Аудио-википедия

Катодные обмотки

До сих пор на форуме не было подробного обсуждения схемы выходного каскада с так называемой «катодной обмоткой» (КО). 
Я решил создать отдельную тему про КО.

Для начала выложу несколько основных тезисов о топологии КО. 

1. Схемотехнически КО представляет собой трансформаторный каскад усиления мощности с общим катодом, в котором лампа включена “в разрыв” первичной обмотки. Иначе говоря, часть первички перенесена в в цепь катода (см. вложение).  На рис. слева показан обычный каскад, на рис. справа – каскад с КО.\\ 

2. В каскаде с КО действует последовательная ООС по переменному напряжению.  Особенности такой ООС: 
2.1. Относится к типу местной (“короткой”) ООС; 
2.2. Не изменяет максимальной вых. мощности каскада на триоде; для пентода требует применения дополнительных мер для сохранения максимальной «пентодной» вых. мощности. 
2.3. Не изменяет режима лампы по пост. току. 
2.4. Снижает коэффициент гармоник.  2.5. Расширяет полосу частот, «выравнивает» АЧХ. 
2.6. Снижает фазовые сдвиги. 
2.7. Снижает Rвых каскада. 
2.8. Увеличивает Rвх каскада, снижает Свх. 
2.9. Снижает чувствительность каскада, т.е. требует большего размаха напряжения от драйвера.
2.10. Коэффициент обратной связи: β=Wк/(Wa+Wк). 
2.11. Такая ООС является автотрансформаторной, что увеличивает связь между Wк, которая одновременно является обмоткой обратной связи, и Wa, и снижает уровень «паразитов» в цепи ООС. 
http://audioportal.su/showpost.php?p=340740&postcount=93
2.12. КО, как и любая местная ООС, изменяет параметры применяемой лампы. 
В формулах индекс «св» бозначает новые параметры при введении ООС с КО: 

2.13. При применении пентода с ООС, ВАХи лампы становятся “триодными”(см. вложение). На этом рисунке я построил по методу Войшвилло ВАХ, которые приобретает пентод, охваченный ООС при β = 0,1(кривые красного цвета): 

А вот ОООС сильно влияет на вых. сопр. 6 Дб ОООС понижает Rвых примерно в 40 раз.

Напряжение на сетке лампы надо увеличивать на величину напряжения в катодной обмотке.  Например у нас усилитель без катодной обмотки выдает на выходе 5Вт на 4 омной нагрузке. Это значит что на нагрузке 4.5в напряжение (действующее смотрим на синусе). Или это будет 6.3в амплитудного. Трансформатор с Ктр = 30. В первичной обмотке трансформатора должно быть при этом 6.3*30=190 вольт. У выходной лампы Мю например 5. Тогда чтобы получить на аноде 190вольт на сетку надо подавать сигнал с амплитудой 190/5=38 вольт.  Делаем катодную обмотку - 10% (коэф трансформации анодная+катодная/вторичную остается неизменным = 30) - это значит, что из 190 вольт 19 вольт будет на катодной части и 171 на анодной. Чтобы добиться той же выходной мощности на выходе каскада, нам надо на сетку лампы в этом случае подавать уже сигнал амплитудой 38+19=57 вольт.  Сделаем катодную обмотку в 20% - придется подавать на сетку уже 76вольт. В два раза больше чем когда вся обмотка трансформатора в аноде. Это дает нам ООС 6дБ. Если же у нашей лампы Мю будет 10, то ООС в 6дб мы добьемся при катодном отводе 10% А для лампы SV 572-160 с Мю=160 катодную обмотку надо будет делать всего 1.5% чтобы получить 6дБ ООС.

Я тоже по началу так считал, но это не правильно.Возьму пример с 6п14п. У нее в рабочей точке усиление около 35. Берём КО 10% это бетта 0,1 Получается по формуле с КО усиление становится = 35/(1+0,1*35)=7,77. Усиление упало в 35/7,7=4,5 раза. Это получается мне во столько же раз надо увеличить размах напряжения, поданного на первую сетку 6п14п. То есть вместо -8 вольт (мой режим лампы) надо 36 вольт для получения той же мощности.

ОС по второй сетке устраняется включением ЭО противофазно, за счет этого несколько увеличивается КУ….. 

Если бы катодная  ООС от действия ЭО по второй сетке  ослаблялась, то и «раскачка» по первой сетке бы уменьшалась, а так, скорее, компенсируется ОС от КО , ПОСом по второй сетке….., меняя % ПОС по второй сетке (именно ПОС, в УЛ ООС) можно и КУ каскада корректировать, тут уж наверно практически или эмпирически т.к. не везде есть данные по «мю» второй сетки…

С УЛ все равно выходное высоковато, а от катодной ООС, Ri снижается значительней…

https://postimg.cc/m1hwSkMQ

Если Отдельная Экранная обмотка противофазна Анодной, то каскад на пентоде приобретает часть характеристик УЛ (вых. мощность и искажения).  Синфазная ЭО на пентоде дает более стабильное выходное сопротивление во всей полосе частот и более лучшие характеристики в плане АЧХ, по сравнению с противофазной ЭО.
(Извиняюсь, не те схемы вложил ранее) Но обе схемы - это не УЛ. Так как смещение остается пентодным, и почти в 2 раза уменьшен «разбег» фаз вход-выход. Слева - общее для синфазной и противофазной обмоток. Справа - общее для пентодов, триодов и УЛ.

