Uvod u cijevna pojačala

Pozdrav svima
Upustil sam se u dizajn prvoga pojacala koji sam usput opisal kao kratki vodic pa me slobodno ispravite ako neke nije vredu.
Za pojacalo se koristi jedna 6N6P (pola po kanalu) i dvije izlazne 6S19P (jedna po kanalu).
Za sad imam samo pojacalo bez napajanja i izlaznog transformatora kod kojeg opce ne znam kak bi pocel pa ako bi me mogli upititi bio bi zahvala.
Da ne duljim...
Pojačalo je zamišljeno kao jednostavan projekt za početnika (kao što sam i ja). Samo pojačalo imalo bi izlaznu snagu od 1W po kanalu. Sve cijevi rade u klasi A bez povratne veze, a faktor iskoristivosti samog pojačala je 8% pri maksimalnoj snazi.
Shema:

Ulazni stupanj:
Ulazna osjetljivost pojačala iznosi 0 dBV što iznosi 1VRMS odnosno signali do amplitude 1.41V.
Osjetljivost od 0dBV odabrana je iz razloga što je to uobičajena razina koja se pojavljuje na izlazu današnjih uređaja kao što su CD i DVD reproduktori, televizori, računala i drugi.
Ulazni dio pojačala sastoji se od otpornika R100 iznosa 500kΩ i 100kΩ logaritamskog potenciometra za regulaciju ulaznog signala. Otpornik R100 i potenciometar čine omsko dijelilo koje služi kako bi se ulazni signal dodatno smanjio kako nebi došlo do rezanja signala zbog prevelike pobude. Promjenom otpornika R100 iz 500kΩ u 100kΩ postiže se osjetljivost od
-10dBV odnosno maksimalni otklon izlaznog stupnja postiže se za maksimalnu amplitudu ulaznog signala od 0.441V. Nakon njega nalazi se otpornik R1 koji u kombinaciji sa kondenzatorom C 1 čini nisko propusni filtar koji ima propusnost do frekvencije od 20kHz do 80kHz (ovisno o položaju potenciometra) što će u stvarnosti još pasti ali se korekcija lako izvede promjenom vrijednosti kondenzatora C1.
Otpornik R1 također služi za ograničavanje struje rešetke u slučaju da napon na rešetci postane pozitivan kako ne bi došlo do oštećivanja rešetke triode.

Prvi stupanj:
Prvi stupanj pojačala koristi polovicu vakumske cijevi 6N6P. Ta cijev je odabrana zbog svoje velike linearnosti, velikog faktora pojačanja i male cijene.
Radne točke cijevi određene su grafičkom metodom te je za prvu triodu odabrana radna točka
Q1 80V 11mA

Radni pravac određen je dvjema točkama od čega je prva napon napajanja 240V, a druga točka je iznos struje kada bi zamislili da napon cijevi padne na 0 odnosno da je samo anodni otpor spojen između napona i mase što bi iznosilo 16mA. Iz toga podatka lako izračunamo iznos radnog otpora Ra=240/0.016=15kΩ što je standardna vrijednost otpora te njega uzimamo.
Struja koja teče kroz otpor jednaka je mirnoj struji cijevi čime će disipacija na otporu biti jednaka PRa=Ik^2*Ra=1.82W. Za faktor sigurnosti u ovom slučaju uzet će se 2 i time se dobiva snaga od 3.64W stoga se za radni otpor uzima standardni otpornik snage veći od dobivene što je 5W.
Na radnome pravcu za radnu točku odabrano je sjecište radnoga pravca sa krivuljom upravljačke rešetke -2V.
6N6P ima maksimalnu dozvoljenu disipaciju na anodi od 4.8W po triodi odnosno 8W za cijelu cijev.
Pošto je radna točka odabrana na naponu od 80V i struji od 11mA disipacija anode iznos 0.88W što je daleko ispod dozvoljene granice te će osigurati dugotrajan i pouzdan rad cijevi.
Kako bi trioda mogla raditi kao pojačivaćki element napon na rešetci treba biti negativan što se može vidjeti i iz grafa karakteristike cijevi gdje je napon rešetke nacrtan krivuljama od 0V do -12V.
To možemo ostvariti tako da se na rešetku dovede negativan prednapon ili da se sve ostalo podigne za taj iznos napona u odnosu na rešetku što se postiže otpornikom R3.
U radnoj točci napon na rešetci iznosi -2V a mirna struja iznosi 11mA što Ohmovim zakonom daje iznos otpora R3=Ug/Ik=182Ω. Pošto to nije standardni iznos otpornika za katodni otpor se uzima najbliža standardna vrijednost i ona iznosi 180Ω. Sa otporom od 180Ω prednapon na rešetci će iznositi -1.94V. Disipacija snage na otporniku iznosi 0.021W čime je očito da će standardni otpornik od 1/4W biti i više nego dovoljan.
