DIY2A3和300B单端甲类胆机(设计制作篇).doc

DIY 2A3和300B单端甲类胆机（设计制作篇）一直想做一台2A3和300B通用单端胆机，可以将1993年购买的2A3用起来，而且刚把300B推挽机改为EL34和KT88通用推挽机（见老树发新芽-2A3和300B推挽胆机），换下了1992年版的曙光300B。从设计和修改电路、购买半成品机箱、设计制作变压器和扼流圈，到实际动手制作安装调试，花了一年多的业余时间，到2013年10月完成。之后两年多时间里又修改四次。现在信噪比约90db，耳朵紧贴音箱才可听到一点非常轻微的哼声，稍微离开一点就听不到了。听感：中高频很好，尤其中频失真很小，低频厚实而富有弹性。 一、设计线路 本机电路图如下：乍一看，此电路电源是CLC滤波，然而第一个电容取值很小（0.68uf），只起到了使输出电压在0.9Vin1.414Vin之间调节的作用。带负载的情况下，Vin=352V和403V时，Vout=308V和355V表明：Vout=0.88Vin，因此，其实仍是LC滤波。最初LC滤波并没有采用聚丙烯电容与电解电容混合并联，而是用多个聚丙烯电容并联成180uf，结果通电试机感到哼声比较大，离音箱1米才听不到，而且不受音量电位器控制。很明显，哼声来源于电源和输出级。于是利用机箱剩余空间，增加了多个开关电源用的电解电容并联，使每声道总容量达到710uf。用于开关电源的电解电容具有更小的ESR。下面从理论上估算电源哼声的大小。Vin=352VL=10HC=530uf+180uf=710ufV= Vin/3.7LC=352/3.710710=0.0134V=13.4mV功率管内阻ra与阳极负载RL（输出变压器）构成分压器，所以输出管2A3阳极处脉动电压：Va=(raV)/(ra+RL)=80013.4mV/（800+2500）=3.25mV输出变压器只响应绕组两端的电压，因此它得到的哼声是：13.4mV3.25mV=10.15mV在满输出之下，2A3的电压摆幅为92Vrms，信噪比S/N=20（92/0.01015）=79.15db信噪比约80db，意味着靠近音箱仍可听到哼声。为了进一步提高信噪比，需要给驱动级和输出级的电源增设一级LC滤波。只要这一级滤波器在100HZ处有20.5db的衰减，就可令信噪比提高到100db。20db的换算为比率是25：1，所以要求增设的这级LC滤波器AC分压比是Xl/Xc=25。如果采用180uf电容，则扼流圈只需达到1H就已足够。同时要注意采用内阻（直流电阻）尽量小的扼流圈，以减少直流电压降。我实际采用1.5H1.8H，Rdc=26欧的扼流圈，在70mA电流下的直流压降仅为1.8V，不会影响电子管原来的工作点。根据2A3与300B通用和好声、耐用、不极限运用的原则，线路参数设计计算如下： （1） 电源部分（a）左右声道的高压供电分为两组独立的绕组，采用两个整流管、两个扼流圈、两组电容器进行整流滤波。不采用CLC滤波，采用LC滤波，使整流电压中的交流成分绝大部分降在扼流圈两端（实测有100多伏），降低输出电压紋波，但电源效率较低。（b）300B的高压B+为直流365V，减去输出变压器（直流电阻约100欧姆）的直流压降约78V和300B阴极偏压60V，300B的工作电压是手册规定标准电压300V左右；2A3的高压B+定为直流300V，减去输出变压器的直流压降约7V和2A3阴极偏压45V，2A3的工作电压是手册规定标准电压250V左右。两个整流管采用旁热式的CV2748（5AR4），减少对直热式2A3、300B的冲击。（c）电源变压器给300B供电的次级高压为交流405V，给2A3供电的次级高压为交流355V。用两个继电器（每个继电器内有两组10A转换触头）对405V和355V电压的4个抽头进行切换。（d）300B和2A3的灯丝采用交流供电，用1个继电器（每个继电器内有两组10A转换触头）对5V和2.5V电压的2个抽头进行切换。