Очевидно, что пентод приобретает «триодные» ВАХ из-за действия ООС, а подаваться она (ООС) может и на катод (КО) и на вторую сетку (ЭО), .т.е. на любой электрод лампы, хоть 10%, хоть 100%, Главное тут ООС, а не КО, ЭО и т.д. и т.п…..

Именно. КО переводит лампу в УЛ режим но не за счет ОС по второй сетке, а за счет этой ОС по первой сетке.  Как осуществляется работа УЛ каскада? - Часть напряжения с анода подается на ЭС, которая тоже может управлять лампой. Управляет плохо (в смысле большие напряжения надо на нее подавать), поскольку расположена далеко от катода. В лампе есть еще и первая сетка, которая к катоду расположена близко и которая гораздо сильнее влияет на поток электронов. Можно УЛьтралинейность организовать и за ее счет. КО как раз и делает УЛ режим лампе за счет управления по первой сетке.  Чтобы превратить лампу из тетрода/пентода в триод при помощи второй сетки - надо на нее подавать сигнал амплитудой в сотни вольт.   Чтобы это сделать при помощи первой сетки - достаточно единиц-десятков вольт.
Чтобы из пентоных ВАХов сделать триодные (такие как на картинках, о которых идет разговор) на ЭС надо подать процентов 80-90 или вообще соединить анод и ЭС, подав на нее 100% ООС от сигнала на аноде. А чтобы сделать такие же по виду ВАХи за счет первой сетки  (меняя потенциал катода КО) достаточно 10% от анодного сигнала.

Aleph: Итак о звуке. Отличие от 6п3с с сёстрами очень незначительные. Катодная обмотка можно сказать из любого среднего пентода делает очень нейтральный триод, как я уже раньше писал весь звук определяет драйвер. Почему-то когда цеплял колонки 4 ома на 8-омный выход звук больше тянул послушать, вовлеченность что ли появлялась. Хотя как по ВАХам нагрузка становилась уж слишком маленькой и не оптимальной. Вывод – если бы гу-50 меньше грела, то оставил бы, а так, раз нет разницы, думаю верну 6п7с. Как неудобная фишка, гу-50 около получаса входит в голос, а это часто неудобно. Пробовать для сравнения гушку в триоде смысла нет, трансформатор у меня явно пентодный и относительно высокое сопротивление первички не даст лампе показать себя во всей красе. Такие вот дела.

Нет, дело не в паразитных параметрах трансформатора, а в разном механизме действия классической ОС – когда присутствует явная точка суммирования и выделения сигнала ошибки, и параметрической ОС – когда явной точки суммирования нет, и происходит воздействие непосредственно на ВАХ . Как модель (или инструмент анализа) в каком-то диапазоне значений, можно условно говорить, что каскад с ультралинейным включением – есть каскад с отрицательной ОС. Но вне этого диапазона, теория ОС не работает корректно. Ну, это видно и из того, что произвольное изменение коэффициента УЛ включения не приводит к соответствующему изменению параметров каскада (реально, есть только одна оптимальная точка), и из того, что каскад с классической ОС и УЛ «ОС» при одинаковом усилении дают существенно разный уровень и спектр искажений.

Lynx

Тетродно\пентодный каскад с катодной обмоткой при фиксированном потенциале второй сетки является одновременно и каскадом с ОС по второй сетке, т.е. версией ультралинейного каскада (в широком значении). Поэтому введение катодной обмотки в обычный UL каскад с оптимальными точками отвода на вторые сетки может ухудшить свойства каскада, в частности, увеличить уровень искажений при одновременном снижении выходного сопротивления. Наилучшие результаты катодная обмотка дает именно в классическом тетродно\пентодном каскаде, причем одинаково эффективно, как для PP, так и для SE.

Пермяк

Ну хорошо. Хотите регулировать - есть схемка в неисчерпаемых недрах форума от Александра Воробьёва, трансформаторного кудесника. Схемка у меня на бумаге, постараюсь изложить словами.Катодная обмотка с удвоенным числом витков и центральным отводом. Отвод - на землю через RC-смещение. К концам обмотки подкл. потенциометр, на движок коего подкл. катод. Всё. Будете иметь возможность регулировать не только глубину, но и знак ООС. Лампа EL-84, однокаскадная схема. Упомянутый потенциометр 47 Ом.