Kondenzator C2 ima ulogu kratkospajanja izmjeničnog signala na masu čime se u dinamičkim uvjetima zaobilazi otpor R3. Iznos kondenzatora C2 određuje se niskofrekventnom analizom koja nije previše složena ali u ovome slučaju poslužiti ćemo se malim trikom. Prvo se izračuna vremenska konstanta na način da su spojeni samo otpornik R3 i kondenzator C2, a sve okolo njih se zanemari pa se njihova rezonantna frekvencija računa kao frez=1/(2*π*C2*R3) . Kako se radi o dizajnu audio pojačala za rezonantnu frekvenciju odabere se 20Hz i tada je C2=1/(2*π*R3*frez)=44μF. Prvi veći kondenzator bio bi 47μF no mi ćemo odabrati drugi veći kondenzator standardne veličine koji je iznosa 68μF. Pošto razina signala preko kondenzatora C2 nikada ne prelazi 3V elektrolitski kondenzator 68μF/25V bit će i više nego dovoljan.
Iz grafa se još može odrediti i približna vrijednost udjela drugog harmonika.
Ako je radna točka postavljena na 80V i ako se na kontrolnu rešetku dovede signal maksimalne amplitude 232mV maksimalna promjena signala na anodi iznositi će Vp=3.4V odnosno Vn=3.5V. Iz toga se dobije udio drugog harmonika pomoču formule H2=(Vp-Vn)/(2*(Vp+Vn))*100=0.72%
Uloga kondenzatora C3 je da odvoji razine istosmjernih napona između stupnjeva pojačala. Kondenzator C3 sa otpornikom R4 čini visokopropusni filtar koji značajno utječe na odziv niskih frekvencija. Pošto kroz kontrolne rešetke gotovo da ne teče struja možemo zanemariti otpornik R5 i sve što je poslije njega. Iako se otpornik R5 mogao zanemariti radni otpor R2 kao i sve što je na njega priključeno u paraleli je sa visokopropusnim filtrom te je analiza stoga složenija. Ponovo ćemo se poslužiti trikom i samo računati rezonantnu frekvenciju kondenzatora C3 i otpornika R4. Ponovo za frez uzimamo 20Hz i C2=1/(2*π*R4*frez)=80nF. Prvi veći kondenzator standardne veličine iznosa je 100nF te njega odabiremo. Vremenska konstanta nabijanja kondenzatora iznosi τ=C3*R4=0.01s. Period signala frekvencije 20Hz inosi t20=1/20=0.05s od čega je četvrtina signala dio koji poprima vrijednosti od 0 do maksimuma što iznosi 12.5ms. Pomoću formule za nabijanje kondenzatora Vc=Vs*(1-e^(-t/(R*C))) provjeravamo da li je kondenzator C3 dovoljne veličine. Vc bit će nepon na koji se kondenzator nabio, Vs je maksimalan napon koji nabija kondenzator u ovom slučaju 3.5V, t je trajanje nabijanja što je u ovom slučaju vrijeme porasta od 0 do maksimuma, a umnožak R*C je vremenska konstanta τ. Kada se to uvrsti dobiva se Vc=2.498V. Donja granična frekvencija uzima se ne razini -3dB što je jednako kao da se signal podijeli sa sqrt(2). Ako signal amplitude 3.5V podjelimo sa sqrt(2) dobivamo 2.475V što je manje od Vc=2.498V što bi značilo da kondenzator nije dovoljne veličine ali kako napon nabijanja nije konstantan nego raste od 0 do maksimuma ova vrijednost je dovoljna na što ukazuje i rezonantna frekvencija CR mreže od 16 Hz. Pomoću programa LTspice potvrđeno je da iznos od 100nF zaista daje donju graničnu frekvenciju od 20Hz.
Otpornik R5 služi za ograničavanje struje rešetke u slučaju da napon na rešetci postane pozitivan kako ne bi došlo do oštećivanja rešetke triode.
Drugi stupanj:
Drugi stupanj pojačala koristi drugu polovicu vakumske cijevi 6N6P.
Radne točke cijevi određene su grafičkom metodom te je za drugu triodu odabrana radna točka
Q1 170V 14mA
Drugi stupanj pojačala koristi vakumsku cijevi 6S19P. Ta cijev je odabrana zato što ima vrlo veliku linearnost uz koju može pružiti dovoljne razine snage u ovom slučaju oko 3W. Drugi razlog je niska cijena same cijevi.
Odabrana je radna točka
Q2 128V 52mA

Radni pravac određen je dvjema točkama od čega je prva napon napajanja 265V, a druga točka je iznos struje kada bi zamislili da napon cijevi padne na 0 odnosno da je samo anodni otpor spojen između napona i mase što bi iznosilo 39mA. Iz toga podatka lako izračunamo iznos radnog otpora Ra=265/0.039=6795Ω. Najbliži standardni otpornik iznosi 6.8kΩ te se njega uzima za radni otpor.
Struja koja teče kroz otpor jednaka je mirnoj struji cijevi čime će disipacija na otporu biti jednaka PRa=Ik^2*Ra=1.33W. Za faktor sigurnosti u ovom slučaju uzet će se 2 i time se dobiva snaga od 2.66W stoga se za radni otpor uzima standardni otpornik snage veći od dobivene što je 3W.
