【价廉物美安全的电子管耳机放大器】 电子管耳机放大器
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发布时间：2023-07-12 05:34
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时间：2024-10-29 07:12
基本特点
大家知道，电子管放大器的声音不同于晶体管放大器，从音色上说，可能更容易被人们接受，造成这种情况的因素很复杂，可以说众说纷纭，莫衷一是。
不过，从放大器本身特性看，首先表现在二者的放大特性曲线的不同上。电子管的特性曲线变化比较平缓，其失真随输入信号增大而增加的趋势比较慢，尤其是在不加负反馈的情况下使用时表现得更为明显。现代晶体管放大器则有所不同，大多要加较深的负反馈以获得较低的失真，但是一旦出现过载，失真便会突然大增。虽说电子管放大器也会出现过载失真，但它仍是平缓地逐渐增大的。对于这两种失真类型，人耳的感觉是不同的。由于人耳在高声压下的听觉呈非线性，对于电子管产生的那种缓种而“自然”增长的失真，人们听起来更象是一种音量的提高而不象是失真的增大。对于晶体管那种具有“突变”性质的失真，人耳的感觉则是相当敏感的。
电子管和晶体管放大器的另一重要不同之处便是，电子管放大器的内阻比晶体管机高，因此对跨接在它两端的换能器（耳机或扬声器）阻尼较小，而晶体管放大器的低内阻输出特性将对换能器产生强烈的阻尼作用，这种阻尼作用将使换能器的频率响应变得十分平直， 应该说性能相当理想。不过与此同时也“磨平”了换能器的独特个性，而电子管的种种个性正是它有别于晶体管而产生独特音色的重要因素之一。
作为本电路设计上的一大特色是它的直流高压供电不是常见的200~250V直流电压，而只是+40V。换言之，是用类同于晶体管放大器的电源电压来制作电子管放大器。因而虽是电子管放大器，但制作起来像晶体管一样安全。此外，电压低，元器件的耐压也低，这当然有利于大大降低成本。下面还会看到，电子管的灯丝供电与40V直流电压的取得，由同一个12V绕组（最好是两个6V绕组）提供，而无需电子管专用的电源变压器。特别是电子管放大器制作中的一大难点――输出变压器，本机中也用小功率（5VA）电源变压器加以代用，而且高低频性能相当好，能够满足HiFi听音的要求。
总之，这款耳机放大器取材容易，制作方便，成本特低，安全可靠，特别适合初学者制作。就是对于耳机发烧友来说，也很有借鉴意义。在此电路基础进行种种实验，不难进一步提高它的性能和音质。
电源本耳机放大器的电路如图1所示。这是一个双声道电路。大致可以看出，输入有音量控制，输出有32Ω和600Ω两种接口，采用一个6V×2（10VA）小功率电源变压器供电。也许读者会对这个耳机放大器使用5W输出的“大”功率电子管EL84（等效管为6BQ5）感到不解。不过只要想到本机工作于40V的条件下时，就不会感到过于奇怪了。实际上EL84工作在+40V屏极电压和5mA的屏极电流下，其功耗仅为200mW，仅为EL84普通正规应用时的功耗的1/50以下。由此也可看出，本机不仅在电气上是安全的，管子本身的发热也不像普通胆机那样烫手，因而从热的方面看也是安全的。
选用EL840/6BQ5的原因，主要是它们的价格相对便宜，而且目前它们还在继续生产并应用于许多HiFi放大器中，长期使用不大会有后顾之忧。此外，采用6.3V供电的EL84/6BQ5，对于简化电源的设计也有有利的一面。因为利用灯丝绕组进行三次倍压整流恰好能获得所需的+40V直流屏压。
