилучшему соотношению качество звука мощность.
На этом настройку можно считать законченной.
При наладке перед первым включением без подачи модуляции следует проконтролировать форму сигналов в контрольных точках схемы. Для начала вращением движка резистора R3 добиваемся появления сигнала в точке А. При отключенном драйвере в контрольной точке А сигнал должен быть как на рисунке 2.11 (а) в контрольной точке В - как на рисунке 2.11 (б).
Рисунок 2.11 – Форма сигнала в контрольных точках (а – точке а б – точке б)
Если же сигналы по форме сильно отличаются от приведенных следовательно задающий генератор работает не правильно. Далее следует проконтролировать сигнал в контрольной точке С без подключения затвора силового ключа. Сигнал должен соответствовать приведенному на рисунке 2.12 (а). Если же у вас получился сигнал как на рисунке 2.12 (б) то следует увеличить емкость конденсатора С5. На этом наладку можно считать законченной.
Рисунок 2.12 – Форма сигнала в контрольной точке С (а – правильной формы б – неправильной формы)
Источник напряжения 160 В - трансформатор ТС-180 от старого лампового телевизора с соединенными последовательно двумя обмотками по 63 В выпрямительный мост от компьютерного БП KBU6G (RS604) и конденсатор 470 мкФ * 350 В.
Таким образом проведя сравнительный анализ существующих типов ионофонов их структурных схем и аналогов можно сделать вывод о том что наиболее простой в реализации является ионофон первого типа (классический РПДУ нагруженный на высоковольтный контур). Данный ионофон так же прост в настройке налаживании и эксплуатации. Следовательно в качестве исследуемой конструкции в данной дипломной работе выбран именно этот тип ионофона.
Его общая структурная схема приведена на рисунке 2.1 поэтому повторно приводить её не будем.
Развёрнутая блок-схема данного ионофона представлена на рисунке 2.13.
Рисунок 2.13 – Развёрнутая блок схема ионофона первого типа
Далее выполним расчёт усилителя сигнала генератора ВЧ а так же источников питания данной конструкции.
Практический расчёт узлов ионофона
Перед началом практического расчёта узлов ионофона необходимо определиться с типом применяемой элементарной базы.
Так как устройство имеет невысокий КПД высокую потребляемую мощность а так же должно работать без повреждений в критических режимах и режимах перегрузки в качестве усилительных элементов целесообразно применять радиолампы. Данные усилительные элементы полностью удовлетворяют поставленным требованиям.
Кроме того радиолампы способны работать при превышении паспортных значений тока и напряжения на аноде что так же повышает надёжность устройства в целом.
Ещё одной особенностью только радиоламп является возможность их работы в так называемом форсированном режиме. В данном режиме напряжение на аноде может быть в 2-3 раза выше паспортного значения. При этом радиолампа работает с большим КПД и как следствие может отдавать большую мощность по сравнению с паспортной. Недостатком данного режима является снижение срока службы радиолампы.
В отличие от транзисторов радиолампы не имеют входной нелинейности а основные параметры не зависят от изменений температуры окружающей среды (т.к. баллон лампы разогрет на порядок выше наибольшей рабочей температуры устройства).
Так же во время проектирования и расчёта будем стремиться использовать как можно больше готовых иили унифицированных узлов и радиокомпонентов.
1 Энергетический расчёт выходного каскада УНЧ
В качестве усилителя сигнала был спроектирован и рассчитан однотактный двухкаскадный универсальный модулирующий усилитель [20 30 33 36].
Схема электрическая принципиальная данного усилителя приведена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Схема электрическая принципиальная проектируемого усилителя.
Для расчёта зададимся следующими исходными данными:
Вычислим требуемую мощность лампы с учётом КПД выходного трансформатора:
– необходимая выходная мощность усилителя на заданной нагрузке;
– среднее КПД выходного трансформатора усилителя;
Р – требуемая мощность радиолампы Вт.
Мощность рассеиваемая на аноде выходной лампы усилителя в классе усиления А будет равна:
– мощность рассеиваемая на аноде выходной радиолампы Вт;
Выберем подходящую по рассеиваемой на аноде мощности радиолампу. Она должна с запасом не менее 20% рассеивать мощность вычисленную в (3.2). Таким образом следует выбирать радиолампу с максимально допустимой мощностью анода не менее:
– требуемая максимально-допустимая мощность выбираемой радиолампы Вт.
Данному критерию удовлетворяет выходной лучевой тетрод 6П3С с максимальной рассеиваемой мощностью анода равной 20.5 Вт [21 33].
По анодным характеристикам (АХ) определим основные энергетические параметры выходного каскада на радиолампе 6П3С построим оптимальную нагрузочную прямую. Для расчёта используем методику предложенную в [20].
На семействе анодных характеристик выберем характеристику соответствующую где – напряжение первой сетки В. Отметим на характеристике точку левее которой кривая начинает заметно спадать. Обозначим её точкой А. Соответствующее ей анодное напряжение называется остаточным. В данном случае оно равно . Ему соответствует максимальное значение анодного тока . (рис. 3.2).
В связи с использованием для питания усилителя унифицированного трансформатора напряжение питания примем равным 320 В.
При известном напряжении питания выберем ток покоя. Для этого выберем характеристику соответствующую малым токам анода. Пусть она будет при
. Обозначим точку пересечения характеристики и прямой напряжения питания точкой С. (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 – АХ 6П3С с выполненными построениями
Предельный размах колебаний на сетке (удвоенная амплитуда) – от 0 до -25В. Следовательно оптимальное смещение должно быть посередине этого интервала:
– оптимальное смещение на первой сетке 6П3С.
При данном оптимальном смещении определим ток покоя лампы. В данном случае он равен . Получим точку B соответствующую току покоя. (рис. 3.2).
Рассчитаем мощность в нагрузке:
Через точки А и B проведём прямую до пересечения с ранее выбранными характеристиками. Это и будет оптимальная нагрузочная характеристика (синяя прямая на рис. 3.2).
Наклон нагрузочной прямой соответствует сопротивлению нагрузки приведённому к первичной цепи трансформатора:
– напряжение питания В;
– остаточное напряжение В;
– максимальный ток анода мА;
– ток покоя анода мА.
Оптимальный коэффициент трансформации будет равен:
– сопротивление нагрузки приведённое к первичной цепи трансформатора Ом;
– сопротивление нагрузки Ом.
Предельную амплитуду анодного напряжения вычислим по формуле:
– остаточное напряжение В.
Предельную амплитуду анодного тока вычислим по формуле:
) Максимальная выходная мощность в данном режиме равна:
– предельная амплитуда тока анода А;
– предельная амплитуда напряжения анода В.
Проверим не превышена ли максимальная допустимая мощность рассеяния в режиме покоя. Она равна:
Максимальная допустимая мощность рассеивания 6П3С = 20.5 Вт что меньше полученного значения. Следовательно следует увеличить отрицательное напряжение смещения понизив ток покоя и повторить расчёт.
Примем . При этом ток покоя
Построим оптимальную нагрузочную прямую (красная линия) для данного режима аналогично предыдущей. (рис. 3.2).
Повторим расчёт энергетических параметров.
Предельную амплитуду анодного тока вычислим по формуле:
=155-60=95 мА (3.14)
Максимальная выходная мощность в данном режиме равна:
Максимальная допустимая мощность рассеивания 6П3С = 20.5 Вт что больше полученного значения.
Далее следует проверить не превышен ли максимальный допустимый ток анода. Для лампы 6П3С приведён ток эмиссии катода. Он складывается из тока анода и тока второй сетки. Следовательно максимальный ток анода для 6П3С будет равен: 267 мА что намного больше максимального рабочего расчётного тока каскада
Таким образом данный режим работы лампы является оптимальным при данном напряжении питания.
Вычислим значения напряжения и тока на аноде радиолампы при заданной выходной мощности . Для этого вычислим во сколько раз требуемая мощность нагрузки меньше максимальной выходной для заданного режима:
– максимальная выходная мощность лампы в заданном режиме Вт;
– требуемая мощность на выходе мощность нагрузки Вт.
Следовательно при выходной мощности равной 3 Вт напряжение и ток на аноде радиолампы уменьшится в 19 раза т.к .
– предельная амплитуда тока анода А.
– предельная амплитуда напряжения анода В
2. Расчёт элементов выходного каскада УНЧ
Вычислим параметры элементов смещения. Схема электрическая принципиальная выходного каскада показана на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 – Схема электрическая принципиальная выходного каскада УНЧ
Сопротивление катодного резистора R5 равно:
– оптимальное смещение на первой сетке В;
– ток покоя анода А.