Na radnome pravcu za radnu točku odabrano je sjecište radnoga pravca sa krivuljom upravljačke rešetke -6.6V.
6N6P ima maksimalnu dozvoljenu disipaciju na anodi od 4.8W po triodi odnosno 8W za cijelu cijev.
Pošto je radna točka odabrana na naponu od 170V i struji od 14mA disipacija anode iznos 2.38W što je daleko ispod dozvoljene granice te će osigurati dugotrajan i pouzdan rad cijevi.
Kako bi trioda mogla raditi kao pojačivaćki element napon na rešetci treba biti negativan što se može vidjeti i iz grafa karakteristike cijevi gdje je napon rešetke nacrtan krivuljama od 0V do -12V.
To možemo ostvariti tako da se na rešetku dovede negativan prednapon ili da se sve ostalo podigne za taj iznos napona u odnosu na rešetku što se postiže otpornikom R7.
U radnoj točci napon na rešetci iznosi -6.6V a mirna struja iznosi 14mA što Ohmovim zakonom daje iznos otpora R3=Ug/Ik=471Ω. Pošto to nije standardni iznos otpornika za katodni otpor se uzima najbliža standardna vrijednost i ona iznosi 470Ω. Sa otporom od 470Ω prednapon na rešetci će iznositi -6.6V. Disipacija snage na otporniku iznosi 0.092W čime je očito da će standardni otpornik od 1/4W biti i više nego dovoljan.
Kondenzator C4 ima ulogu kratkospajanja izmjeničnog signala na masu čime se u dinamičkim uvjetima zaobilazi otpor R7. Iznos kondenzatora C4 određuje se niskofrekventnom analizom koja nije previše složena ali u ovome slučaju poslužiti ćemo se malim trikom. Prvo se izračuna vremenska konstanta na način da su spojeni samo otpornik R7 i kondenzator C4, a sve okolo njih se zanemari pa se njihova rezonantna frekvencija računa kao frez=1/(2*π*C4*R7) . Kako se radi o dizajnu audio pojačala za rezonantnu frekvenciju odabere se 20Hz i tada je C4=1/(2*π*R7*frez)=17μF. Prvi veći kondenzator bio bi 22μF no mi ćemo odabrati drugi veći kondenzator standardne veličine koji je iznosa 47μF. Pošto razina signala preko kondenzatora C2 nikada ne prelazi 7V elektrolitski kondenzator 47μF/25V bit će i više nego dovoljan. Pošto niskofrekventna analiza nije tako jednostavna pomoću programa LTspice utvrđeno je kao je potreban kondenzator veličine 100μF pa će se za kondenzator C4 uzeti 100μF/25V.
Iz grafa se još može odrediti i približna vrijednost udjela drugog harmonika.
Ako je radna točka postavljena na 170V i ako se na kontrolnu rešetku dovede signal maksimalne amplitude 3.5V maksimalna promjena signala na anodi iznositi će Vp=39V odnosno Vn=38V. Iz toga se dobije udio drugog harmonika pomoču formule H2=(Vp-Vn)/(2*(Vp+Vn))*100=0.65%
Uloga kondenzatora C5 je da odvoji razine istosmjernih napona između stupnjeva pojačala. Kondenzator C5 sa otpornikom R8 čini visokopropusni filtar koji značajno utječe na odziv niskih frekvencija. Pošto kroz kontrolne rešetke gotovo da ne teče struja možemo zanemariti otpornik R9 i sve što je poslije njega. Iako se otpornik R5 mogao zanemariti radni otpor R6 kao i sve što je na njega priključeno u paraleli je sa visokopropusnim filtrom te je analiza stoga složenija. Ponovo ćemo se poslužiti trikom i samo računati rezonantnu frekvenciju kondenzatora C5 i otpornika R9. Ponovo za frez uzimamo 20Hz i C5=1/(2*π*R8*frez)=80nF. Prvi veći kondenzator standardne veličine iznosa je 100nF te njega odabiremo. Vremenska konstanta nabijanja kondenzatora iznosi τ=C3*R4=0.01s. Period signala frekvencije 20Hz inosi t20=1/20=0.05s od čega je četvrtina signala dio koji poprima vrijednosti od 0 do maksimuma što iznosi 12.5ms. Pomoću formule za nabijanje kondenzatora Vc=Vs*(1-e^(-t/(R*C))) provjeravamo da li je kondenzator C3 dovoljne veličine. Vc bit će nepon na koji se kondenzator nabio, Vs je maksimalan napon koji nabija kondenzator u ovom slučaju 40V, t je trajanje nabijanja što je u ovom slučaju vrijeme porasta od 0 do maksimuma, a umnožak R*C je vremenska konstanta τ. Kada se to uvrsti dobiva se Vc=28.54V. Donja granična frekvencija uzima se ne razini -3dB što je jednako kao da se signal podijeli sa sqrt(2). Ako signal amplitude 40V podjelimo sa sqrt(2) dobivamo 28.28V što je manje od Vc=28.54V što bi značilo da kondenzator nije dovoljne veličine ali kako napon nabijanja nije konstantan nego raste od 0 do maksimuma ova vrijednost je dovoljna na što ukazuje i rezonantna frekvencija CR mreže od 16 Hz. Pošto je to drugi filtar u nizu nastaje filtar drugoga reda kojemu karakteristika ne pada sa 3dB/oktavi već 6dB/oktavi stoga je rezonantnu frekvenciju drugog filtra potrebno postaviti niže od rezonantne frekvencije prvog filtra. Ako se za vrijednost kondenzatora C5 uzme vrijednost od 1μF rezonantna frekvencija spustiti će se 10 puta što je i više nego dovoljno da ne ometa zadanu donju graničnu frekvenciju od 20Hz. Pomoću programa LTspice potvrđeno je da iznos od 1μF zaista daje donju graničnu frekvenciju od 20Hz.