（e）滤波电容采用聚丙烯电容和电解电容组合并联，其中美国EC的5MP和法国苏伦MKP无感金属化聚丙烯电容并联成两组140uf.。美国EC的5MP电容的性能指标：类型：metallized Polypropylene（金属化聚丙烯）应用：工业和军用级开关电源性能：相对电解电容，较好的电气性能，没有“Roll-off”电容漂移，ESR:4毫欧，共鸣频率：1065KH，纹波电流：30amps，容值高达50uf,过压保护：200；完美的稳定性，低电介质吸收（f）输入级管子的阳极工作电压用两个OB2（WY2）串联进行稳压（215V）。电子管稳压可以使低频大讯号强劲有力，防止振铃，消除的感觉。稳压后经10K阳极负载电阻降压至150V作为6J5GT（L63）的阳极电压。稳压限流电阻的选择计算如下图：最后选用7.2K(10W)。（2） 线路部分（a） 输入级的共阴极放大管不用6SN7GT，而用它的单管类型6J5GT（欧洲马可尼公司生产的型号是L63），两声道两个输入管，互不干扰。（b） 功率管采用2A3时，推动级的SRPP放大管用6SN7GT.。这是因为根据Morgan Jones所著电子管放大器中结论：6SN7GT的原生失真是适合用作驱动级的电子管中最低的，而且在150V阳压下，栅负电压为-4V，实测音量调节后输入交流3.5V信号电压时，经SRPP放大后输出的不失真推动电压是交流60V，满足推动2A3至满功率输出的需要。（c） 功率管采用300B时，推动级的SRPP放大管可用6SN7GT，也可用5687，用自制的转换座实现。根据Morgan Jones电子管放大器，5687的原生失真也很低，仅排在6SN7GT之后，其2次谐波失真仅比6SN7GT高1db，3次谐波失真虽比6SN7GT高13db，但低于E182CC、E288CC、ECC82等约216db。在180V阳压下，5687栅负电压为-7V，实测音量调节后输入交流5V信号电压时，经放大后输出的不失真推动电压是交流85V，满足推动300B的需要。（d） 2A3与300B转换时，用1个继电器（每个继电器内有两组10A转换触头）对750欧和1000欧阴极电阻的2个抽头进行切换，实现阴极电阻的阻值转换。（e） EF184、E180F三极管接法时，单级可推动2A3和300B，因此利用6J5GT的空余管脚，接上EF184的阴极电阻，再自制转换座，并设置开关切除SRPP推动级。实测信号电平1.7V时，EF184输出的交流电压达到80V，足以推动300B。（3） 元件参数部分1、 功率级输出变压器：初级阻抗采用2.5K。因为300B的参数手册上，300V屏压下的负载阻抗是3K，2A3的参数手册上，250V屏压下的负载阻抗是2.5K。考虑到将会以使用2A3为主，所以采用2.5K。2、 各级电子管的阴极偏置电阻：必须设计计算，使其工作在栅压-屏流曲线直线段的中间位置，这就是A类放大的工作点。a）输入级6J5GT工作点阴极偏置电阻选用620欧。如想进一步提高输入管的线性范围，还可以选择430欧的阴极电阻，此时Vg=-3.4V，在150V阳极电压下，阳极电流8mA。由于调节性滤波电容最终由0.7uf增大为1uf，所以增加2mA电流应该不至于影响输入级稳压管正常点亮工作。由于6J5GT阳极电阻不大（10K），可以预期其负载线比较陡峭，有可能产生失真，所以在选择了工作点以后必须验证它的最大不失真输出电压摆幅。先做6J5GT负载线：在6J5GT阳极电压Va、电流Ia与栅极电压Vg关系曲线图横轴上找到高压Vht=215V（即稳压管稳定电压）那一点；再求出在高压Vht =215V下，负载电阻RL=10K时的阳极电流：Iam=Vht/RL=215/10=21.5mA。连接这两点做出RL=10K的负载线，正好通过工作点Q：Va=150V，Ia=6.2mA，果然很陡峭，如下图中的黑线。