По ряду Е24 примем R5=300 Ом
Мощность рассеиваемая на резисторе R5 равна:
– ток покоя анода мА;
– сопротивление катодного резистора Ом.
Сопротивление утечки R4 рекомендуется выбирать не более указанного в справочных данных. Для лампы 6П3С оно должно быть не более 500 кОм.
Примем по ряду Е24 R4=470 кОм.
Ёмкость конденсатора С13 равна:
S – крутизна характеристики лампы мАВ;
– нижняя граничная частота полосы усиления Гц.
По ряду Е24 примем С13 равным 150 мкФ.
Для уменьшения внутренней индуктивности блокирующего конденсатора С13 а так же для выравнивания АЧХ усилителя в области высоких частот звукового диапазона заблокируем его конденсатором С12 малой ёмкости. В качестве данного конденсатора рекомендовано использовать конденсаторы КСО СГМ и некоторые другие. Его ёмкость может лежать в пределах от 0.01 до 0.1 мкФ и подбирается экспериментально. [20]
Кроме того расчётную ёмкость конденсатора С13 лучше всего получить параллельным соединением нескольких конденсаторов разной ёмкости. Это обусловлено тем что более высокие частоты лучше проходят через более малую ёмкость а более низкие частоты через более большую.
Таким образом конденсатор С13 в конечной конструкции представляет собой параллельное соединение 2 конденсаторов. Первый из них МБГО ёмкостью 4 мкФ а второй К50-35 ёмкостью 2200 мкФ. Выбор высокой ёмкости обусловлен компенсацией естественного спада АЧХ в области низких частот в ламповом усилителе и спадом АЧХ на выходном трансформаторе [20].
Примем по ряду Е24 С12 равным 0.01 мкФ.
Вычислим значение сопротивления R6. Исходя из справочных данных [21] наибольшее напряжение на второй сетке лампы 6П3С не должно превышать 300 В. В данном случае в выходном каскаде лампа включена в триодном (тетродном) включении и к второй сетке через резистор R6 приложено напряжение питания за исключением падения на первичной обмотке выходного трансформатора (в триодном включении) равное 320 вольт. Следовательно на резисторе R6 должно падать:
– напряжение питания В.
– предельно допустимая мощность второй сетки 6П3С Вт.
– напряжение падения на резисторе R6 В;
– максимально допустимый ток второй сетки А;
Мощность рассеиваемая на резисторе R6 равна:
– гасящее сопротивление в цепи второй сетки Ом.
С учётом 20% запаса по мощности примем мощность резистора R6 равной 0.25 Ватта.
Так как в усилителе предусмотрено переключение между триодным и тетродным режимом работы выходной радиолампы в схему был введён тумблер S2.
В качестве данного тумблера подойдёт любой тумблер на номинальное напряжение не менее напряжения питания и рабочим током превышающим ток второй сетки. Данным условиям полностью удовлетворяет тумблер MTS-202.
Кроме того данный УНЧ предназначен для использования в качестве универсального модулирующего усилителя для построения различных конструкций как с непосредственной связью каскадов по постоянному току так и развязанных. Исходя из этого в схему был добавлен тумблер S3 галетный переключатель SA1 и эквиваленты анодных нагрузок R8-R18.
В качестве тумблера S2 подойдёт любой тумблер на рабочее напряжение не менее напряжения питания и ток превышающий максимальный ток анода лампы с учётом возможного потребляемого тока сетки последующего каскада при непосредственной связи каскадов. Данным требованиям полностью удовлетворяет тумблер MTS-202.
В качестве резисторов R8-R18 был использован следующий ряд резисторов: 1к 1к5 1к8 2к2 3к 3к6 4к3 4к7 5к1 6к8 10к мощностью 25 Вт. Данный выбор обусловлен возможностью плавного изменения режима работы как оконечного каскада усилителя так и последующего каскада при непосредственной связи каскадов. При этом повышается безопасность и удобство проведения исследований для различных рабочих режимов.
В качестве галетного переключателя SA1 подойдет любой переключатель с рабочим напряжением не менее напряжения питания и током не менее тока анода радиолампы 6П3С с учётом возможного потребляемого тока сетки последующего каскада при непосредственной связи каскадов. Данным условиям полностью удовлетворяет галетный переключатель 3П6НПМ.
3 Расчёт выходного согласующего трансформатора.
Произведём расчёт выходного согласующего трансформатора [23 24 25 29 33].
Определим необходимую индуктивность первичной обмотки L1:
Определим площадь поперечного сечения среднего стержня трансформатора:
индуктивность первичной обмотки трансформатора Гн.
По справочным данным выберем подходящий по площади среднего стержня сердечник трансформатора [26 35 38 41]. Для обеспечения полного размещения обмоток трансформатора создания надёжной межслойной и межобмоточной изоляции выберем сердечник с площадью сечения среднего стержня больше чем получено при расчёте.
Нашим требованиям удовлетворяет сердечник ШЛ 25х40 имеющий площадь сечения равную 85 . Его габаритные размеры a b c h соответственно равны: 12.5 40 25 62.5 мм. Длина средней магнитной силовой линии равна 21.3 см. Максимальная длина витка равна 142 мм.
Далее в расчётах в качестве средней длины витка будем использовать максимальную с целью обеспечить некоторый запас по рассчитываемым параметрам.
Рассчитаем количество витков первичной обмотки:
– длина средней магнитной силовой линии выбранного сердечника см;
– площадь поперечного сечения выбранного трансформатора
Рассчитаем количество витков вторичной обмотки:
– количество витков первичной обмотки шт;
– КПД трансформатора;
Диаметр провода первичной обмотки будет равен:
– средняя длина одного витка провода выбранного трансформатора мм;
– сопротивление нагрузки приведённое к первичной цепи трансформатора кОм.
Выберем в качестве обмоточного провода первичной обмотки ближайший по диаметру в большую сторону провод. Таким проводом является провод ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 0.23 мм [27 29 31 39 40 41].
С учётом толщины изоляции его диаметр будет равен 0.27 мм. Это следует учесть при проверке уместятся ли данные обмотки на выбранном сердечнике.
Диаметр провода вторичной обмотки будет равен:
– количество витков вторичной обмотки шт;
Выберем в качестве обмоточного провода первичной обмотки ближайший по диаметру в большую сторону провод. Таким проводом является провод ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 1 мм [27 29 31 39 40 41].
С учётом толщины изоляции его диаметр будет равен 1.07 мм. Это следует учесть при проверке уместятся ли данные обмотки на выбранном сердечнике.
При прохождении через первичную обмотку трансформатора постоянной составляющей анодного тока происходит постоянное дополнительное подмагничивание сердечника. В результате этого уменьшается индуктивность обмоток трансформатора и возрастают нелинейные искажения.
Для ослабления влияния подмагничивания между комплектом Ш-образных и замыкающих пластин должна быть размещена прокладка из немагнитного материала. Её толщина будет равна:
Проверим разместятся ли обмотки на выбранном трансформаторе. Для этого определим количество витков первичной обмотки в одном слое:
- высота сердечника мм;
– толщина щёчек катушки мм;
d1 – диаметр провода первичной обмотки с учётом изоляции.
Количество слоёв будет равно:
– количество витков в одном слое первичной обмотки шт.
Толщина первичной обмотки с учётом межслойной изоляции равна:
– количество слоёв первичной обмотки шт;
– диаметр провода первичной обмотки с учётом изоляции мм;
– толщина межслойной изолирующей прокладки мм.
При намотке в навал толщина первичной обмотки будет составлять:
– толщина первичной обмотки с учётом межслойной изоляции мм;
– коэффициент намотки равный отношению толщины обмотки намотанной виток к витку к толщине обмотки при другом типе намотки.
Определим количество витков вторичной обмотки в одном слое:
d2 – диаметр провода вторичной обмотки с учётом изоляции.
– количество витков в одном слое вторичной обмотки шт.
Толщина вторичной обмотки с учётом межслойной изоляции равна:
– количество слоёв вторичной обмотки шт;
– диаметр провода вторичной обмотки с учётом изоляции мм;
При намотке в навал толщина вторичной обмотки будет составлять:
– толщина вторичной обмотки с учётом межслойной изоляции мм;
Тогда общая толщина обмоток трансформатора при намотке в навал будет равна:
– толщина первичной обмотки при намотке в навал мм;
– толщина вторичной обмотки при намотке в навал мм;
– толщина межобмоточной изоляции мм.
Так как то обмотки на выбранном сердечнике разместятся.
В конечной конструкции в качестве выходного трансформатора был использован унифицированный трансформатор ТВ-2Ш-1 близкий по параметрам к рассчитанному выше.