EL84/6BQ5的灯丝电压为6.3V，灯丝电流为0.7A，功率消耗约4.5VA，左右声道两只管共同需10VA。由于屏极电流很小，因此本机只要有一个10VA的小功率电源变压器即已足够了。至于次级电压，实际上有二个6V绕组即可。从理论说，把两只EL84/6BQ5的灯丝串联起来，用一个12V绕组供电也是可行的。不过从实际使用情况看，当两只管子灯丝串联后接到12V绕组上，每只管子得到的灯丝电压往往并不相同，所以还是以采用两个6V绕组的更好一些。
EL84/6BQ5屏极所需的40V直流电压也由6V×2绕组经三倍压整流取得，其工作原理如图2所示。在选用电容器时注意耐压值，本例中C1、C2取35V，C3则为63V。
放大
为便于说明，把图1中放大部分的电路画在图3中。这是一个典型的单管A类放大器。输入信号经音量控制后通过栅极防振电阻R1加到EL84的控制栅，经EL84放大后的输出信号经耦合电容C4加到输出变压器的初级，次级可接32Ω阻抗的耳机。如果采用高阻抗（600Ω）耳机，则可直接与耦合电容相接。输出变压器与EL84屏极采用电容耦合，因而变压器初级没有直流电流过，可防止变压器因直流磁化作用而产生的失真。
图4是EL84在屏极和帘栅极电压均为40V下的栅压屏流特性曲线。EL84的静态工作点可由此图确定。作为A类放大，工作点照例要这选取在特性曲线线性部分的中点。显然，负栅压以下的线性范围的中点就是图中的P点。相应于该点的栅压为－0.5V，屏流为5mA，此时放大器的非线性失真最小。据此，EL84的阴极电阻R2设为100Ω，5mA屏流在其上压降0.5V恰好可以作为它的工作偏压，通过音量控制器P1和R1加到EL84的栅极。
由于电子管必须在负栅压下工作，以防出现栅流，由图4可知，在上述工作条件下EL84栅极输入信号电压允许的摆幅0~-1V。从理论上说，只要栅极相对于阴极为负电位，阴极发射的电子都“飞向”电位为正的屏极而不会“飞向”栅极形成栅流。不过实际情况并非一定如此。特别是本机的屏压较低，当输入信号摆幅到到0栅压时，仍会产生20uA的栅流。遇到一些特别强的信号，栅压瞬间为正而会出现更大的栅流，本机栅压为+1V时的栅流可达300uA。出现栅流会使放大器的输入阻抗急剧下降而产生失真，因此要尽量避产生栅流。但是偶然在0栅附近出现一些栅流也是允许的，其前提是要保证这些栅流及时得到泄放。否则，来自阴极的电子不断地聚集在栅压上得不到泄放，栅偏压将越来越负而影响正常的放大特性。为了及时泄放栅流，栅极回路到地的电阻不能过大。普通放大器中，这个电阻（也叫栅漏电阻）大致在100K~1MΩ范围内。这个电阻也不能过小，否则放大器的输入阻抗可能太低而不能与信号源获得良好的匹配。本机中这个电阻是由音量电位器P1来兼任的，这时选取100KΩ，能够兼顾信号源匹配和泄放栅流的要求。
EL84的低压工作条件与其标准工作条件大相径庭。这会不会影响它的音色特点呢？对此不必担心。因为只要仔细比较一下二者的特性曲线，就可以知道二者是很相似的，而实际的制作实践也证明了这一点。
输出
本机的最大特点之一是用小功率电源变压器代替专用的输出变压器。虽说降低了成本，方便了制作，但也要选择合适的变压器才能获得满意的效果。这是因为一个好的输出变压器需要满足诸多方面的要求。
首先，输出变压器要满足阻抗匹配的要求，即把电子管的高阻抗转换到耳机的低阻抗。电子管的负载阻抗RL可以由它的静态屏极电压Ua和屏极电流Ia来估算：RL=Ua/Ia。
EL84标准工作状态下的Ua=250V，Ia=48mA，故RL约为5KΩ。实际推荐值在4.5~5.2KΩ范围内。对于低压工作态状，上面已知Ua=40V，Ia=5mA，故RL约为8 KΩ。实际的负载阻抗可在8 KΩ的上下范围内选取。不过一般倾向于选用较小的负载阻抗，这有利减小失真，特别是有利于减小三次谐波失真。