沿负载线向左，将栅极电压接近出现栅流的Vg=0V以前的Vg=-1V作为电压摆幅的限制点，对应电压是115V。沿负载线向右，一直到Vht=215V都没有限制点。于是：最大不失真输出电压摆幅峰峰值是工作点电压与饱和限制点电压的差值的2倍：Vp-p=2（150-115）=70V，最大不失真输出电压摆幅交流有效值：Vrsm=Vp-p/22=70/2.828=24.75V由于本机调试时测得：输入现代音源标准交流2.0V信号电平时，6J5GT的输出电压是交流有效值21.76V，小于最大不失真输出电压摆幅的交流有效值24.75V，所以不会产生失真，阳极负载电阻RL及工作点阴极电阻Rk都是合适的。为了提高输入管的线性范围和不失真输出电压幅值，可以选择560欧的阴极电阻，并且取消稳压，阳极负载电阻增大为17K，使输入管工作点改为：Va=175V，Ia=8mA，Vg=-4.5V，此时VHT=310V，Iam=VHT/RL=310/17=18.3mA，做出负载线如上图中的红线，正好过工作点Q。Vp-p=2（175-122）=106V，最大不失真输出电压摆幅交流有效值：Vrsm=Vp-p/22=106/2.828=37.5V。此方案作为备用方案。6J5GT阴极电阻两边并联的交流旁路电容不仅影响增益，而且其容量大小对低端频响有很大影响。我进行了计算，看在本线路工作点条件下，用多大容量合适。根据Morgan Jones的著作电子管放大器一书，电子管本身的阴极等效电阻为：rk=（RL+ra）/（u+1）本线路中，RL=10K。电子管的ra和u的值将随阳极静态工作电流大小而变化，不能直接套用手册值。在电子管特性曲线图上作图得出，在Ia=6mA下，ra=9k，u=20，见下图：把作图求出的参数代入上式：rk=（10+9）/（20+1）=0.9047K阴极等效阴极交流电阻rk与阴极偏置电阻Rk是并联关系，阴极总电阻：rk=rkRk =（904.7620）/（904.7+620）=367.88欧姆 Morgan Jones在电子管放大器一书中指出：“ 放大器要有良好的低频响应，不止靠正确的幅度响应，还需要相位和瞬态响应所受的影响最小，而相位和瞬态响应涉及的低频端比截止频率低10倍，所以通常将截止频率f-3db选取为1HZ。”于是，与RK并联的交流旁路电容的容量为：Ck=1/2f-3db rk =1/23.141367.88=432.8uf最接近432.8uf的电容容量标准值是470uf。我选用了470uf/16V瑞典长寿命电容，型号：PEG124。b） 推动级6SN7GT和5687的工作点 如果换管时阴极电阻也要跟着换，就比较麻烦，失去了换管的乐趣，也不会轻易换管。最好是有一个两管和两种工作电压都通用的阴极电阻。利用栅压-屏流曲线作图，在365V和310V电压下，竟然恰好有6SN7GT和5687都适用阴极电阻：620欧。6SN7GT的Vg-Ia曲线图，两种电压下的两个工作点用Q1和Q2标在图中。5687的Vg-Ia曲线图，两种电压下的两个工作点用Q1和Q2标在图中。SRPP电路的阴极交流旁路电容需要计算在本线路工作点条件下用多大容量合适。Morgan Jones的著作电子管放大器指出：“SRPP电路中，上臂管子的阴极电阻Rk是下臂管子的RL，由于其阻值相当低，这意味着必定有Avu。”据此，下臂管子的RL=Rk。由于6J5GT相当于半个6SN7GT，所以在6SN7GT电子管特性曲线图上作图，得到与6J5GT 相同的结果：在Ia=6mA下，ra=9k，u=20，rk=（RL+ra）/（u+1）=（0.62+9）/（20+1）=0.458Krk=rkRk=（458620）/（458+620）=263.4欧姆取f-3db=1HZ，则与RK并联的交流旁路电容的容量为：Ck=1/2f-3db rk=1/23.1410263.4=604uf最接近的电容标准值是680uf。