Кроме того данный трансформатор имеет секционированную намотку первичной и вторичной обмоток что уменьшает их собственную ёмкость. Таким образом частично ликвидируется завал в области высоких частот звукового диапазона.
4 Энергетический расчёт каскада предварительного усиления
Рассчитаем приблизительно напряжение возбуждения [28]:
– коэффициент усиления выходной лампы раз;
– требуемая мощность лампы с учётом КПД трансформатора.
Приблизительный коэффициент усиления каскада предварительного усилителя будет равен:
– требуемое напряжение возбуждения В;
– номинальное напряжение на входе усилителя В.
Произведём расчёт каскада предварительного усиления [20 23 33].
В качестве каскада предварительного усиления была выбрана схема катодного повторителя с динамической нагрузкой. Данная схема позволяет уменьшить выходное сопротивление каскада примерно вдвое. При этом коэффициент усиления данной схемы практически не зависит от колебаний питающего напряжения.
Максимально достижимый коэффициент усиления в таком катодном повторителе равен . Таким образом в качестве лампы каскада предварительного усиления следует выбрать радиолампу с коэффициентом усиления не менее 2*. Данному условию соответствует радиолампа 6Н9С с коэффициентом усиления равным 70 [21 32].
Схема электрическая принципиальная каскада предварительного усиления показана на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 – Схема электрическая принципиальная каскада предварительного усиления
Так как в данном катодном повторителе лампы устанавливаются в одинаковый режим следовательно на анодах ламп напряжение будет одинаковым и равным половине напряжения питания (3202=160 В).
Из равенства режимов так же следует то что резисторы R2 и R3 будут равны между собой.
Расчёт начнём с расчёта режима нижнего (по схеме) триода. Для этого на АХ (рис. 3.5) отметим точку на оси напряжений анода соответствующую вольт [21].
Далее на оси токов анода отметим точку соответствующую максимальному допустимому току анода. В данном случае (рис. 3.5).
Соеденим полученные точки прямой. Данная прямая и будет оптимальной нагрузочной прямой для данного режима работы лампы. Точку пересечения с обозначим через А. Напряжение на сетке не может быть выше 0 Вольт. Кроме того при достигается максимальный ток анода для данного режима работы лампы. В данном случае (рис. 3.5).
Выберем на нагрузочной прямой точку соответствующую малым токам анода не заходя в область большой нелинейности. Пусть это будет точка В при . При этом (рис. 3.5).
Рисунок 3.5 – АХ радиолампы 6Н9С с выполненными построениями
Предельный размах колебаний на сетке (удвоенная амплитуда) – от 0 до -2 В. Следовательно оптимальное смещение должно быть посередине этого интервала (точка C):
– оптимальное смещение на сетке 6Н9С для данного режима работы.
При данном оптимальном смещении определим ток покоя лампы. В данном случае он равен . Получим точку С соответствующую току покоя (рис. 3.5).
5. Расчёт элементов каскада предварительного усиления
Вычислим значения сопротивлений R2 и R3 [20].
– напряжение смещения лампы 6Н9С в рабочей точке С;
– ток анода лампы 6Н9С в рабочей точке С.
По ряду Е24 примем R2=R3=1 кОм.
Примем мощность резисторов R2 и R3 равной 0.125 Вт.
Резистор R1 не рекомендуется выбирать более справочного значения.
Примем R1 равное 1 Мом.
Рассчитаем значение ёмкость блокирующего конденсатора С6. Ёмкостное сопротивление данного конденсатора на нижней граничной частоте полосы пропускания должно быть намного меньше параллельного соединения R2 и сопротивления лампы со стороны катода.
– крутизна характеристики лампы 6Н9С АВ;
– сопротивление резистора катодного автосмещения Ом.
Вычислим сопротивление параллельного соединения R2 и сопротивления лампы со стороны катода:
Примем для расчёта много меньше равным в 10 раз меньше. Следовательно емкостное сопротивление конденсатора С6 должно быть меньше:
Емкостное сопротивление конденсатора С6 на нижней граничной частоте полосы пропускания равно [31]:
– нижняя граничная частота полосы пропускания Гц.
Тогда ёмкость конденсатора С6 будет равна:
– емкостное сопротивление конденсатора С6 на нижней граничной частоте полосы пропускания Ом.
По ряду Е24 примем С6 равным 220 мкФ.
Аналогично выходному каскаду конденсатор С6 рекомендуется заблокировать конденсатором С5 малой ёмкости. Его ёмкость и тип аналогичен выходному каскаду.
По ряду Е24 С5 примем равным 0.01 мкФ.
По тем же причинам что и в выходном каскаде конденсатор С6 в конечной конструкции составлен параллельным соединением конденсатора МБГО ёмкостью 0.25 мкФ и К50-35 ёмкостью 470 мкФ [20].
Вычислим ёмкость конденсатора С1.
Емкостное сопротивление конденсатора С1 на нижней граничной частоте полосы пропускания должно быть много меньше R1.
Емкостное сопротивление конденсатора С1 на нижней граничной частоте полосы пропускания равно [31]:
Тогда ёмкость конденсатора С1 будет равна:
– нижняя граничная частота полосы пропускания Гц;
– емкостное сопротивление конденсатора С1 на нижней граничной частоте полосы пропускания Ом.
По ряду Е24 примем С1 равным 0.1 мкФ.
Так как на входе усилителя организован смеситель каналов конденсаторы С1 и С3 будут равны между собой. Следовательно ёмкость конденсатора С3 равна 0.1 мкФ.
По тем же причинам что С6 и С13 данные входные конденсаторы С1 и С3 рекомендовано заблокировать конденсаторами малой ёмкости С2 и С4 [20 24].
Примем по ряду Е24 С2=С4=0.01 мкФ.
Вычислим ёмкость конденсатора С7.
Емкостное сопротивление конденсатора С7 на нижней граничной частоте полосы пропускания должно быть много меньше R4.
Примем для расчёта много меньше равным в 10 раз меньше. Следовательно емкостное сопротивление конденсатора С7 должно быть меньше:
Емкостное сопротивление конденсатора С7 на нижней граничной частоте полосы пропускания равно [31]:
Тогда ёмкость конденсатора С7 будет равна:
– емкостное сопротивление конденсатора С7 на нижней граничной частоте полосы пропускания Ом.
По ряду Е24 примем С7 равным 0.18 мкФ.
Конденсатор С7 аналогично С1 С3 С6 С13 следует заблокировать конденсатором С8 малой ёмкости той же марки и номинала что и в ранее используемых конденсаторах [2022].
Примем по ряду Е24 С8 равным 0.01 мкФ.
6 Обобщённый расчет источника питания УНЧ
Произведём расчёт источника питания усилителя.
Схема электрическая принципиальная источника питания усилителя представлена на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – Схема электрическая принципиальная блока питания усилителя
Расчёт источника питания начнём с определения потребляемой усилителем мощности [37].
Определим потребляемый анодами и сетками ламп ток в усилителе:
– ток лампы 6П3С при максимальной отдаваемой для данного режима мощности А;
– ток сетки 6П3С при заданном напряжении питания А;
– максимальный ток лампы 6Н9С для данного режима работы А.
Потребляемая анодами и сетками мощность составит:
– потребляемый анодами и сетками ламп ток в усилителе А;
– используемое напряжение питания В.
Рассчитаем потребляемый накалами радиоламп усилителя ток:
– ток накала радиолампы 6П3С А;
– ток накала радиолампы 6Н9С А.
Потребляемая накалами радиоламп мощность составит:
– потребляемый накалами радиоламп усилителя ток А;
– напряжение накалов радиоламп усилителя В.
Тогда потребляемая усилителем мощность будет равна:
– мощность потребляемая анодами и сетками ламп усилителя Вт;
– мощность потребляемая накалами радиоламп усилителя Вт.
В качестве выпрямителя для питания анодных и сеточных цепей усилителя применим мостовую гибридную полупроводниково-вакуумную схему выпрямления. Схема электрическая принципиальная данного выпрямителя показана на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 – Схема электрическая принципиальная выпрямителя питания анодных и сеточных цепей УНЧ.
Данный выпрямитель обладает преимуществами как в отношении чисто полупроводниковой схемы так и чисто вакуумной (кенотронной).
Во-первых применение двух полупроводниковых диодов благодаря применению мостовой схемы позволяет обойтись без удвоения числа витков анодной обмотки трансформатора.
Во-вторых как и любой кенотронный выпрямитель данный выпрямитель обеспечивает задержку появления анодного напряжения при включении что положительно сказывается на сроке службы мощных выходных ламп усилителя [20].
