Ламповый усилитель очаровывает с первой ноты, но у многих сборщиков первое включение оборачивается испытанием. Между композициями из динамиков вылезает ровный, вязкий гул, который не маскируется музыкой и не исчезает после прогрева. Разбор реального случая с усилителем на лампах 6П3С показывает, что такой фон побеждается не дорогими деталями и не заменой проводов, а холодным расчётом и порядком в монтаже. Дальше по шагам раскрыто, по каким дорогам сетевая частота пробирается в сигнальный тракт, как по форме синусоиды на осциллографе вычислить виновника и какие две конструкции, заземление и экранировка, возвращают в паузы настоящую тишину.
История одного усилителя на 6П3С, в котором тишина исчезла вместе с сетевой частотой
Случай начался с гордости и закончился расследованием. Однотактный каскад на 6П3С работал в паспортном режиме, на аноде стояли 250 вольт, на экранной сетке столько же, смещение на первой сетке составляло минус 14 вольт, ток анода держался около 72 миллиампер. Выходной трансформатор с приведённым сопротивлением 2500 ом отдавал в нагрузку паспортные 5,4 ватта, звук был плотным и объёмным. Подвох прятался в паузах. При регуляторе громкости на минимуме гул почти стихал, при повороте ручки нарастал стремительно. Осциллограф на выходных клеммах показывал чистую синусоиду с периодом 20 миллисекунд, то есть ровно 50 герц. Если бы виновником оказалось питание, на экране светились бы 100 герц, ведь двухполупериодный выпрямитель удваивает частоту пульсаций. Значит, помеха приходила в тракт не из блока питания, а наводилась в сигнальных цепях. Самое любопытное началось именно на этом месте, потому что первый подозреваемый через час был оправдан, а настоящий виновник прятался там, где его никто не ждал. Репетиция показаний выглядела так. Вольтметр переменного тока на выходных клеммах показывал 300 милливольт гула при полной громкости, мультиметр на анодном питании не ловил ничего подозрительного, а замена лампы 6П3С на другой образец не изменила ни одного милливольта. Замена лампы оказалась вторым оправдательным приговором, ведь лампа здесь работала честно, а помеха приходила извне, по проводам и через поля.
Три пути, по которым сеть добирается до сигнального тракта лампы
Прежде чем крутить гайки, стоит понять механику помехи, иначе борьба превращается в лотерею с паяльником. Помеха сетевой частоты попадает в усилитель только тремя дорогами, и каждую из них можно перекрыть:
- Земляная петля, когда общий провод замыкается в кольцо из-за двух и более соединений с шасси, и магнитное поле трансформатора наводит в этом кольце паразитное напряжение;
- Магнитная и электростатическая индукция, когда поля силового трансформатора и сетевых проводов на 220 вольт пересекают незащищённые сигнальные цепи и входные лепестки;
- Гальваническая и ёмкостная связь через цепь накала, когда утечка между подогревателем и катодом передаёт сетевой потенциал прямо в звук.
Каждая дорога оставляет на экране осциллографа свой след, и по нему источник вычисляется без гаданий. В описываемом усилителе след сразу указывал на две первые дороги, а третья держалась в резерве и всплыла позже, когда казалось, что всё уже закончено.
Два соединения с шасси превращают общий провод в приёмную антенну
Земляная петля выглядит безобидно, и в этом её коварство. Экран входного кабеля соединяется с шасси у входного гнезда, а через болт крепления выходного трансформатора общий провод встречается с шасси второй раз. Между точками образуется замкнутый контур площадью в десятки квадратных сантиметров, и поле рассеяния силового трансформатора наводит в нём напряжение по закону электромагнитной индукции. Расчёт для реального случая даёт наглядную картину. При индукции поля рассеяния 0,5 миллитесла в десяти сантиметрах от трансформатора и площади контура 25 квадратных сантиметров амплитуда наводки равна произведению 314 радиан в секунду на 0,0005 тесла и на 0,0025 квадратного метра, что составляет около 0,4 милливольта. Число кажется смешным, пока его не умножают на усиление тракта. От сетки первого каскада до выхода усилитель на 6П3С усиливает примерно в 600 раз, и вот 0,4 милливольта превращаются в 0,24 вольта чистого гула на выходе. В тихой комнате такой фон слышен с дивана, а ночью раздражает сильнее будильника. Лечится петля просто, одна точка вместо двух, и именно с неё начинается наведение порядка в земле.