А.Воробьев

валераканделев Очень сложно рассказывать о звучании усилителя в разных режимах, техническим языком. Приходится прибегать ко всяким другим терминам, типа «воздушность», «прозрачность» и т.п. Влияние катодной обмотки, существенно изменяет звук в целом, можно сказать, что координально. Причем, в любом режиме, включая ООС или ПОС звук не портиться, просто он становится другим. Если например, ООС делает звук более «ватным», за счет уменьшения КНИ, то ПОС, более динамичным и ярким, с хорошо проработанными нюансами и деталями. Увеличение КНИ, при этом совершенно незаметно. Это если качественная фонограмма, а усилитель собран на лампе 6Ж43П. Мне например, очень понравился режим UL с глубиной ПОС +1,5 дБ. А вот для МР3 лучше подошел режим триод-пентод с ООС глубиной -3дБ. Меньше заметны артефакты самого формата. Если же захотелось больше «динамики», то можно перейти к пентод-триод или к UL, при той же глубине ООС. В подобном режиме я слушал разные FM р-станции. Очень неплохо звучало. Комбинацию режимов, в сочетании с ОС нужно выбирать самому, главное осознать и твердо запомнить, что на что влияет. И еще… Не следует щелкать переключателем и крутить потенциометр регулировки каждые 5 минут, а выждать пол-часа -час, чтобы мозг успел адаптироваться к новому звуку и запомнить его. Тогда потом можно будет очень быстро выбирать любимый звук, в зависимости от качества и типа записи, а также от жанра музыки  Можно даже составить на первое время таблицу с разными режимами и глубиной ОС и в дальнейшем чисто механически следовать ей.

Lynx

r777 написал(а): «Звук есть, музыки нет» и пр. байки про обратную связь - это мы уже слышали 
Всё хорошо в меру…

Совершенно согласен! ООС - довольно тонкий инструмент и его использование приводит к положительным результатам в звуке лишь при выполнении ряда условий, зачачстую не всегда очевидных. В основном неудачи при создании устройств с ООС определяются либо излишней глубиной, либо малым запасом устойчивости устройства, либо искажением формы ПХ. А еще - снижением чувствительности выходного каскада при введении местной ООС и ростом искажений предыдущего каскада из-за большего выходного напряжения, требуемого для раскачки оконечного. Ну и общее место - ограниченная полоса ООС постоянной глубины из-за неудачной или неграмотной конструкции выходных трансформаторов с катодными обмотками. В триодных усилителях, в частности, на 2А3, небольшая местная ООС в виде катодных обмоток (2…5%) очень благоприятно сказывается на общем характере звучания. При сохранении всех приятных свойств 2А3, звук становится быстрее, «событийнее», улучшается четкость и «читаемость» звуковой картины. Но нужно учесть, что для реализации всех положительных свойств катодной обмотки нужен весьма специфичный трансформатор с очень высоким потокосцеплением анодной и катодной секций и минимально возможным их взаимным рассеянием.

Пермяк написал(а):

А именно для пентодов применение катодной обмотки наиболее эффективно: пентод с катодной обмоткой звучит значительно лучше, чем псевдотриод на этой же лампе.

Это на вкус и цвет, или как говорит МАИ на ух и чух. Пентод с катодной обмотной звучит ярко и хлёстко, в триодном включении естественно и даже аналитично.

Про КО писал сам Вильямсон, противопоставляя её Хафлеровской ультралинейке: […] (по ссылке надо кликнуть на иконку ПДФ)

Вильямсон был прав: пентод с КО в пентодном же включении, имеет более линейные ВАХ, и звучит лучше, чем псевдотриод на этой же лампе.  Но в те времена именно УЛ получила распространение по всему миру, как более дешёвый, народный вариант.

fakel, если сделать катодную обмотку равной УЛ, то при подключении экранной сетки к плюсовой шине мы имеем две обратных связи. Ультралинейную, через экранную сетку, и обычную через первую. Это дает дополнительное снижение искажений.  У меня есть однотактный усилитель на 6П14П с катодной обмоткой, которая представляет собой 22% от суммы анодная + катодная. (Оптимально 24% для пентодов) В таком виде лампа звучит лучше, чем в ультралинейном и лучше, чем в триодном. При выходной мощности близкой к пентодному режиму и демпфактору близкому к триодному (примерно 2.5). Причем при очень умеренных габаритах трансформатора (сечение ок. 4.5 кв.см), нижняя частота где-то 10-15 Гц. Это благодаря глубокой местной ОС, которая составляет примерно 18дб. Недостаток- довольно прилично уменьшается усиление выходной ступени. 2.5 раза против, кажется, 20. Требуется большее усиление от драйвера. Для получения максимальной вых. мощности от драйвера нужно 65-70 вольт амплитудного против 13 В в чисто пентодном.  Также 6П14П заменялась на 6П18П и 6П43П с подбором режимов. Разницы в звучании абсолютно никакой. Оно очень нейтральное, без какого либо окраса. Т.е. глубокая обратная связь полностью невелирует различия ламп. Пробовалась даже очень старая 6П14П с сильными наплывами и ослабленной эмиссией. Результат тот же, в смысле на звуке это не отражается никак.  В двухтактной схеме, например, это делает ненужным подбор ламп. К сожалению для тетродов оптимально 43%. Это превращает выходную ступени практически в катодный повторитель. Да, это все к тому, что не обязательно боятся обратной связи через экранную обмотку и гасить ее. Можно наоборот использовать ее с неплохими результатами.