Otpornik R5 služi za ograničavanje struje rešetke u slučaju da napon na rešetci postane pozitivan kako ne bi došlo do oštećivanja rešetke triode.
Treći stupanj:
Trećii stupanj pojačala koristi vakumsku cijevi 6S19P. Ta cijev je odabrana zato što ima vrlo veliku linearnost uz koju može pružiti dovoljne razine snage u ovom slučaju oko 1W. Drugi razlog je niska cijena same cijevi.
Odabrana je radna točka
Q2 180V 60mA

Radni pravac određen je dvjema točkama od čega je prva napon napajanja 320V, a druga točka je iznos struje kada bi zamislili da napon cijevi padne na 0 odnosno da je samo anodni otpor spojen između napona i mase što bi iznosilo 133mA. . Iz toga podatka lako izračunamo iznos radnog otpora Ra=320/0.133=2406Ω te će se za radni otpor uzeti najbliža okrugla vrijednost koja iznosi 2.4kΩ.
Kod cijevnih pojačala radni otpor izlaznog stupnja u pravilu je transformator koji ima impedanciju primara jednaku potrebnom radnom otporu. Izlazni transformator koristi se zato što elektronske cijevi rade sa relativno visokim naponima i niskim strujama koje su posljedica velikog unutarnjeg otpora samih cijevi. Iz tog razloga cijevi ne mogu pogoniti nisko omske zvučnike te im je potreban transformator kako bi se niska impedancija zvučnika obično 4Ω, 8Ω ili 16Ω prikazala kao visoka impedancija radnog otpora u ovom slučaju 2.4kΩ.
Na radnome pravcu za radnu točku odabrano je sjecište radnoga pravca sa krivuljom upravljačke rešetke -60V.
6S19P ima maksimalnu dozvoljenu disipaciju na anodi od 11W.
Pošto je radna točka odabrana na naponu od 175V i struji od 60mA disipacija anode iznos 10.5W što je još uvijek unutar granice za ovu cijev..
Kako bi trioda mogla raditi kao pojačivaćki element napon na rešetci treba biti negativan što se može vidjeti i iz grafa karakteristike cijevi gdje je napon rešetke nacrtan krivuljama od -5V do -160V.
To možemo ostvariti tako da se na rešetku dovede negativan prednapon ili da se sve ostalo podigne za taj iznos napona u odnosu na rešetku što se postiže otpornikom R11.
U radnoj točci napon na rešetci iznosi -60V a mirna struja iznosi 60mA što Ohmovim zakonom daje iznos otpora R3=Ug/Ik=1000Ω. Kako je to standardni otpor njega uzimamo za katodni otpor. Pomoću simulacije u programu LTspice dobiveno je da će prednapon na rešetci iznositi -52V. U ovome slučaju došlo je do razlikovanja mirne struje za 13% (iz grafa je određena vrijednost od 60mA, a simulacijom je dobivena vrijednost od 52mA). Disipacija snage na otporniku iznosi 2.7W uz faktor sigurnosti od 2 potreban je otpornik snage 5W kako bi se osigurao pouzdan rad.
Kondenzator C6 ima ulogu kratkospajanja izmjeničnog signala na masu čime se u dinamičkim uvjetima zaobilazi otpor R11. Iznos kondenzatora C6 određuje se niskofrekventnom analizom koja nije previše složena ali u ovome slučaju poslužiti ćemo se malim trikom. Prvo se izračuna vremenska konstanta na način da su spojeni samo otpornik R11 i kondenzator C6, a sve okolo njih se zanemari pa se njihova rezonantna frekvencija računa kao frez=1/(2*π*C6*R11) . Kako se radi o dizajnu audio pojačala za rezonantnu frekvenciju odabere se 20Hz i tada je C6=1/(2*π*R11*frez)=8μF. Prvi veći kondenzator standardne veličine iznosa je 10μF, njega preskacemo i odabiremo drugi veći što iznosi 22μF. Pošto razina signala preko kondenzatora C6 nikada ne prelazi 60V dovoljan će biti elektrolitski kondenzator 22μF/100V. Pomoću programa LTspice dobivena je donja granična frekvencija od 25Hz stoga je potrebna vrijednost od 47μF kako bi se granica spustila na 20Hz pa će se za kondenzator C4 uzeti 47μF/100V.