Для получения низкого уровня пульсаций на выходе выпрямителя применён трёхзвенный сглаживающий фильтр питания. Схема электрическая принципиальная данного фильтра показана на рисунке 3.8.
При расчёте фильтра питания анодных цепей УНЧ амплитуда напряжения пульсаций не должна превышать 0.5-1% [38].
Рисунок 3.8 – Схема электрическая принципиальная фильтра питания анодных цепей УНЧ
Для использованного в усилителе напряжения питания амплитуда пульсаций составит:
– напряжение питания усилителя В;
- рекомендуемое напряжение пульсаций %.
Так как в выпрямителе применены вакуумные вентили (кенотроны) ёмкость конденсатора С14 незначительна (выбирается в соответствии с применяемыми кенотронами) и не учитывается при расчёте сглаживающих свойств фильтра а так же коэффициента пульсаций на входе фильтра и напряжения переменной составляющей.
Конденсаторы фильтра при достаточной ёмкости заряжаются до амплитудного значения напряжения выпрямителя и отдают в нагрузку постоянное сглаженное напряжение такой же величины [38]. Тогда действующее напряжение на выходе фильтра с учётом выше сказанного будет равно:
– напряжение питания усилителя В.
Напряжение пульсаций при мостовой схеме выпрямления составляет 67%.
Вычислим действующее значение напряжения пульсаций на входе сглаживающего фильтра:
– действующее напряжение на выходе выпрямителя В;
- напряжение пульсаций на выходе выпрямителя %.
Тогда требуемый коэффициент сглаживания будет равен:
– напряжение пульсаций на входе сглаживающего фильтра В;
– допустимая амплитуда напряжения пульсаций для УНЧ В.
В данном фильтре в качестве дросселя Др.1 применён унифицированный дроссель Др-2ЛМ-К индуктивностью 2.1 Гн.
Зная индуктивность дросселя Др.1 вычислим ёмкость конденсатора С15. Она равна:
– требуемый коэффициент сглаживания;
– индуктивность дросселя Др.1 Гн.
По ряду Е24 С15 примем равной 62 мкФ.
Конденсатор С16 является блокировочным для высокочастотных сетевых помех а так же совместно с конденсатором С18 и дросселем Др.2 входит в фильтр подавления синфазных высокочастотных помех широкого спектра действия. Ёмкость данных конденсаторов не является критичной и обычно выбирается в пределах 0.01-0.1 мкФ.
Примем по ряду Е24 С16=С17=0.1 мкФ.
В качестве дросселя Др.2 применён унифицированный дроссель PLA10 индуктивностью 43 мГн предназначенный для подавления синфазных помех [46].
7 Конструктивный расчет дросселя питания Др.1
Произведём конструктивный расчёт дросселя Др.1 при изготовлении его вручную [38 39 44].
Определим минимальный объём железа сердечника дросселя:
– индуктивность дросселя Др.1 Гн;
– суммарный потребляемый анодными и сеточными цепями ток мА.
По справочным данным выберем подходящий по параметрам сердечник [26 35 38 41]. Нашим условиям удовлетворяет сердечник Ш-19 со следующими параметрами:
Если дроссель работает в режиме с малым подмагничиванием то зазор в сердечнике не делается. Данный режим работы задаётся при выполнении следующего условия:
– суммарный потребляемый анодными и сеточными цепями ток А.
– объём железа выбранного сердечника .
Определим режим работы дросселя:
Так как следовательно условие 3.70 не выполняется. Из этого следует что дроссель работает с сильным подмагничиванием и в его сердечнике необходимо сделать зазор.
Количество витков обмотки дросселя будет равно:
– суммарный потребляемый анодными и сеточными цепями ток мА;
– сечение сердечника ;
Для приближённого расчёта можно воспользоваться выражением:
– сечение сердечника .
Таким образом сравнивая результаты приближённого и точного расчёта количества витков можно заметить что приближённый расчёт даёт значительно большее количество витков обмотки дросселя что при реальных рабочих условиях даст более высокое значение индуктивности дросселя. Повышение индуктивности приведёт к повышению коэффициента сглаживания фильтра что положительно скажется на работе усилителя в целом уменьшив фон переменного тока электроосветительной сети на выходе.
Кроме того данный дроссель обладает активным сопротивлением и согласно закону Ома на нём падает некоторая часть питающего напряжения. Это следует учитывать при расчёте анодной обмотки силового трансформатора.
Повышение напряжения из-за учёта активного сопротивления дросселя приведёт к незначительному повышению напряжения пульсаций (выражение 3.66) на входе фильтра по сравнению с рассчитанным ранее значением но благодаря повышению реальной индуктивности дросселя при использовании приближённого расчёта данным повышением можно пренебречь и не производить корректировку и перерасчёт ёмкости конденсатора С15.
Длина оптимального зазора будет равна:
– количество витков обмотки дросселя шт;
При расчёте дросселя не следует выбирать его активное сопротивление слишком большим т.к при этом по закону Ома на данном активном сопротивлении будет падать большое значение напряжения.
Примем активное сопротивление дросселя равным 50 Ом. Тогда падение напряжения на нём составит:
– суммарный потребляемый анодными и сеточными цепями ток А;
– активное сопротивление дросселя Др.1 Ом.
Минимальный диаметр провода обмотки дросселя будет равен:
– активное сопротивление дросселя Др.1 Ом;
– длина среднего витка выбранного сердечника см.
Принимая плотность тока равной 2 А минимальный диаметр вычисляется по формуле:
При плотности тока равной 2.5 А минимальный диаметр провода будет равен:
– длина среднего витка выбранного сердечника см;
Из рассчитанных в выражениях 3.77-3.79 диаметров провода выбирают наибольшее значение. В данном случае .
Выберем в качестве обмоточного провода первичной обмотки ближайший по диаметру в большую сторону провод. Таким проводом является провод ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 0.51 мм [27 29 31 39 40 41]. С учётом толщины изоляции его диаметр будет равен 0.56 мм.
Проверим разместится ли обмотка дросселя на выбранном трансформаторе. Для этого определим количество витков обмотки в одном слое:
– диаметр провода обмотки дросселя с учётом изоляции мм.
– количество витков в одном слое дросселя шт.
Толщина обмотки дросселя с учётом межслойной изоляции будет равна:
– количество слоёв обмотки дросселя шт;
– диаметр провода обмотки дросселя с учётом изоляции мм;
При намотке в навал толщина обмотки будет составлять:
– толщина обмотки дросселя с учётом межслойной изоляции мм;
– коэффициент намотки равный отношению толщины обмотки намотанной виток к витку к толщине обмотки при другом типе намотки.
Так как то обмотка дросселя на выбранном трансформаторе не разместится. Следовательно следует выбрать больший по размеру сердечник и повторить расчёт.
По справочным данным выберем больший по параметрам сердечник [26 35 38 41]. Нашим условиям удовлетворяет сердечник Ш-19 со следующими параметрами:
Так как следовательно условие 3.84 не выполняется. Из этого следует что дроссель работает с сильным подмагничиванием и в его сердечнике необходимо сделать зазор.
Количество витков дросселя будет равно:
Аналогично предварительному расчёту на меньшем сердечнике выберем в качестве намоточных данных дросселя и данных для дальнейших расчётов результат при котором получилось большее количество витков. В данном случае большее количество витков получилось при приближённом расчете количества витков обмотки дросселя (выражение 3.88).
Из рассчитанных в выражениях 3.91-3.93 диаметров провода выбирают наибольшее значение. В данном случае .
Выберем в качестве обмоточного провода первичной обмотки ближайший по диаметру в большую сторону провод. Таким проводом является провод ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 0.41 мм [27 29 31 39 40 41]. С учётом толщины изоляции его диаметр будет равен 0.45 мм.
Так как то обмотка дросселя на выбранном трансформаторе разместится.
8 Конструктивный расчет дросселя питания Др.2
Для расчёта параметров дросселя Др.2 при изготовлении его вручную воспользуемся специализированной бесплатной программой Coil32 [47].
Окно программы с произведённым расчётом показано на рисунке 3.9.
Для расчёта после запуска программы следует в левом списке выбрать форму катушки. В нашем случае это катушка на ферритовом кольце. В качестве кольца использовано ферритовое кольцо К20*12*6 марки М2000НМ1-36 а диаметр провода выбирается исходя из ранее проведённого расчёта (выражения 3.91-3.93). После этого нужно заполнить соответствующие поля программы и произвести расчёт. Результат расчёта показан в правой части окна (рис.3.9).
Таким образом для изготовления каждой обмотки дросселя Др.2 вручную нужно на кольце К20*12*6 намотать 190 витков ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 0.41 мм.
