805甲类单端输出45W×2合并式胆机-----vacuum tube power amplifier

805甲类单端输出45W×2合并式胆机

805是优秀的乙类功率三极管，主要用途是乙类推挽音频功放，一对输出管可输出300～370W 音频功率；另一个用途是射频丙类功率放大。所以其板极由管顶引出，若是只为音频设计，板极就不必从管顶引出了，可以和其他电极一并由管脚引出，如美国型号838。由于805产量较大，广泛使用于大功率扩音机，故社会保有量较多，国产管型号为FU-5。许多发烧友尝试用它做甲类单端功放，制作图纸也比较多，但结果大多不太令人满意，低音松散、高音不耐听，音质明显比功率相当的845管甲类单端机差。不过，发烧友们知难而进、屡败屡战，精神可嘉。

一、不足之处
乙类功率管和甲类功率管是有很大区别的，甲类功率三极管一般栅负压较深，最大板流时栅压为零，在整个放大区内不产生栅流，理论上输入阻抗为无穷大。板极内阻较小，电路对扬声器有较大的阻尼系数。栅极对板极电压放大系数很小，是所谓低μ管。如2A3、300B、211、845等。而乙类功率三极管，栅负偏压较浅，甚至为正栅偏压，在整个放大区内，栅压在正栅压与负栅压之间交替变化，并且在正栅压范围中有相当幅度的摆动，产生栅流。该栅流随板压变化而变化，与栅压不成正比，呈非线性状态。板极内阻普遍较大，功放对扬声器的阻尼系数很小，一般为零点几。栅极对板极有很大的电压放大系数，μ常有60～200，是所谓高μ管。如805、806、809、810、8l1A、812A、833、838、572B等。其中838的各项参数与805相同，唯一不同的是板极由管脚引出，没有屏帽，都是乙类推挽功放用管。据说曙光厂也生产无屏帽的805，型号为FU-5A，即为838的全等管。805管约有11kΩ板内阻，μ值约为60。805管脚接线如图1(a)所示，板极特性曲线如图1(b)所示。板极最高工作电压1500V，最大板极损耗125W。


在乙类推挽功放电路中有乙1(即B1)类和乙2(B2)类之别，乙1类最高栅压为零伏，乙2类是在动态过程中有正栅压，有栅流驱动的，而805正是乙2类用管。如果用于甲类单端电路，其推动电路必须提供一定的栅流，该栅流与栅压是非线性的关系。为使推动信号不失真，就必须具有很低的内阻。805栅极工作于正栅压，大动态时，正半周有栅流而负半周没有。在这种条件下，要做到不失真推动才可以(推动信号电压不失真)。805管放大系数较大，故推动电压要求不高。805管板内阻较大，约为11kΩ，故其对扬声器阻尼系数较差，对10kΩ负载阻抗而言，阻尼系数约为0.9。这就是其低音松散、高音失真的原因。对干高保真功放显然是不行的。这就一定要用负反馈来降低其输出内阻。综上所述，用805作甲类单端功放是比较困难的，这些问题对211、845一类甲类专用管来说都不存在。因此，甲类单端机还是用甲类专用管比较容易。

二、克服措施
805管作甲类单端功放虽有上述不利条件，但如果采取措施逐一加以克服，还是可以制作出性能优良的甲类单端功放，有些方面还可以超出845一类甲类专用管的性能，这就是本文的目的。相信读者会对805管刮目相看的。其要点之一低内阻推动，要点之二加适当负反馈。
有的电路使用低内阻三极管300B由推动变压器2:1降压推动，使推动内阻降低至200Ω，效果就不错，但推动变压器是一个制约，制作成本高，频响较差。该推动电路的805板流调整电路也较难处理。另一个方案是推动级使用阴极输出器，大幅降低推动内阻。阴极输出器失真小，内阻很低，Ri=1/S，以6L6GC接成三极管为例，Ri≈1/6(mA/V)=167Ω。输出峰值电流可达100mA以上，而805在动态Us=150V板压下，板流190mA时，栅压UG=+57V，栅流IG=50mA，如图1(b)所示，所以推动没有问题。阴极输出器电压放大系数A≈1，增益为0dB。
845管内阻为Ri=1.7kΩ，若使用7kΩ负载，负载与内阻之比为4，即其对扬声器的阻尼系数为4。805要达到并超过其阻尼效果，负反馈量要有12～18dB，即4～8倍，此时加上805自身内阻的阻尼系数约0.9，即为(F-1)+0.9，在负反馈12dB时阻尼系数为(4-1)+0.9=3.9。18dB负反馈时，阻尼系数为(8-1)+0.9=7.9，都已达到或超过845管。这样805管甲类单端功放音质不如甲类专用管的问题便迎刃而解。同时要求前级电路要有较大的电压放大量，必须拿出4～8倍即12～18dB放大量用干负反馈。同时获得两个好处：
①降低了输出内阻，使功放对扬声器阻尼系数大幅提高；
②克服甲类单端输出电路失真系数较大的缺点，使失真也大幅减小。