Iz grafa se još može odrediti i približna vrijednost udjela drugog harmonika.
Ako je radna točka postavljena na 180V i ako se na kontrolnu rešetku dovede signal maksimalne amplitude 40V maksimalna promjena signala na anodi iznositi će Vp=80V odnosno Vn=70V. Iz toga se dobije udio drugog harmonika pomoću formule H2=(Vp-Vn)/(2*(Vp+Vn))*100=3.33%
Maksimalna izlazna snaga pojačala iznosi oko 1W po kanalu.
Simulacijom cijeloga sklopa u programu LTspice ukupno harmoničko izobličenje iznosi 1.9% pri maksimalnoj snazi ali bez izlaznog transformatora (prikazan je samo kao radni otpor).

Hvala na pažnji i Živjeli!!!
Upustil sam se u dizajn prvoga pojacala koji sam usput opisal kao kratki vodic pa me slobodno ispravite ako neke nije vredu.
Za pojacalo se koristi jedna 6N6P (pola po kanalu) i dvije izlazne 6S19P (jedna po kanalu).
Za sad imam samo pojacalo bez napajanja i izlaznog transformatora kod kojeg opce ne znam kak bi pocel pa ako bi me mogli upititi bio bi zahvala.
Da ne duljim...
Pojačalo je zamišljeno kao jednostavan projekt za početnika (kao što sam i ja). Samo pojačalo imalo bi izlaznu snagu od 1W po kanalu. Sve cijevi rade u klasi A bez povratne veze, a faktor iskoristivosti samog pojačala je 8% pri maksimalnoj snazi.
Shema:

Ulazni stupanj:
Ulazna osjetljivost pojačala iznosi 0 dBV što iznosi 1VRMS odnosno signali do amplitude 1.41V.
Osjetljivost od 0dBV odabrana je iz razloga što je to uobičajena razina koja se pojavljuje na izlazu današnjih uređaja kao što su CD i DVD reproduktori, televizori, računala i drugi.
Ulazni dio pojačala sastoji se od otpornika R100 iznosa 500kΩ i 100kΩ logaritamskog potenciometra za regulaciju ulaznog signala. Otpornik R100 i potenciometar čine omsko dijelilo koje služi kako bi se ulazni signal dodatno smanjio kako nebi došlo do rezanja signala zbog prevelike pobude. Promjenom otpornika R100 iz 500kΩ u 100kΩ postiže se osjetljivost od
-10dBV odnosno maksimalni otklon izlaznog stupnja postiže se za maksimalnu amplitudu ulaznog signala od 0.441V. Nakon njega nalazi se otpornik R1 koji u kombinaciji sa kondenzatorom C 1 čini nisko propusni filtar koji ima propusnost do frekvencije od 20kHz do 80kHz (ovisno o položaju potenciometra) što će u stvarnosti još pasti ali se korekcija lako izvede promjenom vrijednosti kondenzatora C1.
Otpornik R1 također služi za ograničavanje struje rešetke u slučaju da napon na rešetci postane pozitivan kako ne bi došlo do oštećivanja rešetke triode.

Prvi stupanj:
Prvi stupanj pojačala koristi polovicu vakumske cijevi 6N6P. Ta cijev je odabrana zbog svoje velike linearnosti, velikog faktora pojačanja i male cijene.
Radne točke cijevi određene su grafičkom metodom te je za prvu triodu odabrana radna točka
Q1 80V 11mA

Radni pravac određen je dvjema točkama od čega je prva napon napajanja 240V, a druga točka je iznos struje kada bi zamislili da napon cijevi padne na 0 odnosno da je samo anodni otpor spojen između napona i mase što bi iznosilo 16mA. Iz toga podatka lako izračunamo iznos radnog otpora Ra=240/0.016=15kΩ što je standardna vrijednost otpora te njega uzimamo.
Struja koja teče kroz otpor jednaka je mirnoj struji cijevi čime će disipacija na otporu biti jednaka PRa=Ik^2*Ra=1.82W. Za faktor sigurnosti u ovom slučaju uzet će se 2 i time se dobiva snaga od 3.64W stoga se za radni otpor uzima standardni otpornik snage veći od dobivene što je 5W.
Na radnome pravcu za radnu točku odabrano je sjecište radnoga pravca sa krivuljom upravljačke rešetke -2V.
6N6P ima maksimalnu dozvoljenu disipaciju na anodi od 4.8W po triodi odnosno 8W za cijelu cijev.
Pošto je radna točka odabrana na naponu od 80V i struji od 11mA disipacija anode iznos 0.88W što je daleko ispod dozvoljene granice te će osigurati dugotrajan i pouzdan rad cijevi.
Kako bi trioda mogla raditi kao pojačivaćki element napon na rešetci treba biti negativan što se može vidjeti i iz grafa karakteristike cijevi gdje je napon rešetke nacrtan krivuljama od 0V do -12V.