我选用了从丹麦军用通信设备上拆机的银壳680uf/10V钽电解（实测1000 uf）和国产上海牌680uf/6.3V钽电解（实测980 uf）。c）功率管2A3和300B的工作点由于阳极电压和阴极偏置电阻都按标准值设置，所以可以预期工作点也在标准位置上。复核如下：1）300B工作点：由于300B的Va-Vg-Ia特性曲线图没有给出负载线，所以用数值逼近法作出2.5K的负载线：Va=475V，Ia=188mA。沿着负载线向左，与Vg=0V的交点处，Va=112V：沿着负载线向右，与Vg=-120V的交点处，Va=450V：所以阳极交流电压摆幅的峰峰值是Vpp=450V-112V=338V，交流有效值是Vpp/22=119.5Vrms.输出功率P=V2/R=1202/2500=5.76W西电300B手册上，在阳极电压300V，阳极电流60mA下给出的输出功率是6W。2）2A3的工作点：在2A3的Va-Vg-Ia特性曲线图上，从工作点沿着负载线向左，与Vg=0V的交点处，Va=105V：沿着负载线向右，与Vg=-87V的交点处，Va=365V：所以阳极交流电压摆幅的峰峰值是Vpp=365V-105V=260V，交流有效值是Vpp/22=92Vrms.输出功率P=V2/R=922/2500=3.4WRCA的2A3手册上，在阳极电压250V，阳极电流60mA下给出的输出功率是3.5W。英国Audio Note Kit 1功放输出管的阴极交流旁路电容的容量是220uf，同理，也需要校验在本线路工作点条件下是否合适。由于本线路输出管的Va、Vg、Ia、RL都按手册规定的标准取值，所以ra、u也取自手册数据，不必作图求出。对2A3，ra=800欧姆，u=4.2 ，RL=2500欧姆，Rk=750欧姆，等效阴极交流电阻：rk=（RL+ra）/（u+1）=（2500+800）/（4.2+1）=634.6欧姆阴极总电阻：rk=rkRk =（634.6750）/（634.6+750）=343.7欧姆设定f-3db=1HZ与RK并联的交流旁路电容的容量为：Ck=1/2f-3db rk=1/23.141343.7=463uf最接近463uf的电容容量标准值是470uf。我在8个220uf/100V瑞典PEG124长寿命电容中，实测挑选容量230uf左右的，两只并联成约460uf。二、设计制作变压器和扼流圈1、电源变压器初级：220V加屏蔽次级：400-340-0-340-400（V）（0.18A）L声道B电400-340-0-340-400（V）（0.18A）R声道B电0-2.5-5（V）（3A）L声道300B&2A3 的A电0-2.5-5（V）（3A）R声道300B&2A3的A电0-6.3（V）（3A）前级（6J5+6SN7）2或（EF37A+5687）2的A电0-5（V）（5A）5Z4P2的A电采用武钢H12 35WW270全新退火片，磁通17000，11495，舌宽38， 0.35片厚，叠厚70mm，截面26.6c。但是武钢H12的表面绝缘不好，直接叠片可能产生涡流，造成较大的铁损，于是又买了一半叠厚（35mm）的日本Z11硅钢片，与武钢H12穿插使用，剩下的武钢片只能丢弃。计算时取磁通12500，从计算图查出截面26.6c的变压器功率425W，每伏圈数1.37N/V，取1.4N/V。