三、电路简介
基于上述特点与要求，本机总电路如图2所示，输入级高μ管1/2 6SL7GT为典型阴地阻容耦合放大电路，阴极接有负反馈取样电阻RI=100Ω。阴极电阻2.2kΩ上接有旁路电容，有些电路省去旁路电容的做法不可取，一是阴极电阻产生的电流负反馈属有害反馈，它将降低电路电压增益，同时增大了输出内阻。二是阴极与灯丝间漏电和分布电容都会带来噪声，可由旁路电容滤除。板极电路接有像威廉逊电路同样的超声波抑制电路100Op电容串10kΩ电阻，以防负反馈量大时由相移引发的超声波自激振荡。本级电压增益为40倍(32dB)，灯丝直流供电，星形接地。第二级电压推动级，采用中 管1/2 6SN7GT，输出大、失真小，有16倍(24dB)电压增益，300V供电时输出可达83V峰值，去推动805足够了。阴极电阻也接有旁路电容。第三级为阴极输出器，用6L6GC(6P3P)接成三极管，阴极输出直联805栅极，输出内阻约170Ω，驱动电流可超过100mA，而805栅流最大只需50 mA ，其驱动也是轻松的。6L6GC阴极经22kΩ电阻接-210V电源端，提供10mA偏流。刚开机时，805栅极立即处干-210V以下电压，板流完全截止，只有当6L6GC阴极加热完毕，805栅压才处干正常状态，这个过程约为10s，自然起到了延时电路所需功能，电源电路不必再加延时电路，这是一个一举两得的巧妙电路。6L6GC栅极通过栅漏电阻接于栅压调整电路，通过调6L6GC栅压，控制阴极电压也就是805栅压，从而达到调整805板流的目的。这样的电路在6L6GC损坏或拔除时，805都处干截止状态，因此也是一个十分安全的电路。本级电压增益为1，即0dB。805灯丝由直流供电，可获得尽可能低的背景噪声。100Ω平衡电位器中点经10Ω电阻通地，是为测量805板流而设，若装置电流表，就由电流表取代该10Ω电阻。805栅极由6L6GC阴极输出端钳位，不会产生固定偏压电路由栅漏电阻上离子逆栅流引起的功率管板流漂移现象。从低失真、大功率输出及推动轻松等诸方面考虑，选较高板压有利。负反馈由8Ω输出端经反馈电阻Rf注入输入级R1完成。

电源电路如图2所示。电源变压器用600VA的，图中所标绕组电流都是电阻性负载电流，若是整流后电容输入式电路，实用电流要乘以0.55的系数，这样的绕组在长时间工作时就不会有较大的温升。变压器绕制数据列于表1。