To možemo ostvariti tako da se na rešetku dovede negativan prednapon ili da se sve ostalo podigne za taj iznos napona u odnosu na rešetku što se postiže otpornikom R3.
U radnoj točci napon na rešetci iznosi -2V a mirna struja iznosi 11mA što Ohmovim zakonom daje iznos otpora R3=Ug/Ik=182Ω. Pošto to nije standardni iznos otpornika za katodni otpor se uzima najbliža standardna vrijednost i ona iznosi 180Ω. Sa otporom od 180Ω prednapon na rešetci će iznositi -1.94V. Disipacija snage na otporniku iznosi 0.021W čime je očito da će standardni otpornik od 1/4W biti i više nego dovoljan.
Kondenzator C2 ima ulogu kratkospajanja izmjeničnog signala na masu čime se u dinamičkim uvjetima zaobilazi otpor R3. Iznos kondenzatora C2 određuje se niskofrekventnom analizom koja nije previše složena ali u ovome slučaju poslužiti ćemo se malim trikom. Prvo se izračuna vremenska konstanta na način da su spojeni samo otpornik R3 i kondenzator C2, a sve okolo njih se zanemari pa se njihova rezonantna frekvencija računa kao frez=1/(2*π*C2*R3) . Kako se radi o dizajnu audio pojačala za rezonantnu frekvenciju odabere se 20Hz i tada je C2=1/(2*π*R3*frez)=44μF. Prvi veći kondenzator bio bi 47μF no mi ćemo odabrati drugi veći kondenzator standardne veličine koji je iznosa 68μF. Pošto razina signala preko kondenzatora C2 nikada ne prelazi 3V elektrolitski kondenzator 68μF/25V bit će i više nego dovoljan.
Iz grafa se još može odrediti i približna vrijednost udjela drugog harmonika.
Ako je radna točka postavljena na 80V i ako se na kontrolnu rešetku dovede signal maksimalne amplitude 232mV maksimalna promjena signala na anodi iznositi će Vp=3.4V odnosno Vn=3.5V. Iz toga se dobije udio drugog harmonika pomoču formule H2=(Vp-Vn)/(2*(Vp+Vn))*100=0.72%
Uloga kondenzatora C3 je da odvoji razine istosmjernih napona između stupnjeva pojačala. Kondenzator C3 sa otpornikom R4 čini visokopropusni filtar koji značajno utječe na odziv niskih frekvencija. Pošto kroz kontrolne rešetke gotovo da ne teče struja možemo zanemariti otpornik R5 i sve što je poslije njega. Iako se otpornik R5 mogao zanemariti radni otpor R2 kao i sve što je na njega priključeno u paraleli je sa visokopropusnim filtrom te je analiza stoga složenija. Ponovo ćemo se poslužiti trikom i samo računati rezonantnu frekvenciju kondenzatora C3 i otpornika R4. Ponovo za frez uzimamo 20Hz i C2=1/(2*π*R4*frez)=80nF. Prvi veći kondenzator standardne veličine iznosa je 100nF te njega odabiremo. Vremenska konstanta nabijanja kondenzatora iznosi τ=C3*R4=0.01s. Period signala frekvencije 20Hz inosi t20=1/20=0.05s od čega je četvrtina signala dio koji poprima vrijednosti od 0 do maksimuma što iznosi 12.5ms. Pomoću formule za nabijanje kondenzatora Vc=Vs*(1-e^(-t/(R*C))) provjeravamo da li je kondenzator C3 dovoljne veličine. Vc bit će nepon na koji se kondenzator nabio, Vs je maksimalan napon koji nabija kondenzator u ovom slučaju 3.5V, t je trajanje nabijanja što je u ovom slučaju vrijeme porasta od 0 do maksimuma, a umnožak R*C je vremenska konstanta τ. Kada se to uvrsti dobiva se Vc=2.498V. Donja granična frekvencija uzima se ne razini -3dB što je jednako kao da se signal podijeli sa sqrt(2). Ako signal amplitude 3.5V podjelimo sa sqrt(2) dobivamo 2.475V što je manje od Vc=2.498V što bi značilo da kondenzator nije dovoljne veličine ali kako napon nabijanja nije konstantan nego raste od 0 do maksimuma ova vrijednost je dovoljna na što ukazuje i rezonantna frekvencija CR mreže od 16 Hz. Pomoću programa LTspice potvrđeno je da iznos od 100nF zaista daje donju graničnu frekvenciju od 20Hz.
Otpornik R5 služi za ograničavanje struje rešetke u slučaju da napon na rešetci postane pozitivan kako ne bi došlo do oštećivanja rešetke triode.
Drugi stupanj:
Drugi stupanj pojačala koristi drugu polovicu vakumske cijevi 6N6P.