Разводка земли звездой, при которой все токи сходятся в одной точке
Звезда заземления выглядит как паук в центре паутины, все проводники тянутся от единственного центра к своим нагрузкам и никогда не пересекаются между собой. Центром становится одна точка на шасси, обычно у первого конденсатора фильтра. Силовая земля, куда сходятся выводы накальной обмотки питания, диоды выпрямителя и минусы конденсаторов фильтра, тянется отдельным толстым проводом. Сигнальная земля входных цепей и предварительных каскадов тянется вторым проводом. Земля выходного каскада с катодным резистором 6П3С получает свой третий путь. Никогда силовой и сигнальный токи не должны течь по одному проводу, иначе падение напряжения на его сопротивлении становится частью сигнала. Цифры показывают масштаб бедствия. Пульсация анодного тока в 72 миллиампера на участке общего провода сопротивлением 30 миллиом создаёт падение 2,2 милливольта на частоте 100 герц. Умножение на 600 превращает эти 2,2 милливольта в почти полтора вольта гула, который не выключается никакой ручкой громкости. Лепестки под пайку привинчиваются к шасси заклёпками или винтами с гровером, эмалированное покрытие под ними счищается до металла, потому что краска превращает контакт в диод с непредсказуемым поведением. Входное гнездо изолируется от шасси керамическими стойками, и экран кабеля приходит на лепесток, связанный с шасси только в центре звезды. Каждая лишняя связь с шасси добавляет лишний контур, каждый контур добавляет милливольты. Подстроечный резистор на 100 ом, подключённый между выводами накальной обмотки питания с движком на землю, добавляет финальную точность. Движок поворачивают до минимума фона, и точка покоя находится за пару минут. На каждом плече обмотки сидит по 3,15 вольта, и движок выбирает тот потенциал, при котором утечки с двух половин взаимно компенсируются.
Экранировка силового трансформатора и разворот его корпуса на девяносто градусов
Силовой трансформатор остаётся главной радиостанцией усилителя на частоте 50 герц, и с ним работают в три приёма. Первый приём это взаимная ориентация. Силовой и выходной трансформаторы ставят так, чтобы их обмотки были перпендикулярны, тогда поле рассеяния одного не совпадает с плоскостью витков другого, и наводка падает в разы. В описываемом усилителе разворот силового трансформатора на 90 градусов снизил наводку на входе с 12 до 2 милливольт, шесть раз за одну операцию без единой пайки. Второй приём это магнитный экран. Стальная пластина толщиной 1,5 миллиметра между трансформаторами или стальной кожух вокруг торцов замыкает поле рассеяния на себя, потому что сталь с высокой магнитной проницаемостью уводит силовые линии в обход. Медь и алюминий против медленного магнитного поля на 50 герц почти не работают, они спасают только от электростатической составляющей. Расстояние работает как надёжный экран. В ближней зоне поля рассеяния индукция падает примерно пропорционально кубу расстояния, и увеличение дистанции между трансформатором и входными цепями с 5 до 20 сантиметров ослабляет наводку в 64 раза. Правило практическое, входные цепи держат не ближе 10 сантиметров от силового трансформатора, а сетевой выключатель с проводами 220 вольт уносят в дальний угол шасси. Третий приём это экранная обмотка силового трансформатора, один слой провода между первичной и вторичной обмотками, заземлённый одним концом. Расчёт показывает, зачем она нужна. Ёмкость между обмотками без экрана составляет порядка 200 пикофарад, на частоте 50 герц её сопротивление равно 15,9 мегаом, и ток утечки при 220 вольтах достигает 14 микроампер. На сопротивлении вторичной цепи 10 килоом это даёт 0,14 вольта помехи до выпрямителя. Экранная обмотка снижает ёмкость до 5 пикофарад, сопротивление вырастает в 40 раз, а помеха падает до 3,5 милливольт. Сетевые провода на 220 вольт ведут по дальнему краю шасси, подальше от входных цепей, и каждый сантиметр расстояния работает на тишину.