Рисунок 3.9 – Окно программы Coil32 с проведёнными вычислениями
Обмотки дросселя мотаются одновременно т.е. намотка ведётся сразу в два провода. Это необходимо для получения одинаковых параметров обмоток дросселя и более лучшего подавления синфазной помехи.
Проверку вместимости обмоток на данном кольце проведём так же в программе Coil32. Каждая обмотка дросселя Др.2 содержит по 190 витков провода диаметром 0.41 мм. С учётом изоляции диаметр провода составит 0.45 мм [27 29 31 39 40 41]. Таким образом для проверки размещения обмоток дросселя на выбранном кольце нужно проверить разместится ли на данном кольце 380 витков (180*2=320) провода диаметром 0.45 мм.
Известно что зависимость индуктивности от количества витков при оценочном расчёте можно считать квадратичной. Таким образом увеличив в расчёте диаметр провода до 0.45 мм и индуктивность в 4 раза (т.к у нас 2 обмотки по 180 витков т.е увеличилось количество витков в 2 раза) можно оценить разместятся ли обмотки на данном кольце (при этом количество витков примерно будет соответствовать расчётному значению).
Результаты расчёта показаны на рисунке 3.10.
Рисунок 3.10 – Результаты проверки вместимости обмоток дросселя Др.2 на выбранном кольце.
Из рисунка 3.10 видно что обмотки дросселя на выбранном кольце разместятся т.к при недостаточном внутреннем диаметре кольца в расчётной части справа появляется специальное предупреждение о невозможности реализации данной катушки.
На этом расчёт параметров дросселя Др.2 можно считать законченным.
9 Расчёт емкостного сглаживающего фильтра
Третьим звеном сглаживающего фильтра является емкостной фильтр. Роль сглаживающей пульсации ёмкости выполняет конденсатор С17 [39 44].
Известно что для эффективной работы емкостного сглаживающего фильтра емкостное сопротивление должно быть много меньше сопротивления нагрузки . Для практического расчёта выбирают не менее чем в 10 раз (в реальных фильтрах обычно в 100 раз и более) [39].
Вычислим сопротивление нагрузки данного фильтра (эквивалентное сопротивление УНЧ):
Следовательно емкостное сопротивление конденсатора для данной нагрузки должно быть не более:
– сопротивление нагрузки фильтра Ом.
Ёмкость конденсатора будет равна:
– частота пульсаций на входе фильтра Гц;
– требуемое емкостное сопротивление конденсатора на частоте пульсаций входного сигнала Ом.
По ряду Е24 примем С17=82 мкФ.
10 Расчёт выпрямителя питания анодных и сеточных цепей
Таким образом закончив расчёт сглаживающего трёхзвенного фильтра для питания анодных и сеточных цепей УНЧ перейдём к расчёту выпрямителя для питания данного фильтра [20 40 41 42]. Схема выпрямителя показана на рисунке 3.11.
Рисунок 3.11 – Схема электрическая принципиальная выпрямителя питания анодных и сеточных цепей УНЧ
Зная напряжение питания усилителя и падение напряжения на дросселе Др.1 вычислим требуемую амплитуду напряжения на выходе выпрямителя.
– падение напряжения на активном сопротивлении дросселя Др.1 В;
Тогда действующее значение напряжения на выходе выпрямителя будет равно:
– амплитудное значение напряжения на выходе выпрямителя В.
Так как в выпрямителе использована мостовая схема выпрямления то через каждое плечо выпрямителя (а следовательно и через каждый вентиль) протекает только половина потребляемого тока. Таким образом ток через вентиль будет равен:
Для обеспечения надёжной работы выпрямительных вентилей необходимо обеспечить не мене чем 20% запас по току. Таким образом выпрямленный ток каждого вентиля должен быть не менее:
– расчетный ток каждого вентиля без запаса А.
Обратное напряжение приложенное к каждому выпрямительному вентилю будет равно:
– амплитудное значение напряжения на выходе выпрямителя (напряжение на нагрузке выпрямителя входе сглаживающего фильтра) В;
Для обеспечения надёжной работы выпрямительных вентилей необходимо обеспечить не менее чем 20% запас по напряжению. Тогда обратное напряжение каждого вентиля должно быть не менее:
– обратное напряжение приложенное к каждому вентилю без учёта запаса по напряжению В.
В качестве полупроводниковых выпрямительных вентилей (диодов) VD1 VD2 применим диоды 1N4007 с действующим значением обратного напряжения равным 700 Вольт и выпрямленным током равным [48].
В качестве вакуумных вентилей (кенотронов) Ла3 Ла4 применим двух анодные кенотроны 6Ц5С с выпрямленным током каждого анода равным 70 мА (70*2=140 мА – выпрямленный суммарный ток каждого кенотрона) и действующим значением обратного напряжения равном 750 Вольт [21 41 44 45].
Ёмкость конденсатора С14 выбирается исходя из справочного параметра ёмкости фильтра для выбранного типа кенотрона. Так как ёмкость фильтрующего конденсатора дана для одного кенотрона в целом а в данном выпрямителе применён свой кенотрон для каждого плеча то ёмкость конденсатора фильтра будет равна удвоенному справочному параметру ёмкости фильтра. Ёмкость конденсатора С14 равна:
– справочная ёмкость фильтра кенотрона 6Ц5С мкФ.
По ряду Е24 С14 примем равной 16 мкФ.
Вычислим падение напряжения на кенотронах Ла3 Ла4 при максимальном потребляемом анодными и сеточными цепями токе. Для этого воспользуемся АХ 6Ц5С. Она показана на рисунке 3.8 [21 41 45].
Для определения падения напряжения на каждом кенотроне выпрямителя следует учесть следующее:
) Анодная характеристика в справочнике приведена для каждого диода (анода) кенотрона а не суммарная для двух диодов (анодов).
) Через каждое плечо выпрямителя а следовательно в данном случае и через каждый кенотрон протекает только половина тока нагрузки.
) Так как применено параллельное соединение анодов (диодов) кенотрона следовательно внутреннее сопротивление уменьшится в 2 раза и по закону Ома падение напряжения на каждом кенотроне будет меньше в 2 раза.
Учитывая что через каждое плечо выпрямителя протекаешь лишь половина тока нагрузки (0.16А2=80мА) на оси токов анода отметим точку с током анода равным 80 мА (рис. 3.12).
Рисунок 3.12 – АХ радиолампы 6Ц5С с выполненными построениями
Опустим перпендикуляр до пересечения с АХ. Точку пересечения обозначим через А. Из данной точки опустим перпендикуляр на ось напряжений анода. Полученное значение напряжения и будет падением напряжения на одном диоде кенотрона. В данном случае (рис. 3.12).
Так как применено параллельное соединение анодов (диодов) кенотрона следовательно по закону Ома внутреннее сопротивление в 2 раза меньше чем у одного диода и при том же значении протекающего тока падение напряжения на данном кенотроне будет в 2 раза меньше. Падение напряжения на каждом кенотроне составит:
– падение напряжения на одном аноде (диоде) кенотрона В.
Следовательно на вакуумной (кенотронной) части выпрямителя будет падать:
– напряжение падения на каждом кенотроне выпрямителя В.
Так как в качестве полупроводниковых выпрямительных вентилей (диодов) VD1 VD2 применены кремниевые диоды 1N4007 то падение напряжения на каждом из них составит Вольта. Следовательно падение напряжения на полупроводниковой (диодной) части выпрямителя будет равно:
– падение напряжения на диоде 1N4007 В.
Тогда суммарное падение напряжения на выпрямителе составит:
– падение напряжения на вакуумной (кенотронной) части выпрямителя В;
– падение напряжения на полупроводниковой (диодной) части выпрямителя В.
Зная падение напряжения на выпрямителе падение напряжения на дросселе Др.1 и требуемое напряжения питания усилителя несложно вычислить напряжение вторичной обмотки трансформатора Tr2. Оно будет равно:
– действующее значение напряжения на выходе выпрямителя (на входе фильтра) В;
– напряжение падения на выпрямителе В.
Ток вторичной обмотки II трансформатора Tr2 должен быть не менее потребляемого усилителем тока и 20% запаса для обеспечения надёжной работы трансформатора плюс следует так же учесть что действующее значение тока вторичной обмотки при двухполупериодном выпрямлении больше тока нагрузки в раз [50]. Тогда ток вторичной обмотки II трансформатора Tr2 составит:
– потребляемый анодами и сетками ламп ток в усилителе А.
11 Расчет цепей питания накалов радиоламп
Далее перейдём к расчёту цепей питания накалов радиоламп [39 40 41 42 43 44]. Схема электрическая принципиальная питания накальных цепей представлена на рисунке 3.13.