Radne točke cijevi određene su grafičkom metodom te je za drugu triodu odabrana radna točka
Q1 170V 14mA
Drugi stupanj pojačala koristi vakumsku cijevi 6S19P. Ta cijev je odabrana zato što ima vrlo veliku linearnost uz koju može pružiti dovoljne razine snage u ovom slučaju oko 3W. Drugi razlog je niska cijena same cijevi.
Odabrana je radna točka
Q2 128V 52mA

Radni pravac određen je dvjema točkama od čega je prva napon napajanja 265V, a druga točka je iznos struje kada bi zamislili da napon cijevi padne na 0 odnosno da je samo anodni otpor spojen između napona i mase što bi iznosilo 39mA. Iz toga podatka lako izračunamo iznos radnog otpora Ra=265/0.039=6795Ω. Najbliži standardni otpornik iznosi 6.8kΩ te se njega uzima za radni otpor.
Struja koja teče kroz otpor jednaka je mirnoj struji cijevi čime će disipacija na otporu biti jednaka PRa=Ik^2*Ra=1.33W. Za faktor sigurnosti u ovom slučaju uzet će se 2 i time se dobiva snaga od 2.66W stoga se za radni otpor uzima standardni otpornik snage veći od dobivene što je 3W.
Na radnome pravcu za radnu točku odabrano je sjecište radnoga pravca sa krivuljom upravljačke rešetke -6.6V.
6N6P ima maksimalnu dozvoljenu disipaciju na anodi od 4.8W po triodi odnosno 8W za cijelu cijev.
Pošto je radna točka odabrana na naponu od 170V i struji od 14mA disipacija anode iznos 2.38W što je daleko ispod dozvoljene granice te će osigurati dugotrajan i pouzdan rad cijevi.
Kako bi trioda mogla raditi kao pojačivaćki element napon na rešetci treba biti negativan što se može vidjeti i iz grafa karakteristike cijevi gdje je napon rešetke nacrtan krivuljama od 0V do -12V.
To možemo ostvariti tako da se na rešetku dovede negativan prednapon ili da se sve ostalo podigne za taj iznos napona u odnosu na rešetku što se postiže otpornikom R7.
U radnoj točci napon na rešetci iznosi -6.6V a mirna struja iznosi 14mA što Ohmovim zakonom daje iznos otpora R3=Ug/Ik=471Ω. Pošto to nije standardni iznos otpornika za katodni otpor se uzima najbliža standardna vrijednost i ona iznosi 470Ω. Sa otporom od 470Ω prednapon na rešetci će iznositi -6.6V. Disipacija snage na otporniku iznosi 0.092W čime je očito da će standardni otpornik od 1/4W biti i više nego dovoljan.
Kondenzator C4 ima ulogu kratkospajanja izmjeničnog signala na masu čime se u dinamičkim uvjetima zaobilazi otpor R7. Iznos kondenzatora C4 određuje se niskofrekventnom analizom koja nije previše složena ali u ovome slučaju poslužiti ćemo se malim trikom. Prvo se izračuna vremenska konstanta na način da su spojeni samo otpornik R7 i kondenzator C4, a sve okolo njih se zanemari pa se njihova rezonantna frekvencija računa kao frez=1/(2*π*C4*R7) . Kako se radi o dizajnu audio pojačala za rezonantnu frekvenciju odabere se 20Hz i tada je C4=1/(2*π*R7*frez)=17μF. Prvi veći kondenzator bio bi 22μF no mi ćemo odabrati drugi veći kondenzator standardne veličine koji je iznosa 47μF. Pošto razina signala preko kondenzatora C2 nikada ne prelazi 7V elektrolitski kondenzator 47μF/25V bit će i više nego dovoljan. Pošto niskofrekventna analiza nije tako jednostavna pomoću programa LTspice utvrđeno je kao je potreban kondenzator veličine 100μF pa će se za kondenzator C4 uzeti 100μF/25V.
Iz grafa se još može odrediti i približna vrijednost udjela drugog harmonika.
