SE单端管机自由自在（第一部份）【转帖】

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SE单端管机自由自在（第一部份）【转帖】
  
摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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SE单端管机自由自在（第一部份）

Steve Sun

编注：DZ第一款5687 SE管机所造成的冲击是可想而知的。您有没有观察过「二手交换区」的反应？几乎看不到有人抛售手边的5687套件，即便有零星的个案（或许\是当初购买数量较多而割爱），也多半可以在一个小时或几分钟内成交。

这意味什么？相较于5687推出之后，各式各样的批判声浪（从工作点设定一路批砍到变压器特性），其实DZ更在意的，是如何在这个简单的管机平台上提供更多的支持与学习意义。

Steve Sun兄这篇文章来得很早，早于5687套件推出，但我们刻意压至今天才开始刊登，读者以为意义何在？希望这一系列的文章刊登后，人人都能自己设定手边的SE单端管机。

虽然批评强烈，但DZ还是会不断的推出各款SE管机，除了阿昌老师，DZ已经获得许\多高手级网友的支持，全力研发中！

1.前言
先说一点: 管机诚可贵,，生命价更高，管机内电压高, 千万要小心!

看了阿昌老师 5687 (1) 以后, 闲闲没事, 想起 DZ 5687 Amp 没有负回授又是 A 类三极管, 一下就可以澈底的算清楚。于是拿起纸笔, 纸上谈机，开始倒推阿昌老师的设计，越算越起劲, 计算过程越来越长, 想算的东西也越来越多，索性把 5687 驱动级与交连网络之分析当成一系列的文章。

到了阿昌老师 5687 (3) 一文时, 看到了 Tom Chiu 兄预料的事: DZ 变压器质量好, 使得压降变小, 功\率级高压高达 260V. 这样一来 5687 处于临界点的过荷状态工作！

又，在 DZ 讨论区看到大家对改成直交似乎颇有兴趣.. 使用质量好的变压器, 功\率级高压高达 260V, 歪打正着: 提高功\率级高压省去了 5687 直交设计时第二级高压不足的烦恼. 于是就又写了 DZ 5687 直交设计一文。拾人牙慧, 稍晚也来个 DZ 5687 后级解剖三部曲。

我跟吴大说: “看完这三篇后, 每个读者都可以去开店卖单端管后级了! 哈哈…”

1.5687 的 datasheet



请看一下 RATINGS 部份:

•最大屏耗 (Maximum Plate Dissipation): 4.2W
•屏极最大电压 (Mamimum DC Plate Voltage): 330V
•阴极-灯丝间最大压差 (Maximum DC Heater-Cathode Voltage): 100V
•最大屏流 (Maximum DC cathode Current): 65 mA

5687 的屏极特性曲线如下:



这是我们分析电路的基础。

2.输出级的分析
第一步: 在5687 的屏极特性曲线图上标示最大屏耗。

由 datasheet, 我们知道 5687最大屏耗是 4.2W. 所以, 利用功\率等于电压乘以电流, P = I x V (取两位有效数字, 四舍五入.) 可以知道:

•屏压 100V 时, 最大屏流是 4.2/100 = 42 mA
•屏压 120V 时, 最大屏流是 4.2/120 = 35 mA
•屏压 140V 时, 最大屏流是 4.2/140 = 30 mA
•屏压 160V 时, 最大屏流是 4.2/160 = 26 mA
•屏压 180V 时, 最大屏流是 4.2/180 = 23 mA
•屏压 200V 时, 最大屏流是 4.2/200 = 21 mA
•屏压 220V 时, 最大屏流是 4.2/220 = 19 mA
•屏压 240V 时, 最大屏流是 4.2/240 = 18 mA
•屏压 260V 时, 最大屏流是 4.2/260 = 16 mA
•屏压 280V 时, 最大屏流是 4.2/280 = 15mA
•屏压 300V 时, 最大屏流是 4.2/300 = 14 mA
•屏压 320V 时, 最大屏流是 4.2/320 = 13 mA

在屏极特性曲线图上标示:



接下来把这些点用平滑曲线连接:



工作点不能取在这条曲线之上。

第二步: 偏压线的计算.