Рисунок 3.13 – Схема электрическая принципиальная питания накальных цепей УНЧ.
Следует учесть что кроме ламп усилителя от данных цепей питаются накалы кенотронов выпрямителя Ла3 и Ла4. Суммарный ток потребляемый накалами всех ламп составит:
– ток накала кенотрона выпрямителя 6Ц5С А.
Вычислим сопротивление нагрузки данного фильтра (сопротивление параллельно соединённых накалов радиоламп):
– напряжение питания накалов радиоламп В;
– суммарный потребляемый накалами радиоламп ток А.
– сопротивление нагрузки фильтра ( сопротивление параллельно соединенных накалов радиоламп) Ом.
– требуемое емкостное сопротивление конденсатора фильтра накала на частоте пульсаций входного напряжения Ом.
По ряду Е24 примем =6200 мкФ.
Для снижения токовой нагрузки на конденсатор фильтра повышения надежности фильтра в качестве конденсатора применим параллельное соединение конденсаторов С19-С22. Тогда ёмкость каждого конденсатора будет равна:
По ряду Е24 примем С19=С20=С21=С22=1600 мкФ.
В качестве выпрямителя VDS1 применим мостовую полупроводниковую схему выпрямления. Мостовая схема выбрана по тем же причинам что и в предыдущем случае.
Диоды выпрямителя должны быть рассчитаны на ток не менее суммарного тока потребления накалами радиоламп и 20% запаса для обеспечения их надёжной работы. Кроме того следует учесть что через каждое плечо (а следовательно и через каждый диод выпрямителя) выпрямителя течёт лишь половина тока нагрузки. Следовательно ток каждого диода должен быть не меньше:
К каждому диоду во время работы выпрямителя приложено обратное напряжение равное:
– напряжение накала радиоламп В.
Для обеспечения надёжной работы моста следует сделать 20% запас по напряжению. Следовательно обратное напряжение приложенное к каждому диоду моста с учётом запаса будет равно:
– обратное напряжение приложенное к каждому диоду моста без обеспечения запаса В.
В качестве диодного моста VDS1 используем мост W005M с обратным напряжением равным 50 В и максимальным прямым током через каждое плечо (выпрямленным за полупериод током через каждый диод) равным 1.5 А [49].
Известно что конденсаторы фильтра заряжаются до амплитудного значения напряжения на выходе выпрямителя. Следовательно действующее значение напряжения на выходе выпрямителя для питания накала будет равно:
На каждом кремниевом диоде моста VDS1 падает Вольта. Следовательно на мосте VDS1 падение напряжения составит:
– падение напряжения на каждом диоде моста VDS1 В.
Учитывая падение напряжения на диодном мосте VDS1 и необходимое действующее напряжение питания накалов радиоламп вычислим действующее значение напряжения на вторичной обмотке III трансформатора Tr2. Оно составит:
– действующее значение напряжения на выходе выпрямителя для питания накалов ламп В;
– падение напряжения на диодном мосте VDS1 В.
Ток вторичной обмотки III трансформатора Tr2 должен быть не менее потребляемого всех радиоламп тока и 20% запаса для обеспечения надёжной работы трансформатора плюс следует так же учесть что действующее значение тока вторичной обмотки при двухполупериодном выпрямлении больше тока нагрузки в раз [50]. Тогда ток вторичной обмотки III трансформатора Tr2 составит:
12 Конструктивный расчет трансформатора питания Tr2
Произведём конструктивный расчёт трансформатора Tr2 при изготовлении его вручную [38 39 41 44].
Определим суммарную мощность вторичных обмоток трансформатора:
– действующее значение напряжения вторичной обмотки II траснформатора Tr2 В;
– действующе значение тока вторичной обмотки II трансформатора Tr2 А;
– действующее значение напряжения вторичной обмотки III траснформатора Tr2 В;
– действующе значение тока вторичной обмотки III трансформатора Tr2 А.
Определим силу тока в первичной обмотке трансформатора:
– суммарная мощность вторичных обмоток трансформатора В*А;
– напряжение питания (электроосветительной сети) В.
Принимая плотность тока в обмотках трансформатора равной найдём диаметр провода каждой обмотки трансформатора.
Диаметр провода первичной обмотки I будет равен:
– ток первичной обмотки I трансформатора Tr2 А.
Выберем в качестве обмоточного провода первичной обмотки ближайший по диаметру в большую сторону провод. Таким проводом является провод ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 0.57 мм [27 29 31 39 40 41]. С учётом толщины изоляции его диаметр будет равен 0.62 мм.
Диаметр провода вторичной обмотки II будет равен:
– ток вторичной обмотки II трансформатора Tr2 А.
Выберем в качестве обмоточного провода первичной обмотки ближайший по диаметру в большую сторону провод. Таким проводом является провод ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 0.44 мм [27 29 31 39 40 41]. С учётом толщины изоляции его диаметр будет равен 0.48 мм.
Диаметр провода вторичной обмотки III будет равен:
Выберем в качестве обмоточного провода первичной обмотки ближайший по диаметру в большую сторону провод. Таким проводом является провод ПЭВ-1 с диаметром жилы равной 1.62 мм [27 29 31 39 40 41]. С учётом толщины изоляции его диаметр будет равен 1.70 мм.
По таблице (Рисунок 3.9) определяем коэффициенты заполнения по меди с учётом выбранного типа изоляции для каждого из проводов обмоток [38].
Рисунок 3.9 – Таблица коэффициентов заполнения с учётом выбранной изоляции
Для первичной обмотки I трансформатора Tr2 коэффициент заполнения для вторичной обмотки I трансформатора Tr2 коэффициент заполнения для вторичной обмотки III трансформатора Tr2 коэффициент заполнения .
Найдём средний коэффициент заполнения по меди будет равен:
– коэффициент заполнения для провда первичной обмотки I трансформатора
- коэффициент заполнения для провда вторичной обмотки II трансформатора
- коэффициент заполнения для провда вторичной обмотки III трансформатора Tr2.
По таблице (Рисунок 3.10) определяем необходимые значения индукции и КПД трансформатора [38].
Рисунок 3.10 – Таблица определения индукции КПД и плотности тока в обмотках трансформатора по известной полной мощности.
Так как то значение магнитной индукции КПД трансформатора .
Для выбора типа и размера сердечника найдём значение произведения площади окна сердечника на площадь железа :
– значение магнитной индукции трансформатора Tr2 гс;
– полная мощность вторичных обмоток трансформатора Tr2 В*А;
– КПД трансформатора
– средний коэффициент заполнения окна проводом по меди трансформатора
- плотность тока в обмотках трансформатора .
По справочным данным [26 35 38 41] выберем подходящий по параметрам сердечник. Наиболее подходящим будет сердечник Ш-25 со следующими параметрами:
Число витков первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 будет равно:
– напряжение первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 В;
- плотность тока в обмотках трансформатора
Число витков вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 равно:
– напряжение вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 В;
– напряжение вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 В;
Проверим разместятся ли обмотки трансформатора на выбранном трансформаторе. Для этого определим количество витков первичной (I) обмотки в одном слое:
– диаметр провода первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 с учётом изоляции мм.
Количество слоёв первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 будет равно:
– количество витков первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 шт;
– количество витков в одном слое первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 шт.
Толщина обмотки (I) трансформатора Tr2 с учётом межслойной изоляции будет равна:
– количество слоёв первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 шт;
– диаметр провода первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 с учётом изоляции мм;
– толщина первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 с учётом межслойной изоляции мм;
Количество витков вторичной (II) обмотки в одном слое:
– диаметр провода вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 с учётом изоляции мм.
Количество слоёв вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 будет равно:
– количество витков вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 шт;
– количество витков в одном слое вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 шт.
Толщина обмотки (II) трансформатора Tr2 с учётом межслойной изоляции будет равна:
– количество слоёв вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 шт;
– диаметр провода вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 с учётом изоляции мм;
– толщина вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 с учётом межслойной изоляции мм;
Количество витков вторичной (III) обмотки в одном слое:
– диаметр провода вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 с учётом изоляции мм.
Количество слоёв вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 будет равно:
– количество витков вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 шт;
– количество витков в одном слое вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 шт.
Толщина обмотки (III) трансформатора Tr2 с учётом межслойной изоляции будет равна:
– количество слоёв вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 шт;
– диаметр провода вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 с учётом изоляции мм;
– толщина вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 с учётом межслойной изоляции мм;
Тогда общая толщина обмоток трансформатора Tr2 будет равна:
– толщина первичной обмотки (I) трансформатора Tr2 при намотке в навал мм;
– толщина вторичной обмотки (II) трансформатора Tr2 при намотке в навал мм;
– толщина вторичной обмотки (III) трансформатора Tr2 при намотке в навал мм.
