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 看過許多日本先進網站的真空管擴大機設計,在先前一篇真空管機穩壓IC定電流設計中引述日本Webな球設計的EL-34全段差動真空管擴大機,是一部簡潔易懂非常好的真空管擴大機設計典範。

在個人電路設計經驗中,對好的真空管機設計要求如下:
1. 差動放大優於單端輸入設計。
2. 定電流設計優於電阻自給偏壓方式設計。
3. 推挽式優於單端式功率放大。
先前設計之我的A計畫KT-88真空管差動後級擴大機,也就是遵循此原則下進行設計。

此機所有設計皆符合本人的概念,又是線路簡潔值得初學者來當成入門機試作,遂將給予剖析與分享,並將原機線路圖節錄如下:

全機大至可分為電壓放大、電力放大、電源電路、增益計算四項來分析:

一、首先從電源電路著手,電源電路分電流與電壓計算。
單聲道的電流=1ma+77.21ma = 78.21ma(請參閱定電流二極體CRD真空管機穩壓IC定電流設計),雙聲道合計156.42ma。
由於電源輸入端是全坡二極體整流,而且採用三級RC濾波電路,加上輸出端是採用定電流控制,所以系統負載可以用固定阻抗來模擬。因此整個電源系統用PSU Designer II(PSUD2)來繪出電路模擬,模擬線路如下附載端R4使用電阻值1.76K電流剛好是156ma。各級模擬電壓如圖,+B電壓為307.37V漣波電壓為9.8498V,+B0電壓為291.15V漣波電壓為1.0448V,+B0電壓為274.98V漣波電壓為0.12856V。

模擬之波形如下圖:+B電壓為綠色曲線,+B0為黃色曲線,+B1為藍色曲線,負載電流為紅色曲線。

另外由於+B1電壓 = 275V =2ma * 4.7k + IRb4 * (4.7K + 620K),反推得IRb4 = 0.425ma,可得+B2 = 275V - (2 + 0.425)ma = 263.6V。
由模擬波形和電壓可以得知本放大器無須使用穩壓迴路,即可獲得很乾淨(漣波很低)的電源供應。

二、再從功率放大反推計算:
由於本電路功率放大也是採用定電流P-P放大設計,輸出變壓器使用TUMURA的F-682,如下表紅色方框內所示規格:

雖然F-682一次側阻抗為Zp-p = 3.5KΩ,但本設計其輸出端是以4Ω接到8Ω喇叭,依照變壓器阻抗算法(n1 / n2)^2 = (z1 / z2)。由於(n1/n2)^2不變可以視為常數c,所以(3.5KΩ / 4) = c = (x / 8) ,所以得到新的Zp-p = x = 7KΩ,亦即一次側阻抗Zp-p為3.5KΩ - 0 - 3.5KΩ,0表示中間抽頭,而二次側阻抗由4Ω轉變為8Ω,匹配喇叭應為8Ω才對。因此於計算單邊輸出管時應以3.5KΩ做依據。

定電流P-P放大器之電流值為77.21ma,所以單一管子靜態電流 = 77.21ma / 2 = 38.6ma,而且+B1=275V,經查特性曲線表得大約Ep = 255,Eg = -20V時Ip = 38.6ma。如此就可以計算得到Ep_min = 255V - 38.1ma * 3.5k  = 120V,同樣計算得到Ep_max = 255V + 38.6ma * 3.5k = 390V。

將工作曲線劃出如下圖,可以發現在Ep = 120V以下電流是固定的,這是由於本設計採用定電流設計特殊的地方。
Ep_Ip_el34_1a

若將P-P級電路合併後則可得底下曲線圖,紅色線則為新的P-P放大器工作的Ep-Ip曲線,從此圖可以發覺本功率放大級的上、下限Eg是從-10V到-30V之間,變壓器一次側電壓是390V - 120V = 270Vp-p。
Ep_Ip_el34_3a

因此可以算得本功率放大器最大不失真為270V  * 270V / 7K * 0.9 = 10.41Wp-p = 3.68Wrms,所以是屬於中小功率的推挽式輸出,若慾使功率加大輸出則可以增加Zp-p、Ip電流和Ep電壓來達成。(變壓器效能η = 0.9)

 三、電壓放大:
電壓放大級是採三級管6SL7WGT,使用E-102定電流二極體作差動電流控制。E-102定電流二極體的電流值是1ma,所以單邊的電流為0.5ma,推得V1a屏極電壓為263.6V - 0.5ma * 240K =143.6V,若不考慮定電流的電流限制時,其最大電流為263.6V / 240K = 1.09ma,所以工作曲線可以繪製成如下圖所示。放大增益= μ / (1 + 2 * rp / Rp),查表得6SL7WGT的μ值為70、rp為44K,Rp = 240K // 470K = 158.87K,所以算得此級增益為70 / (1 + (2 * 44K + 158.87K)) = 45,由於功率級之Eg = -2.5V~ -37.5V之間,所以ΔEg = -2.5 - (-37.5) = 40V,以開回路計算差動級輸入電壓V1的兩柵極電壓差至少為40V / 45 = 0.888Vp-p。

四、全機增益:
一般真空管機的開回路增益不很高,但是本機是屬負回授放大電路,所以放大器的回授電壓大約等於1 / (1 + (12.4K / 100)) = 1 / 125倍。
輸出功率在10.41Wp-p時,8Ω負載電壓大約為SQRT(P * R) = 9.126V,差動輸入回授端V1b柵極電壓為-9.126V * (1 / 125) =  -0.073V,所以差動級輸入電壓 =0.889V + (-0.073V) = 0.816Vp-p,全機增益為9.126V /  0.816V = 11.2倍,等於21db。


註:EL-34全段差動真空管擴大機線路圖取自Webな球

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