电流密度j=2.5A/m时，d=2(I/3.14j)1/2=0.7(I)1/2电流密度j=3.0A/m时，d=2(I/3.14j)1/2=0.65(I)1/2一般电源变压器电流密度取j=3.0A/m3870骨架尺寸如下：窗口尺寸：宽即可绕线圈厚度（74.6-42.8）2=15.9，长51（1） 初级高压220V，1.37N/V，301匝电流I=P/V=420/220=1.9A，d=0.65(1.9)1/2=0.896，取0.9，S=0.636m查表，0.9漆包线最大外径0.99，51.8长度可绕510.99=51.5匝，取51匝，330匝绕30151=5.9层，层间垫绝缘0.05，厚度6（0.99+0.05）=6.42屏蔽层厚度0.2，两侧垫绝缘0.152=0.3,初级厚度6.42+0.5=6.92骨架内尺寸周长（42.873.7）2=233初级线圈一匝平均长度=233+6.422=245.48=0.246m初级线圈用线长度0.246m301匝=74m ，留20%余量741.2=88.9m取90m，重量M=8.890.63690=0.510，实际买了0.57（2） 次级高压800V2, 1.37N/V，10972=2193匝电流0.2A（200mA），d=0.7(0.2)1/2=0.31，查表，0.31漆包线最大外径0.36，51长度可绕510.36=142匝，2193 匝绕2193142=15.44层，取16层，层间垫绝缘0.05，绕组间垫绝缘0.15，厚16（0.36+0.05）+0.15=6.71。初级绕好后线包外周长=2336.924=260.7，取0.261m次级线圈一匝平均长度=261+6.712=274.7=0.275m初级线圈用线长度0.275m2193匝=603m ，留20%余量6031.2=724mS=0.0755m，重量M=8.890.0755724= 0.486，实际买了0.5高压线圈绕好后线包厚度：（1）+（2）=6.926.71=13.63（3） 次级灯丝5V3, 1.37N/V，21匝6.3V1，1.5N/V，9匝合计：30匝4组用一种线径，电流按5A计算，d=0.65(5)1/2=1.45，最大外径1.56，S=1.65m，51长度可绕511.56=33匝，一层可绕下。绕组间垫绝缘0.15，外包绝缘层0.3，厚度1.56+0.15+0.3=2.01线包总厚度=（1）+（2）+（3）=13.63+2.01=15.64,窗口宽度15.9，尚有0.24余量，OK。高压绕好后线包外周长：（42.8+12）2+（73.3+12）2=281=0.281m32匝0.2811.2=10.8m，取11米M=8.891.6511=0.161，实际买了0.16已知条件：1、初级电压（V1）220.00 伏特2、功率（P）350.00 瓦3、次级高压电压（V2）1620.00 伏特4、次级高压电流（I2）180.00 毫安5、次级低压电压（V3）21.30 伏特6、次级低压电流（I3）4000.00 毫安7、填入估计铁心导磁率（6000-12000）12500.00 高斯8、铁心面积：（ST）26.26 平方厘米计算：1、每伏特匝数（N）1.37 匝/每伏特2、初级匝数（N1）301.60 匝3、次级高压匝数（N2）2220.87 匝4、次级低压匝数（N3）29.20 匝5、初级线直径0.92 毫米6、次级高压线直径0.31 毫米7、次级低压线直径1.45 毫米2、10H/200mA扼流圈实测铁芯786532（），是舌宽22的EI2232铁芯铁芯面积7.0 4c=0.000704窗口面积：3914=546m=5.46c去掉线圈骨架占用空间，可绕线的窗口面积：3512=420m=4.20c取电流密度2.5A/m时，线径是0.7乘以电流（A）的开平方，即：d=0.7=0.313（I=250mA时,d=0.7=0.35）采用0.31漆包线，加漆包0.05，实际线径0.36，则窗口宽度35，一层绕35/0.36=97.2圈；层间不垫纸，则窗口厚度12，可排下：12/0.36=33层；总计可绕9733=3201圈。每圈平均长度=骨架截面周长线包厚度2=（262352）122=146每只扼流圈用线长度=3201圈0.146米=467米，2只934米。计算每个扼流圈直流电阻：RL/S 式中铜的电阻率0.0172，L导线长度，单位：米，S导线截面，单位：m，线径d=0.31，r=0.155，S=0.0755mR=0.01724670.0755=106.3欧姆气隙：实际垫了一张名片厚度，约0.3。