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記得第一次組裝真空管機是在高工一年級上學期,先組裝6AV6+6AQ5+6X4三燈(管、球)擴大機,一年下學期再進階改裝成五燈外差收音機。那時對於電子學課程尚在懵懵懂懂的階段,但由於是第一次組裝接觸真空管機,所以感覺甚為有趣且具吸引力。及至高二學得真空管推挽式與單端擴大機的差異後,深信PP回路才是真空管機出力最佳模式,也是當時Hi-Fi音響的基本要件,自此之後就未再與單端式擴大機結緣過。
近期由於相繼完成KT-88及5881差動擴大機後,二位前世情人也續陸續在美國取得音樂博士學位,在她們敏銳音感認證下肯定歐吉桑真空管設計的功力,進而要求每人個要一套真空管機。為考慮她們未來婚後居所地點不確定性及維修方便性,所以開始思考火紅的單端輸出擴大機(Single ended amplifier)設計,遇到維修需要換管子而不需調整工作偏壓及電流。於是功率輸出放大級就以Jean Hiraga Single-Ended KT88 Tube Amplifier Schematic電路參考作基礎並作部分修正,整體線路同樣以”真空管綜合擴大機_5881三極管接法電路”架構作設計。
Jean Hiraga Single-Ended KT88 Tube Amplifier Schematic

KT88_jh.JPG

KT-88 SE綜合擴大機方塊圖

KT88_block.JPG

功率輸出管和變壓器的選用決定大半管機製作的優劣,眾所皆知KT-88和6CA7是相當優異的音頻放大束射功率管,個人覺得KT-88的技術規格略勝一籌,而且以Mcintosh銘機MC-275最具代表性,目前價位相較於其它2A3、300B、211等三極管合理一些,所以選擇它就對了。輸出功率管可設計成三極管、五極管、超線性等三種接法,其中超線性輸出兼具三極管和五極管的優點,所以就別無選擇了。
好的輸出變壓器價格不斐,尤其日製變壓器根本碰不得,大陸製作品質又不敢過於信賴,幸好國內堅新變壓器的吳老闆還有在接單,幾次作品完成後測試感覺堅新變壓器是無懈可擊的產品,就以JS-6123HS作為此次管機單端輸出用。

其技術規格如下:
  電流: 90mA, 20W
  一次側阻抗: 2.5K / 3.5K / 5K 直流阻抗218 Ohm
  二次側阻抗: 4-8-16 Ohm
  頻率響應: 15Hz ~ 68KHz - 3dB
電源變壓器和抗流圈可選擇彈性就大一些,只要容量、電流、電壓足夠就可以,所以擬好規格上網跟楊師傅訂就好。規格如下:
  一次電壓 110V - 0V
  二次 300V - 280V - 0 - 280V - 300V 250ma,直流阻抗31.6 Ohm
  燈絲電壓 6.3V - CT 4A (KT-88燈絲用)
  燈絲電壓 6.3V - CT 2A (12AX7燈絲用)
  燈絲電壓 5V - CT 4A (5U4高壓整流備用)
電源整流回路:二極體全波整流CLC π濾波回路,抗樓圈(立式) 10H 250ma, 直流阻抗為95.8 Ohm,功率輸出級合併兩聲道電流約為180ma。再經PSU Designer II模擬全波整流回路輸出得+VP電壓為373.26V,漣波成份約為1.6mv,已經是相當好的高壓電源供應。

kt88se_pwr.psu.JPG

工作偏壓點設定
輸出變壓器JS-6123HS直流規格是90ma,所以將KT-88的直流偏壓電流設到極限為90ma。變壓器一次阻抗選2.5KΩ時可輸出功率最小,5KΩ時屏極雖然輸出功率大電壓頗高(Va >= 450V)。所以選用3.5KΩ這組作為本電路設計,同時JS-6123HS的SG抽頭剛好落在43%,最適用於KT-88真空管超線性接法作輸出。
輸出功率計算:Ia = 90ma, RL = 3.5KΩ, 變壓器效率設為90%
不失真功率(不截波):Po = 90ma * 90ma * 3500Ω / 2 / √(2) * 0.9 = 9W
屏壓計算:Va = 90ma * 3500Ω = 315V, 所以Vp必須大於315V + Vk
KT88屏極電壓為Vp = 373.26V – 218Ω * 90ma = 353.64V
由於此電路功率輸出採自給偏壓,所以屏極電壓為353.64V電流90ma時,柵極偏壓約為-34V,可以計算出實際屏壓Va = 353.64V – 34V ≒ 320V 大於315V。
計算Ia_max = 90ma + 320 V / 3500Ω = 181.4ma,Va_max = 320V + 90ma * 3500Ω = 635V。
可計算得功率級放大倍率 = 315 / 34 * √ (8 / 3500) = 0.443倍
自給偏壓電阻為34V / 90ma = 377.8Ω,可以使用二只750Ω 5W水泥電阻並聯得375Ω,與設計差異在1%可接受範圍內。
A類功率放大的屏極功率消耗為320V * 90ma = 28.8W小於最大功率44W,所以是工作在KT88的安全工作範圍。
我們可以進一步繪出KT88 UL(超線性接法)的偏壓曲線和工作點如下圖:

kt88_90ma_320_2.bmp

進而繪出功率輸出級線路如下圖:

KT88_pout.JPG

電壓放大設計
由於電壓放大是採用SRPP電路設計,有著非常好的高频響應、低输出阻抗、低失真度,而且兼具電路結構簡單等優點,作為SE電路電壓放大是很好的選擇。電壓放大級輸出要推動KT88柵極電壓高達±34V(151~219V),因此要有較高的動態無失真電壓輸出就必須有較高的屏極電壓,所以靜態時Va設定選在185V。

KT88_vol.jpg

12ax7a_372V_1.15ma_voltageamp_2.jpg

SRPP.jpg

12ax7_avg_char.JPG

電壓放大級12AX7電流1.15ma的rp = 64K, μ = 100,RL = 100K,R = 1K
陰極旁路型SRPP的增益為

A_volt_gain.JPG

功率放大開回路增益 = 60.6 * 0.443 = 26.85倍
含負回授的電壓增益
  Af = A / (1 + A * 100 / (2200 + 100))
    = 26.85 / (1 + 26.85 * 100 / 2300)
    = 12.39倍

前置放大級設計
前置放大級SRPP設計採用陰極回授及串列回授並用,有降低放大器總諧波失真度及增加頻率響應寬度效果。
KT-88 SE擴大機不失真功率(不截波)為 9W,8Ω負載所需推動電壓為
Vout = √(9 / 8) * 8 = 8.485V
功率放大為12.39倍,所需輸入電壓為
8.485V / 12.39 = 0.685V
當輸入電平為200mV時,前置放大級所需的放大率 = 0.685V / 200mV = 3.42倍

12ax7_avg_char_preamp.JPG

KT88_preamp.jpg

前置放大級12AX7電流0.85ma的rp = 64.5K, μ = 100,RL = 100K,R = 1K
放大率=μ* {RL / (rp + RL) }
內部等效阻抗=64.5K + (1K * (100 + 1)) = 165.5K
所以屏極等效阻抗為165.5K
負載等效阻抗=rp // RL = 165.5K // 100K + 1K = 63.33K
V1A放大率=100 * {63.19K / (165.5K + 63.19K) } = 27.75
加上負回授後的放大增益

tube_series_fb.JPG

A_preamp_gain.JPG

與前置放大級所需的放大倍率3.42倍趨近一致。
設計後完整的線路如下圖:

KT88_all.JPG

KT88_pwr.jpg

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