Так как то обмотка трансформатора на выбранном трансформаторе не разместится. Следовательно следует выбрать больший по размеру сердечник и повторить расчёт.
По справочным данным [26 35 38 41] выберем больший чем в предыдущем случае по параметрам сердечник и повторим расчёт. Наиболее подходящим будет сердечник Ш-25 со следующими параметрами:
Так как то обмотка трансформатора на выбранном трансформаторе разместится. Следовательно на этом конструктивный расчет трансформатора Tr2 можно считать оконченным.
Практические испытания узлов ионофона
После проведения теоретических расчётов узлов ионофона по полученным результатам расчёта был сконструирован рабочий макет ионофона были замерены основные параметры универсального модулирующего усилителя проведена субъективная оценка качества звуковоспроизведения.
Универсальный модулирующий усилитель должен работать как в классическом режиме (нагруженный на акустическую систему) так и в режиме ионофона.
При практических измерениях использовались следующие приборы и измерители:
- измеритель нелинейных искажений С6-11;
- генератор сигналов Г3-122;
Все измерения проведённое аудиоанализатором проводились относительно опорного уровня равного 1 В.
На рисунке 4.1 представлен результат измерения внутренних (собственных) шумов усилителя. Для проведения данных измерений вход усилителя соединяют с общим проводом шины питания. Таким образом ликвидируются всевозможные посторонние наводки на вход усилителя.
Из рисунка 4.1 видно что наиболее выражены в спектре фона частоты 50 Гц 100 Гц и чётные ей гармоники а так же суммарные и разностные частоты вплоть до 500 Гц.
Наводка 50 Гц – это фон электроосветительной питающей сети. В спроектированном усилителе уровень данной помехи относительно опорного уровня составляет минус 37 дБ что приближённо равно 14 мВ [52 53].
Источником данного фона в усилителе является силовой трансформатор который порождает вокруг себя электромагнитные колебания данной частоты. Для уменьшения данной составляющей фона в законченном усилителе следует уменьшить магнитную связь силового и выходного трансформаторов. Для этого следует расположить их в разных плоскостях в идеале перпендикулярно друг другу. Кроме данной меры так же следует применить экранирование лампы каскада предварительного усиления специальным металлическим кожухом. Все цепи прохождения сигнала следует выполнять экранированным проводом заземляя экран только с одной стороны.
Рисунок 4.1 –Внутренние (собственные) шумы усилителя
Наводка 100 Гц чётные ей гармоники а так же суммарные и разностные компоненты (вплоть до 500 Гц) – это результат недостаточной фильтрации анодного и накального напряжений. В спроектированном усилителе уровень помехи 100 Гц относительно опорного уровня составляет минус 42 дБ что приближённо равно 8 мВ; уровень помехи 150 Гц – около минус 45 дБ что приближённо равно 5.5 мВ; уровень помехи 200 Гц – около минус 40 дБ что приближённо равно 10 мВ [52 53].
Для борьбы с данной помехой следует улучшить фильтрацию анодного напряжения увеличив коэффициент фильтрации LC и C фильтров. Т.к. в схеме использована полупроводниково-вакуумная мостовая схема выпрямления следовательно нельзя просто увеличить ёмкость фильтрующих конденсаторов это приведёт к значительному повышению зарядного тока что приведёт к уменьшению срока службы кенотронов и как следствие более раннему выходу их из строя. Целесообразнее увеличить для начала индуктивность дросселя Др.1 фильтра анодного напряжения для уменьшения пикового значения зарядного тока в начальный момент времени а лишь затем увеличить ёмкости фильтрующих конденсаторов. Так же следует улучшить фильтрацию накального напряжения. Для этого нужно увеличить ёмкости фильтрующих конденсаторов [43]. Так же питание цепей накалов следует выполнять двумя свитыми проводами (витой парой) делая 2-3 оборота вокруг ферритового кольца.
Начиная с частоты 1 кГц и выше наблюдается резкий спад амплитуды гармонических составляющих. Это связано с применением в цепи фильтрации анодного напряжения встречно-параллельного сглаживающего фильтра. В данном усилителе уровень помехи 1000 Гц относительно опорного уровня составляет минус 55 дБ что приближённо равно 1.8 мВ; а уровень помехи 10 кГц – около минут 80 дБ что приближённо равно 100 мкВ [52 53].
После измерения внутренних (собственных) шумов усилителя проанализировали гармонический состав сигнала на выходе усилителя. Для этого на выход усилителя подключили эквивалент нагрузки сопротивлением 4 Ома имеющий чисто активный тип нагрузки. На вход был подан уровень сигнала равный 0.1 В заведомо ниже максимального с частотой равной 1 кГц.
При анализе полученного результата следует учесть что результат измерений представляет собой сумму гармонических составляющих поданного сигнала и собственных шумов усилителя (т.е. THD+N).
Результат измерений представлен на рисунках 4.2 и 4.3.
Рисунок 4.2 – Результат измерений спектра при уровне 0.1 В.
Рисунок 4.3 – Результат измерения выходных параметров при входном уровне равном 0.1 В.
Из рисунка 4.2 видно что относительно опорного уровня уровень 2 гармоники (2 кГц) составляет минус 60 дБ что приближённо равно 1 мВ; уровень 3 гармоники – минус 55 дБ что приближённо равно 1.8 мВ [52 53]. Суммарный уровень всех гармоник в рабочей полосе частот составляет минус 40.936 дБ что приближённо равно 0.9% или 9 мВ [52 53]. Спектр является классическим.
На рисунках 4.4 и 4.5 представлены результаты измерений гармонического состава выходного сигнала при входном уровне равном 0.25 В.
Рисунок 4.4 – Результат измерений спектра при уровне 0.25 В.
По полученному спектру (рис. 4.4) видно увеличение числа высокочастотных гармоник что говорит о переходе усилителя в режим плавного ограничения сигнала. Данного ограничения визуально на осциллографе по форме сигнала на выходе не наблюдается. Плавное ограничение амплитуды выходного сигнала является одной из качественных характеристик усилителя построенного без общих отрицательных обратных связей (ООС).
Относительно опорного уровня уровень 2 гармоники (2 кГц) составляет минус 54.9 дБ что приближённо равно 1.8 мВ; уровень 3 гармоники – минус 45 дБ что приближённо равно 5.6 мВ [52 53].
Рисунок 4.5 – Результат измерения выходных параметров при входном уровне равном 0.25 В.
Суммарный уровень всех гармоник в рабочей полосе частот (рис. 4.5) составляет минус 32.579 дБ что приближённо равно 2.35% или 23 мВ [52 53]. Спектр является классическим.
В таблицах 2 3 приведены результаты замеров АЧХ при входном уровне равном 0.2 В.
Результаты замеров АЧХ в вольтах при входном уровне равном 0.2 В.
Результаты замеров АЧХ в децибелах при входном уровне равном 0.2 В.
На рисунке 4.6 представлен график АЧХ построенный по экспериментальным данным в логарифмическом масштабе по шкале частот.
Рисунок 4.6 – АЧХ спроектированного усилителя в децибелах
По результатам практических измерений можно сделать вывод о том что спроектированный усилитель соответствует поставленным требованиям.
Кроме того за время испытаний было зафиксировано свечение баллона выходного лучевого тетрода 6П3С. Данное свечение показано на рисунке 4.7.
Рисунок 4.7 – Свечение баллона 6П3С.
Данное свечение появилось в процессе эксплуатации усилителя в типовом режиме. В первые 20-50 часов было практически незаметно и со временем усиливалось. Последующие 400-500 часов свечение было интенсивным (рис. 4.7 б) затем стало уменьшаться (рис. 4.7 а) и полностью исчезло примерно через 50 часов после начала уменьшения. Таким образом свечение наблюдалось суммарно около 600 часов.
Свечение не является объёмным не находится вокруг электродов и не заполняет объём между анодом и катодом следовательно не связано с загазованностью лампы и нарушением вакуума в процессе хранения радиолампы.
Данное свечение является следствием бомбардировки стекла пролетевшими мимо анода электронами вследствие особой фигурной формы анода лучевого тетрода. Под действием энергии электронов примеси в стекле начинают излучать в видимом спектре [51].
На рисунке 4.8 показана работа плазменного акустического излучателя.
Рисунок 4.8 – Акустический излучатель (АИ) в работе
В данной выпускной квалификационной работе был проведён углубленный анализ существующих способов звуковоспроизведения а так же существующих типов акустических излучателей.
Основной целью работы ставился поиск возможности повышения качества звуковоспроизведения различных акустических систем путём применения нетрадиционных акустических излучателей.