四、工况计算
1．805的工况计算
例1：Ua=1100V Pa=105W(极限值125W)
(1)板流Ia=Pa/Ua=105/1100=0.095A
(2)根据图1(b)的板极特性曲线，静态1100V板压，板流95mA时，栅压为UG=10V。动态峰值板流Iam=2Ia=190mA时，取管压降Us=150V，此时栅压为UGm =+57V，栅流IGm=50mA，故推动电压峰值△UG=UGm-UG= 57-10=47V
(3)输出阻抗Ro=(Ua-Us)/Ia=(1100-150)/0.095=10000Ω
(4)输出功率Po=(Ua-Us)×Ia/2=(1100-150)×0.095/2=45.125W
(5)电压增益A= △Ua/△UG=(1100-150)/47=20.2倍
例2：Ua=800V Pa=105W
(1)板流Ia=Pa/Ua=105/800=0.131A
(2)根据板极特性曲线如图1(b)所示，静态板压800V板流130mA时栅压UG=+26V。动态最大板流Iam=2Ia=260mA时，取管压降Us=150V，此时栅压UGm=+70V，栅流IGm=75mA。故推动电压峰值△UG=UGm-UG=70-26=44V
(3)输出阻抗Ro=(Ua-Us)/Ia=(800-150)/0.13=5000Ω
(4)输出功率Po=(Ua-Us)×Ia/2=(800-150)×0.13/2=42.25W
(5)电压增益A=△Ua/△UG=(800-150)/44=14.8倍
上述两例分别为10kΩ输出变压器和5kΩ输出变压器的应用典型，各有千秋。从推动轻松、输出功率大、+10V栅偏压容易获得和充分利用805管的高耐压考虑，本机选用了前者。从前述两例计算可以看出乙类功率管作甲类单端输出使用时，效率高于甲类专用三极功率管，推动灵敏度也高，仅47V峰值。
2．电路计算
下面再对电路的开环电压总增益，闭环电压总增益、灵敏度、负反馈电路及阻尼系数等进行计算。输入级1/2 6SL7GT电压放大量40倍(32dB)，推动级1/2 6SN7GT 电压放大量16倍(24dB)，805在该工况下电压放大量20.2倍(26dB)，输出变压器电压比n=34(-30.5dB)。开环电压总增益A=32dB+24dB+26dB-30.5dB=51.5dB(约380倍)。
取负反馈F=-17dB=7倍，故整机闭环电压总增益As=A/F=380/7=54.3倍，满功率45W时，输出电压U =(Po・RL) =(45×8)^1/2 =18.97V，故灵敏度Ui=Uo/As=18.97/54.3=0.35V(RMS)。负反馈电阻Rf=(A・R1)/(F-1)-R1=380×100/(7-11)-100=6233Ω，取Rf=6.214Ω。
负反馈形成的阻尼系数为F-1，805接10kΩ负载时的自身内阻形成的阻尼系数是0.9，故总阻尼系数=F-1+0.9=7-1+0.9=6.9，已超出845管功放阻尼系数72.5％。加之负反馈对甲类单端功放失真系数的大幅改善，本机的总体效果与无负反馈805甲类单端机相比，真有脱胎换骨之感。
本电路在电路参数不变的条件下可把V1由6SL7GT直接更换为6SN7GT，这时负反馈量变为3.4，即-11dB，阻尼系数变为3.3，同时灵敏度为0.424V，这里计算从略。前级用电压放大系数不同的电子管换用，对电路参数影响不大，影响的主要是反馈量与电路对扬声器的阻尼系数，这正是负反馈放大电路的特点。此举可非常方便地欣赏不同负反馈量时功放的音质。

五、制作详解
2kV/1A桥堆也可选用彩电用行阻尼管2kV/2A 4只搭接成高压桥堆，可靠性一定要高。高压滤波电容用油浸纸介电容为好，耐压高、寿命长，频率特性优良。
滤波电感可采用扩音机电源扼流圈，成品如飞跃150型的，规格为10H/0.43A，安装于底板上面。若自制，制作数据列于表2，注意其底筒与外壳必须具有高耐压绝缘，要能长期承受1500V电压才行。