Подогреватель катода, через который сетевой гул просачивается в музыкальный сигнал
Цепь накала потребляет 6,3 вольта при токе 0,9 ампера на каждую 6П3С, и по её проводам течёт переменный ток сетевой частоты, вокруг которого живёт собственное магнитное поле. Провода накала, проложенные параллельно сигнальным, работают как трансформатор без сердечника и передают гул прямо в сеточные цепи. Спасает скрутка. Два провода накала скручивают с равномерным шагом, токи в них текут навстречу друг другу, поля взаимно уничтожаются, и наводка падает в десятки раз. Провода ведут прижатыми к шасси, а не по воздуху над входными цепями, и ни один сеточный провод не проходит рядом с накальным. Ёмкостная связь доводит картину до абсурда. Паразитная ёмкость всего 0,5 пикофарад между проводом сети 220 вольт и сеточным лепестком имеет сопротивление 6,4 гигаома на частоте 50 герц, и на сеточном резисторе 470 килоом остаётся около 16 милливольт. При усилении тракта в 600 раз это почти десять вольт гула на выходе при полной мощности 5,4 ватта, усилитель превращается в генератор сетевой частоты. Утечка между катодом и подогревателем у лампы допускается паспортными нормами до 100 микроампер при напряжении 200 вольт, и через неё сетевой потенциал накала попадает на катод, а с катода прямо в сигнал. Для предварительных ламп помогает подъём потенциала накала. Делитель из резисторов 68 килоом и 15 килоом от анодных 300 вольт поднимает накал до 54 вольт относительно шасси, конденсатор 10 микрофарад шунтирует нижнее плечо и не пускает пульсации в цепь накала. Ток делителя составляет 3,6 миллиампера, верхний резистор рассеивает 0,88 ватта, поэтому берут двухваттный образец с запасом. Классическим приёмом остаётся шунтирование концов накальной обмотки на землю конденсаторами 0,047 микрофарад. На частоте 50 герц такой конденсатор имеет сопротивление около 68 килоом и уводит высокочастотные составляющие и сетевые наводки мимо катода, не мешая основному току накала в 0,9 ампера. В описываемом усилителе именно цепь накала оказалась последним недобитым виновником, который вылез уже после победы над петлёй и экранами.
Проверка результата, после которой в паузах остаётся только шипение ламп
Финал расследования наступил не по ощущениям, а по цифрам осциллографа. После разрыва петли, разводки звезды, разворота трансформатора и подъёма накала фон на выходных клеммах упал с 300 до 8 милливольт, и на экране осталась чистая частота 100 герц, пульсации питания, которые дожимает фильтр с дросселем 10 генри и конденсатором 40 микрофарад. Полезный сигнал на нагрузке 8 ом достигает 6,6 вольта при полной мощности, остаток в 8 милливольт лежит на уровне минус 58 децибел, и такой результат считается нормой для домашнего лампового аппарата. Расчёт сглаживания подтверждает остаток. Коэффициент сглаживания однозвенного фильтра равен произведению квадрата круговой частоты пульсаций на индуктивность и на ёмкость, то есть 628 в квадрате, умножить на 10 генри и на 0,00004 фарады, что даёт около 158. Пульсации в 8 вольт размаха после выпрямителя превращаются в 50 милливольт на аноде, и лишь малая доля этого остатка доходит до выходных клемм. Контрольная проверка проводится в строгой последовательности. Сначала вход замыкается на землю, и измеряется остаточный фон, затем источник сигнала подключается через кабель, и снова снимается показание, потому что рост фона после подключения кабеля выдаёт петлю между экраном и шасси источника. Генератор с частотой 1 килогерц возвращает понимание чувствительности, и только после этого усилитель считается готовым. Усилитель на 6П3С в финале истории звучал так, как задумывался, тёплый, плотный, тихий в паузах. Главный вывод случая прост, фон лечится не одной волшебной деталью, а порядком, сначала одна точка земли, потом правильная ориентация и экраны, потом дисциплина накальных цепей, и только потом наслаждение музыкой, в которой наконец слышны не помехи сети, а музыкальные нюансы записи.