假设阴极电阻为 Rk = 390 奥姆, 流经真空管的屏流是 Ip. (流经 Rk 的电流也会是 Ip.) 利用奥姆定律 V = I x R, 可以算出:

•阴极电压为 0 V (栅极电压 0 V) 时, 流经 Rk 的电流 = 0/390 = 0 mA
•阴极电压为 2 V (栅极电压 –2 V) 时, 流经 Rk 的电流 = 2/390 = 5.1 mA
•阴极电压为 4 V (栅极电压 –4 V) 时, 流经 Rk 的电流 = 4/390 = 10 mA
•阴极电压为 6 V (栅极电压 –6 V) 时, 流经 Rk 的电流 = 6/390 = 15 mA
•阴极电压为 8 V (栅极电压 –8 V) 时, 流经 Rk 的电流 = 8/390 = 21 mA
•阴极电压为 10 V (栅极电压 –10 V) 时, 流经 Rk 的电流 = 10/390 = 26 mA
•阴极电压为 12 V (栅极电压 –12 V) 时, 流经 Rk 的电流 = 12/390 = 31 mA

把这些点在屏极特性曲线图上用绿色点标示:



把这些点用曲线连起来 (一般来说, 这并不是一条直线), 得到所谓的偏压线:



真空管使用阴极自供偏压时, Ip 一定在这条在线。

第三步: 工作点的估计

工作点选取时的原则:
1.工作点的 Ip 要在绿在线, 红线下方。
2.功\率级高压是 215V, 考虑 OPT 初级的 DC 电阻, 工作点的屏压应略小于 215V. (阿昌老师的提示)
3.输出功\率要高, 所以工作点要越接近红线越好, (这不是最好的, 真空管处于临界点工作. 但是 5687 这种小功\率的管子, 为了输出功\率这是没有办法的事.)
4.要方便纸上谈兵。

您会取那一点呢? 我会选: 偏压线与栅极电压 –8V 曲线的交点, (195V, 21 mA), 此时的屏耗是 195V x 21 mA = 4.1W. (如果不画偏压线, 我会挑 200V, 20 mA 这点.) 这时的屏极对地电位是: 195 + 8 = 203 V。

第四步: OPT 初级阻抗的选取。

要选定 OPT 初级阻抗, 需要计算 5687 在工作点的屏内阻 rp。

计算屏内阻的方法是: 画条经过 (195, 21), Ec = -8 V 曲线的切线。



这条直线经过: (148V, 0 mA), (260V, 50 mA) 两点, 所以屏内阻：

rp=(260-148)/(50-0)=2.24K

前人的经验告诉我们功\率管屏极负载阻抗是功\率管屏内阻的两倍时是功\率管最佳屏极负载阻抗. 请参考Radio Designer Handbook, 第 13 章的讨论. 所以 OPT 初级阻抗是:

Rp=2*rp=4.5K

这个方法只适用于功\率级 OPT 初级阻抗的选定. 驱动级不适用!

DZ 的 OPT 初级阻抗是 5K 奥姆, 对输出功\率没有多大的影响. (这是在次级阻抗等于 8 奥姆的情况)

第四步: 负载线
在绘制负载线时, 我发现一个好用的工具:



拿这种尺画并行线再方便不过了。

我们决定了OPT 初级阻抗是 5K 奥姆, 负载线的斜率是: -1/(5K). 先在屏极特性曲线图左下角画一条斜率是 –1/(5K) 的直线:



验算一下斜率: 20 mA/100V = 1/(5K)。

把左下角这条线平行移动到工作点, 得到负载线:



不知您有没有注意到: 负载线有一部分已经超过4.2W 最大屏耗!

第五步: 输出电流, 输出电压, 输出功\率与二阶谐波失真的计算。



没有输入讯号时, 工作点在: (195V, 21 mA). 加上输入讯号时, (屏极电压, 屏流) 这点会在负载在线移动. 如果输入讯号以 –8V 为中心, 上下摆\动 (如果摆\幅更大, 5687 栅极将处于正偏压 A2 类. 栅极正偏压需要考虑更多因素, 初学时应尽量避免) 最左可以允许\到 (95V, 41 mA), 最右可以到达 (275V, 5 mA)。

有输入讯号时, 5687 工作状况如下:



不难看出: 最大输出电流是: 41 mA – 5 mA = 36 mA (波峰到波谷, P-P). 最大输出电压是: 275V – 95V = 180V P-P. 从这个图, 我们可以看出: 负载线越平能输出的电流摆\幅越小. 如果您用 5687 的曲线, 试试不同的 OPT 初级阻抗, 您将可以体会到不同负载阻抗时, 最大输出功\率会不同. OPT初级阻抗不匹配时, 将会导致最大输出电流降低。