低压300V电路桥堆1kV/1A可由4只1N4007搭接，滤波电感L2、L3体积均较大，可安装于底板下，低压滤波第一级扼流圈L2因为要提供V1、V2、V3的板流，同时还要提供FU-5大动态时的栅流，故电流容量稍大，为100mA。第二级扼流圈L3则只需提供V1管6SL7GT板流，两声道仅2mA，使用330H/10mA的规格。L2、L3绕制数据见表2。3只100 F/400V滤波电容没有特殊要求，但要长寿请使用较好品牌，如松下、日本化工等。
负压整流与低压300V电路使用同一只桥堆，3.9kΩ/5W电阻作用为滤波、降压，与电容接成π形滤波，因为不使用扼流圈故电容量要大些。
滤波后负载有4路，两路210V接6L6GC阴极电阻5W22 kΩ，另两路降压至-50V供两只20 kΩ电位器去控制左右声道6L6GC栅压，达到调整FU-5栅压的目的。两电位器手柄穿底板而上，在外面，方便更换FU-5或6L6GC时，调整FU-5板流之用。前级300V低压供电滤波电路及负压供电滤波电路集中在一块小印制电路板上，可使电路体积小、整洁。同时6只电容集中布置有利于星形接地，背景噪声最小。印制板如图3所示，其上E点为星形接地中心，因为要穿入多条接地导线，钻孔为Φ5.5mm。电路板通过支架立式安装于底板下在电源变压器与放大电路之间。

FU-5灯丝整流器可用一般10A桥堆，滤波电容C≥10/(ω・R)，R=10/3.35=2.985 Ω ，故C=10/(314×2.985)=0.010669F=10669 uF，用15000 uF电容完成。100 Ω平衡电位器中点通地电阻10 Ω要用1％误差的五环电阻，有条件时还应装置电流表为好，因为无论更换FU-5或更换6L6GC都会影响FU-5板流变动，有电流表时可方便调整板流。在信噪比非常高时前级灯丝直流供电的重要性便凸显出来，不过直流供电仅供V1、V2两级电压放大管灯丝，而阴极输出器6L6GC则为交流电供灯丝，与信噪比无关。这样可以减小整流滤波负担，再则若更换6L6GC为EL34作阴极输出推动管时，不会因为灯丝电流加大而影响整流输出电压。用高跨导管EL34作阴极输出推动管时内阻约为100 Ω。
现在发烧友们偏爱使用胆整流，在本电路中主整流器若使用电子管，可使用4只5Z4P或4只5AR4取代高压桥堆，这时因为电子管内阻稍大，要保证输出电压+1170V，电源变压器绕组电压要由450V×2增高为500V×2。同时要有两组5V/2A灯丝绕组和1组5V/4A灯丝绕组。这几个线圈间绝缘必须足够好，要能长期耐受1500V以上高压，最好用电缆纸加聚酯薄膜加电缆纸三层结构，并且一层内只能绕两组。高压用电子管整流的电源部分电路如图4所示，输入级高压电容要更换15uF/AC660V为4 uF/AC660V以减小浪涌电流，保护整流管。汞气整流管虽有耐压高、压降小的优点，但因其要有3分钟预热时间，并且在高压接通瞬间将产生“通”的一声，寿命也较高真空管短，故不选用。用胆整流的电源变压器功率稍大，为700VA，绕组也较多，制作数据见表3。


前级电路输入级6SL7GT、推动级6SN7GT和阴极输出推动级6L6GC三管电路使用元件较多，采用搭棚方式，由3只接线架完成，力求元件单层布置，疏密得当，实体图如图5。所用阻容元件都是通过计算或查应用图表获取，并已装机检测证实。音量电位器使用ALPS100KA×2，电阻未标注功率的均为1/2W ，100pF带通滤波电容宜用云母介质的。4只耦合电容均使用斯碧维他命0.1 600V油浸纸介电容。6L6GC阴极电阻22kΩ/5W 实际功耗2.2W请使用耐热的金属膜电阻，可靠性要高，一旦断线将使FU-5板流大增而发红，危及功放管安全。它接于-210V电源端给阴极输出器提供一个10mA的静态电流，可使推动内阻低且失真小。FU-5的灯丝平衡电位器用100 Ω线绕的大于2W即可，电位器手柄穿底板上只能使用内磁式，否则将产生较大误差。该电流表中通过的电流为板流加栅流，所以大动态时，电流表指针向上摆动属正常情况。这一点与甲类输出管不同，而中等音量以下栅流近似于零，电表指示则为板流。电流表满度电流可选用125～150mA规格。