本机选作输出变压器的电源变压器的初次级匝数比（也即其初次级电压比）为230V：18V=12.8:1。按变压器理论可知，它的初次级阻抗比为匝数比的平方即164:1。市售HiFi耳机最常见的阻抗为32 Ω，把它接到上述电源变压器的次级后，其初级阻抗即为32 Ω×164=5240 Ω，基本符合EL84的要求。应该说明，上述情况是输出变压器直接接在EL84屏极回路里时的情况。实际上，本机与变压器之间采用阻容耦合。也就是说，EL84屏极多了一个1 KΩ的直流负载电阻。这个电阻降低了EL84的实际的RL值，故选用作为输出变压器的电源变压器的匝比低一些，也许匹配会较好一些。换言之，如果使用次级电压为20~24V的变压器，阻抗匹配会更合适一些。
同时，为了获得足够宽的频率响应，要求变压器的初级电感要大而漏感要小。图5为输出变压在低频和高频时的最简等效电路。低频时漏感可以忽略，初级电感则与负载电阻RL并联（图5b）。显然，初级电感越大，低频时它对RL的旁路作用越小，即重放频率越低。高频时初级电感可以忽略，而漏感将起作用，由于漏感是与负载电阻相串联的，因7此高频时它会减小负载电阻上的信号电压，使高频响应跌落。为此，在EL84的直流负载回路中串入电感L1，L2，连同输出变压器的作用，获得了平直的响应曲线。本机使用的电源变压器规格是230V（50/60Hz），次级18V，功率容量4.8VA，实际频响为20Hz~45KHz。鉴于电源变压器的绕制工艺都相当简单，能取得这样的响应是十分理想的了。其实，要买到这样规格的变压器也可能不太容易，这样设计的更实在的意义在于，与其花时间去寻觅这样的变压器，还不如自己绕制一个来得更方便一些。因为这个“电源”变压器并不用在对绝缘性能要求很高的市电网中，可以说它对绝缘几乎没有要求。自己绕制时，还可通过采用简单的分层或分段绕制工艺来改进其性能。本机的其它性能指标是：
上面的特性表中给出了EL84阴极有无负反馈时的部分特性。有阴极负反馈时（即去掉100u阴极旁路电容），失真较低，但听古典音乐时可能少一些电子管的“温暖”，多一些透明感，而听摇滚乐时会产生一些电子管类型的失真。并根据自已的爱好来选择到底要不要施加阴极负反馈，或加一个开关来实现有无负反馈之间的转换。
制作
有关变压器的要求，以上已作了详细说明。EL84屏极补偿电感L1、L2的电感量为330mH，市售小型电感线圈的电感量最大也仅100mH左右，可以用2~3个串联起来代替。也可利用这些电感线圈通过加绕匝数来改制。不过改制应注意的是，新加上去的绕线方向应与原来绕线方向一致。因此实际绕制时最好把原线圈外绝缘剥去，拆下全部绕线并记住它的匝数（设为N1）和电感量（设为L1），如果重新绕制后的电感量要求为L2，那么应绕制的匝数N2为：N2=N1×√L2/L1。由此可见，如要把原来的100mH电感改为300mH，只需把原来的匝数增加到1.7倍即可。电感中只通过5~10mA电流即可，只要体积不过大，可用原来的线经绕制，否则也可选用较细一些的导线绕制，一般只要绕线电阻不超过500Ω左右就可以了。不过应指出，当使用高阻抗耳机时，L1、L2可以省去。
有关元件的耐压已在图1中注明。其余元器可按一般要求选用。由于整机仅屈指可数的几个RC元件，完全可以利用电位器、管座及变压器等的焊片作为支架进行直接搭接。图6的布局可供参考。
大多数年青的音乐或音响爱好者选用耳机欣赏音乐，可能主要出于经济方面的考虑。作为耳机放大器，本机具有很好的性价比，应该是他们入门的理想“伴侣”。