面对喇叭的功\率扩大机, 功\率级设计的目的是电流增益. 在鱼与熊掌不可兼得的情况下, 功\率级设计舍电压增益, 就电流增益. 另外一个看法是从 OPT 着手: 5K 比 8, 圈数比是 25:1. 电压增益经过 OPT 后减小 25 倍, 电流增益增加 25 倍! 所以功\率级设计注重电流增益。

长真弓: 真空管扩大机设计自由自在, 第 128 页有下图:



对 5687 来说:

•ep min = 95V, ep max = 275V
•ip min = 5 mA, ip max = 41 mA

最大输出功\率是:
Po=(1/8)(ep_max-ep_min)*(ip_max-ip_min)=(1/8)*(180)*(36)=810mW

如果不需要这么大的功\率, 或是要更大的功\率, 请取其它的工作点. (但要考虑 OPT 初级阻抗是 5K 这个事实)

在最大输出功\率时, 二阶谐波失真是:



是输出电流的中点, ip_0 是工作点的静态屏流. 二阶谐波失真是输出电流中点到静态屏流的百分比误差。

3.改机
阿昌老师用了 DZ 的变压器后, B+ 高达 260V. 输出管屏压高达 255V, 5687 几乎超载工作（当然这是阿昌老师以实际聆听的判断结果，许\多管机亦是如此），如果我们保守的想用 (195V, 21 mA), 或是 (200V, 20 mA), 或其它的工作点, 需要如何变更零件设定呢?

假设工作点取 (195V, 21 mA). B+ = 260V, 屏压 255V. 所以 5687 的阴极电位是 255 – 195 = 60V. 栅极偏压为 –8V, 也就是说栅极电位 = 阴极电位 – 8V = 60 – 8 = 52V. 这里我们要做两件事:

1.修改电路使阴极电位 = 60V, (没有超过 100V 最大阴极灯丝压差)
2.修改电路使栅极电位 = 52V

第一件事比较容易办: 因为屏流是 21 mA, 使用一个 60/21mA = 2.86K 奥姆的电阻就达成任务:



(在这图中, 为了方便, 阴极电阻的旁路电容没有画出)

接下来: 栅极电位 = 52V 要如何达到? 办法是: 把 2.86K 奥姆电阻分成两个: 380 奥姆 (380 = 8 V/21 mA) 和 2.48K 奥姆:



另一种 52V 偏压供应法是利用 260V 的高压经由两个电阻分压得到 +52V。

利用本节的办法, 您可以自由的选择工作点! 但有两个要求: 1. 不要超过最大屏耗, 2. M-10 OPT 初级阻抗是 5K 奥姆。

解释一下 OPT 5K 比 8 奥姆的意义。5K:8 是指: 当负载是 8 奥姆时, 功\率管 “看到” 的 OPT 初级阻抗是 5K 奥姆. 如果您把 4 奥姆喇叭接上 8 奥姆输出端, 功\率管 “看到” 的 OPT 初级阻抗将会是 5K x (8/4) = 10K 奥姆. 这时的负载线需要重新计算. 这时的扩大机也已经不是原作者所设计的了!

4.结论
看了本文之后, 希望您能了解单端三极管功\率级的设计原理, 进而能够自行 “摩机”. 如果是自行设计, 步骤是:

1.画出最大屏耗曲线
2.取定工作点
3.计算屏内阻, 决定 OPT 初级阻抗
4.画上负载线
5.计算最大输出电流, 最大输出功\率, 二阶谐波失真。
6.根据以上计算修正设计
7.根据 OPT 初级直流电阻及屏流, 利用奥姆定律决定输出级高压供电的电压。
8.设计电源供应
9.设计驱动级
10.实验机制造
11.修正设计

快要可以自己开单端管机店了, 是不是呀?

最后再来灌水: 管机诚可贵, 生命价更高！管机内电压高, 千万要小心! (小的非常佩服那些玩 211, 845 的朋友! 艺高胆大! 面对一千多伏特的高压电, 一付泰山崩于前而不变的气概.) 上电测量工作状况时尽量用右手, 不要双手并用! (您的心脏是在两手臂之间.) 关机后 10 分钟内不要打开机箱工作。

参考数据:
1.Langford-Smith: Radio Designer Handbook, Newnes.
2.长真弓: 真空管扩大机设计自由自在, 诚文堂新光社。