В результате анализа существующих конструкций акустических излучателей был выявлен излучатель теоретически способный воспроизводить среднечастотные и высокочастотные колебания звукового диапазона не внося нелинейные и переходные искажения.
В первую очередь это связано со спецификой его изготовления – он не имеет подвижных механических частей в тракте непосредственно участвующем в излучении звуковых колебаний. Звуковые колебания формируются непосредственно изменением ширины плазменного канала высокочастотной высоковольтной дуги. В связи с тем что время необходимое на изменение ширины канала (разогрев воздуха в канале до нужной температуры) очень мало то инерционностью можно пренебречь и считать излучатель безынерционным. Это второй фактор обуславливающий теоретическое отсутствие переходных и нелинейных искажений в данном типе излучателей.
Для проверки теоретической возможности высококачественного воспроизведения звука и проведения исследований различных характеристик был спроектирован и собран рабочий опытный образец данного звуковоспроизводящего устройства с данным излучателем.
Полученные практические параметры усилителя-модулятора используемого для модуляции акустического излучателя рекомендации по практическому усовершенствованию усилителя приведены в части 4 данной работы.
Спроектированной усилитель-модулятор имеет приемлемые для проведения исследований акустического излучателя параметры на эквивалентной нагрузке 4 Ом:
- наводки 50 Гц – 14 мВ;
- наводки 100 Гц – 10 мВ;
- наводки 1 – 10 кГц – 100 мкВ;
- коэффициент гармоник при выходной мощности 0.6 Вт – 235%;
- коэффициент гармоник при номинальной выходной мощности 3 Вт – 8%;
- номинальная выходная мощность – 3 Вт.
Кроме того был сконструирован специализированный разрядник один электрод которого является заострённым а другой представляет собой зацементированную металлическую сетку или же спираль. Благодаря неоднородности структуры данного электрода удалось добиться расщепления плазменного канала в области данного электрода на мелкие составляющие части что ещё более повысило громкость и субъективное качество воспроизведения.
Слабым местом данного излучателя является образование озона и окислов азота при работе. Таким образом при организации хорошей и грамотной вытяжки данный излучатель можно использовать в закрытых помещениях а при отсутствии вентиляции только на открытом воздухе.
Таким образом поставленные первоначально цели и задачи были реализованы в полном объёме.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе воде и твердых телах В.А. Красильников Е.А. Ермакова. – 3-е изд. – М.: ГИФМИ 1960. – 560 с.
Борисов В.Г. Юный радиолюбитель В.Г. Борисов. – 3-е изд. – Л.: Государственное энергетическое издательство 1959. – 280 с.
Бодиловский В.Г. Справочник молодого радиста В.Г. Бодиловский М.А. Смирнов. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа 1976. – 322 с.
Ружицкий Ю.А. Электроакустика и усилительные устройства: учебн. пособие Ю.А. Ружицкий. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа 1969. – 305 с.
Эфрусси М.М. Громкоговорители и их применение М.М. Эфрусси. – М.: Энергия 1971. – 96 с.
Плоткин Е. Звуковоспроизводящий агрегат с ионофоном Е. Плоткин Б. Каратеев В. Прютц Радио. – 1959. - № 12. – С. 18-22.
Савченко А.А. Ионофон на ГУ-50 Радиолюбитель. – 2014. - № 5. – С. 8-10.
Савченко А.А. Пара слов о ламповом усилителе Радиолюбитель. – 2013. - № 11. – С. 9-11.
Савченко А.А. Пара слов о ламповом усилителе Радиомир. – 2014. – № 1. – С. 9-11.
Савченко А.А. Ионофон на К1156ЕУ2 Радиолюбитель. – 2014. - № 3. – С. 8-10.
Савченко А.А. Ионофон на UC3845BN Радиолюбитель. – 2014. - № 1. – С. 24-26.
Савченко А.А. Ионофон Радиомир. – 2014. - № 3. – С. 10-11.
Гаврилов С.А. Искусство ламповой схемотехники С.А. Гаврилов. – СПб.: Наука и техника 2012. – 302 м.
Бройде А.М. Электровакуумные приборы А.М. Бройде. – М.: Госэнергоиздат 1956. – 422 с.
Гендин Г.С. Высококачественные ламповые усилители звуковой частоты Г.С. Гендин. – 2-е изд. стереотип. – М.: Горячая линия – Телеком 2003. – 128 с.
Войшвилло Г.В. Усилители низкой частоты на электронных лампах Г.В. Войшвилло. – М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио 1959. – 756 с.
Рамм Г.С. Электронные усилители: учебное пособие Г.С. Рамм. – М.: Связь 1966. – 336 с.
Редакция журнала Радио. Упрощённый расчет выходных трансформаторов Радио. – 1947. - № 8. – Третья страница обложки.
Шелестов И.П. Радиолюбителям полезные схемы. Книга 3. И.П. Шелестов. – М.: Солон-Р 2000. – 222 с.
Ризкин А.А. Проектирование и расчёт ламповых усилителей звуковой частоты А.А. Ризкин. – М.: Госэнергоиздат 1968. – 420 с.
Кризе С.Н. Выходные трансформаторы С.Н. Кризе. – М.: Госэнергоиздат 1953. – 32 с.
Сворень Р. Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы Р. Сворень. – М.: Детская литература 1965. – 269 с.
Сворень Р. Электроника шаг за шагом Р. Сворень. – 3-е изд. перераб. и. доп. – М.: Детская литература 1991. – 411 с.
Фрунджян А. Акробатика ламповых каскадов Class A. – 1997. - № 2. – С. 20-23.
Зайчик И.Ю. Задачник по усилительным и радиоприемным устройствам И.Ю. Зайчик С.Н. Усов. – М.: Высшая школа 1965. – 360 с.
Тарасов Ф.И. Выходные лампы Ф.И. Тарасов. – М.: Госэнергоиздат 1963. – 31 с.
Малинин Р.М. Выходные трансформаторы Р.М. Малинин. – М.: Госэнергоиздат 1968. – 32 с.
Кризе С.Н. Усилительные устройства С.Н. Кризе. – М.: Госэнергоиздат 1968. – 335 с.
Борноволоков Э. Выпрямители для питания радиоприемников Радио. – 1963. - № 7. – С. 31-34.
Кризе С.Н. Расчет маломощных силовых трансформаторов и дросселей фильтров С.Н. Кризе. – М.: Госэнергоиздат 1950. – 44 с.
Лэндли Р. Справочник радиоинженера Р. Лэндли Д. Дэвис А. Альбрехт. – М.: Госэнергоиздат 1961. – 704 с.
Матлин С. Источники питания радиоламп С. Матлин. – М.: ДОСААФ 1956. – 37 с.
Борноволоков Э. Выпрямители для питания приёмников от сети переменного тока Э. Борноволоков. – М.: ДОСААФ 1956. – 32 с.
Терентьев Б.П. Электропитание радиоустройств Б.П. Терентьев. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио 1958. – 240 с.
Горошко Н. Как уменьшить фон переменного тока в усилителях низкой частоты? Радио. – 1966. - № 6. – С. 62.
Куликовский П.Г. Справочник радиолюбителя П.Г. Куликовский. – М.: Госэнергоисдат 1963. – 500 с.
Тарасов Ф.И. Кенотроны Ф.И. Тарасов. – М.: Госэнергоиздат 1964. – 16 с.
Богданович Б. Краткий радиотехнический справочник Б. Богданович Э. Ваксер. – Минск: Беларусь 1968. – 500 с.
Савченко А.А. Ионофон Радиомир. – 2014. - № 6. – С. 9-11.
Савченко А.А. Ионофон Радиомир. – 2014. - № 4. – С. 10-12.

ВГ ПЭЗ 1 А4.frw

Высокочастотный высоковольтный генератор
БР-210400.62-410-17-14ПЭ3
КВИ-3-1470 пФ-12 кВ ОЖ0.460.129 ТУ
КТ-2-1000 пФ-5% ОЖО.460.158 ТУ
00 пФ и 470 пФ параллельно
мкГн ОмГТУ 210400.62-410-17
0 мкГн ОмГТУ 210400.62-410-17

ПАН СП2 А4.frw

ВГ ПЭЗ 2 А4.frw

Проводной вывод длиной 1 м проводом
МГШВ 1х0.35 ГОСТ17515-72
БР-210400.62-410-17-14ПЭ3
Т1-17 ОмГТУ 210400.62-410-17
МЭС 441-14-20 ГОСТ Р 50345-99
Вилка приборная 5п 16А 400В IP44
Разрядник FA1-17 ОмГТУ 210400.62-410-17