本机输出变压器是关键部件，一次侧与二次侧线圈相位相反，这是应电路负反馈要求。当然，若发生音频振荡时，可把一次侧B+与P接头对调即可。一次侧电感应大于110H (测试条件为220V/50Hz)。注意普通电感表所测电感为初始电感，其数值一般小于实际电感。本机所用输出变压器及电源变压器均由凯立厂定制。发烧友若想自制，表4给出了制作数据。一次侧分3段绕制，层间绝为0.08mm电缆纸，组间绝缘为电缆纸加聚酯薄膜加电缆纸三层结构。二次侧分两段夹在一次侧中。

电源变压器线圈与输出变压器线圈必须垂直安装，同时加1.5mm厚铁质屏蔽外壳，尽量减小磁场耦合。单端输出变压器因为有气隙属于开磁路变压器，它比推挽输出变压器的闭磁路铁心更容易感应外部磁场干扰。当然电路中加入负反馈大幅降低输出内阻后，阻碍了铁心磁感应，输出变压器抵御外部磁场干扰能力也将大幅增强。制作中有一个有趣的现象，在本机拔除高压整流管后通电，电路不工作，扬声器低音喇叭中有弱交流声，而把高压整流管插入后，电路正常工作，交流声便消失殆尽。又将电源变压器铁心外包厚0.5mm宽度大于铁心叠厚的铁皮3层，再将外壳罩好，就可使磁干扰进一步降低至耳贴低音喇叭也听不到哼声。实践证明此法是消除电源变压器磁泄漏的最有效方法。
试机时发现FU-5灯丝电压为直流10.8V，超过了钍钨阴极灯丝电压±5％的误差要求，这时解决的办法是在整流桥堆与滤波电容间串入0.1Ω/5W 电阻一只，如电源电路图4所示。这样做有3个好处，其一增加了输入内阻约3倍，使峰值电流大幅下降，减轻整流器负担。其二内阻增加后，滤波电容充放电角度增大，改善了滤波效果。其三调整该电阻阻值可精确确定输出电压，是使FU-5管长寿的保证。有一个非常简易的办法，即取 0.3mm 普通导线截取1.5m长即为0.1 Ω电阻，将其作为桥堆与滤波电容之间联线即可，长出部分绑扎起来，这样调整该导线长度，便可精确调整FU-5灯丝电压为10V。该电阻不可串联在直流输出与灯丝之间，否则便没有上述优点了。

六、调试听音
装好后的胆机，性能的确一流，如图6所示。用6P3P栅压调整20kΩ电位器调805板流非常方便，而且很稳定，刚开机至数小时后板流并无变化。805灯丝平衡100Ω电位器调节也非常敏感(无其他干扰)，在中点附近有一点，低音扬声器中听不到一点哼声。一切都如预计，毫无悬念，装配过程出奇顺利。说明本电路是一款优秀成熟的电路，看似有点复杂，其实并无难点。以信号发生器注入扩音机正弦波信号，同时输出接纯电阻负载，测定了输出功率。确认输出正弦波有效值功率在45W 以上，达到48W。估计原因是饱和压降Us按150V计算略有保守，实际可达Us=120V。开机试音表现更不一般，以各种碟片听人声，如 罗海英第一集 ，嗓音柔和甜美，非常耐听。再听一些轻音乐及交响乐，如施特劳斯的《家族》，真是无愧于45W X 2之输出功率，气势磅礴，场面宏大。尤其是听 炎黄第一鼓》，低音鼓点凝聚结实，振人肺腑，再无松散之感，低音明显比845管无负反馈甲类单端机下潜不少。高音如《101North)碟片中第4曲“乡村之晚”在开始与结束时田野中“纺织娘”之丝丝叫声表现得真如夏日夜晚步入田野一般。民乐如“铁观音”中流水声、古筝曲、弦乐等，更是悦耳动听，高音毫无失真的感觉了。高低音域明显向两端扩展。曾用EL34换6P3P作阴极输出推动管，调好FU-5板流后试音，中小功率听不出差别，只有在大功率输出时，似乎更加有力。本机胆管皆为常用管，故选管范围广泛，成本不高。本机从前级管直到输出级及整流管，全套均为曙光管。至此，笔者过去一直不赞成用乙类功率管作甲类单端功放输出管之成见被彻底颠覆。对往日熟视无睹的805胆管的出色表现，真有相识恨晚之感。