计算电感量：L=uN2S/l公式中u：铁芯导磁率（H/m）1（H/m）=T/（A/m)，10000Gs=795,773（A/m)=1T 10000Gs =0.01257（H/m）滤波扼流圈的铁芯体积V、线圈匝数N和空气隙lg，是由三个有相互关系的电气参数，即:电感量L、直流磁化电流I和线圈两端的交流的电压U而决定的。滤波扼流圈的磁路是由铁芯的磁长度1和空气隙lg两部分组成。虽然磁路长度大于空气隙lg，但这两部分是不能直接相加的。因为这两部分的导磁率是不同的，在空气隙中的导磁率是1，而在铁芯中的导磁率视铁芯的饱和程度而定。磁中有空气隙的，其有效导磁率e一般在1001000,减少10100倍。按保守的减少100倍计算，由此，磁通密度10000Gs铁芯的导磁率：u=0.0001257（H/m）l：铁芯平均磁路长度（m）。铁心是大EI22铁芯，即只有舌宽是22，外尺寸与EI26相同， Lc=(78+68)+(39+14)22 =0.126m，查表相同。N：线圈匝数=3201S：铁芯磁回路截面积（）=0.000704计算值L= uN2S/l=0.0001257(3201) 20.0007040.126=7.2H如铁芯是舌宽26，叠厚32的EI26，截面积：8.32 c计算值L= uN2S/l=0.0001257(3201) 20.0008320.15=7.14H实测电感量：9.959.98H3、输出变压器铁芯规格：11495，舌宽38，0.2 mm片厚，叠厚60mm。德国进口高磁导率、高磁饱和强度，低矫顽率E型铁芯初级/次级阻抗：2.5K/6，8初级铜阻：90，次级铜阻0.45（8段环境温度25测试）电感量： 加入直流DC60mA-37H 加入直流DC70mA-33.5H效率：92%频响：8.7Hz-50KHz（-1dB），以1KHz 0dB为参考点。相位：20Hz-16.74，20KHz-14.67，40KHz-28.31，以1KHz 0.34为参考点。变压器本身频率响应的测试a) 幅频特性测试低频端 高频端b) 相频特性测试20HZ 20KHZ（3）方波频响测试左20HZ 左1000HZ左10KHZ 左20KHZ右20HZ 右1000HZ右10KHZ 右20KHZ（4）阻抗测试（5）绕制电源变压器和扼流圈一只扼流圈电感量9.7H 另一只扼流圈电感量L=9.98H电源变压器和扼流圈做好后进行了带额定负荷实验。图片中的集束电灯泡和电阻是实验所用的负载。三、安装买了一个半成品机箱，来时开好了电源变压器方孔、功率管孔、面板旋钮孔以及机后的接线柱和插座孔，其他电子管安装孔、电流表安装需要自己开。安装时尤其注意要使输出变压器与电源变压器铁芯互相垂直，下图中电源变压器是卧式安装的，则输出变压器只能立式安装，以避免受电源变压器的漏磁干扰。接线按照常规，一点接地点即接机箱外壳点选在信号输入插座处，并且用1.5平方软线引到输入级和推动级电子管的接地母线上，信号线屏蔽层在插座处那一端接地，在输入电子管这一端不接地，如两端接地将会引入较大噪声，其他不多说了。上图是最初哼声比较大时的接线，机内没有电解电容。四、开声调试（1）调试电源。先不接入电路和电子管，用两组电灯泡代替功率管负载（260mA=120 mA电流），用电阻代替输入级和推动级电子管负载(230 mA=60 mA电流)。在共计180 mA电流下连续通电12小时，8月份环境温度28度时，电源变压器只有温热，扼流圈不发热。接着检验前级稳压电路在电压较低时能否正常工作。选择在市电较低（215V）时，开启所有家用电器，人为使供电电压降低至210V和208V，插上所有电子管，接好假负载（8欧25W电阻），通电后稳压管能正常点亮，稳定电压符合要求，验证了在低电压且机子满负荷时，稳压管能起稳压作用，达到