Ako je radna točka postavljena na 170V i ako se na kontrolnu rešetku dovede signal maksimalne amplitude 3.5V maksimalna promjena signala na anodi iznositi će Vp=39V odnosno Vn=38V. Iz toga se dobije udio drugog harmonika pomoču formule H2=(Vp-Vn)/(2*(Vp+Vn))*100=0.65%
Uloga kondenzatora C5 je da odvoji razine istosmjernih napona između stupnjeva pojačala. Kondenzator C5 sa otpornikom R8 čini visokopropusni filtar koji značajno utječe na odziv niskih frekvencija. Pošto kroz kontrolne rešetke gotovo da ne teče struja možemo zanemariti otpornik R9 i sve što je poslije njega. Iako se otpornik R5 mogao zanemariti radni otpor R6 kao i sve što je na njega priključeno u paraleli je sa visokopropusnim filtrom te je analiza stoga složenija. Ponovo ćemo se poslužiti trikom i samo računati rezonantnu frekvenciju kondenzatora C5 i otpornika R9. Ponovo za frez uzimamo 20Hz i C5=1/(2*π*R8*frez)=80nF. Prvi veći kondenzator standardne veličine iznosa je 100nF te njega odabiremo. Vremenska konstanta nabijanja kondenzatora iznosi τ=C3*R4=0.01s. Period signala frekvencije 20Hz inosi t20=1/20=0.05s od čega je četvrtina signala dio koji poprima vrijednosti od 0 do maksimuma što iznosi 12.5ms. Pomoću formule za nabijanje kondenzatora Vc=Vs*(1-e^(-t/(R*C))) provjeravamo da li je kondenzator C3 dovoljne veličine. Vc bit će nepon na koji se kondenzator nabio, Vs je maksimalan napon koji nabija kondenzator u ovom slučaju 40V, t je trajanje nabijanja što je u ovom slučaju vrijeme porasta od 0 do maksimuma, a umnožak R*C je vremenska konstanta τ. Kada se to uvrsti dobiva se Vc=28.54V. Donja granična frekvencija uzima se ne razini -3dB što je jednako kao da se signal podijeli sa sqrt(2). Ako signal amplitude 40V podjelimo sa sqrt(2) dobivamo 28.28V što je manje od Vc=28.54V što bi značilo da kondenzator nije dovoljne veličine ali kako napon nabijanja nije konstantan nego raste od 0 do maksimuma ova vrijednost je dovoljna na što ukazuje i rezonantna frekvencija CR mreže od 16 Hz. Pošto je to drugi filtar u nizu nastaje filtar drugoga reda kojemu karakteristika ne pada sa 3dB/oktavi već 6dB/oktavi stoga je rezonantnu frekvenciju drugog filtra potrebno postaviti niže od rezonantne frekvencije prvog filtra. Ako se za vrijednost kondenzatora C5 uzme vrijednost od 1μF rezonantna frekvencija spustiti će se 10 puta što je i više nego dovoljno da ne ometa zadanu donju graničnu frekvenciju od 20Hz. Pomoću programa LTspice potvrđeno je da iznos od 1μF zaista daje donju graničnu frekvenciju od 20Hz.
Otpornik R5 služi za ograničavanje struje rešetke u slučaju da napon na rešetci postane pozitivan kako ne bi došlo do oštećivanja rešetke triode.
Treći stupanj:
Trećii stupanj pojačala koristi vakumsku cijevi 6S19P. Ta cijev je odabrana zato što ima vrlo veliku linearnost uz koju može pružiti dovoljne razine snage u ovom slučaju oko 1W. Drugi razlog je niska cijena same cijevi.
Odabrana je radna točka
Q2 180V 60mA

Radni pravac određen je dvjema točkama od čega je prva napon napajanja 320V, a druga točka je iznos struje kada bi zamislili da napon cijevi padne na 0 odnosno da je samo anodni otpor spojen između napona i mase što bi iznosilo 133mA. . Iz toga podatka lako izračunamo iznos radnog otpora Ra=320/0.133=2406Ω te će se za radni otpor uzeti najbliža okrugla vrijednost koja iznosi 2.4kΩ.
Kod cijevnih pojačala radni otpor izlaznog stupnja u pravilu je transformator koji ima impedanciju primara jednaku potrebnom radnom otporu. Izlazni transformator koristi se zato što elektronske cijevi rade sa relativno visokim naponima i niskim strujama koje su posljedica velikog unutarnjeg otpora samih cijevi. Iz tog razloga cijevi ne mogu pogoniti nisko omske zvučnike te im je potreban transformator kako bi se niska impedancija zvučnika obično 4Ω, 8Ω ili 16Ω prikazala kao visoka impedancija radnog otpora u ovom slučaju 2.4kΩ.
Na radnome pravcu za radnu točku odabrano je sjecište radnoga pravca sa krivuljom upravljačke rešetke -60V.
6S19P ima maksimalnu dozvoljenu disipaciju na anodi od 11W.
Pošto je radna točka odabrana na naponu od 175V i struji od 60mA disipacija anode iznos 10.5W što je još uvijek unutar granice za ovu cijev..
Kako bi trioda mogla raditi kao pojačivaćki element napon na rešetci treba biti negativan što se može vidjeti i iz grafa karakteristike cijevi gdje je napon rešetke nacrtan krivuljama od -5V do -160V.
To možemo ostvariti tako da se na rešetku dovede negativan prednapon ili da se sve ostalo podigne za taj iznos napona u odnosu na rešetku što se postiže otpornikom R11.
U radnoj točci napon na rešetci iznosi -60V a mirna struja iznosi 60mA što Ohmovim zakonom daje iznos otpora R3=Ug/Ik=1000Ω. Kako je to standardni otpor njega uzimamo za katodni otpor. Pomoću simulacije u programu LTspice dobiveno je da će prednapon na rešetci iznositi -52V. U ovome slučaju došlo je do razlikovanja mirne struje za 13% (iz grafa je određena vrijednost od 60mA, a simulacijom je dobivena vrijednost od 52mA). Disipacija snage na otporniku iznosi 2.7W uz faktor sigurnosti od 2 potreban je otpornik snage 5W kako bi se osigurao pouzdan rad.
Kondenzator C6 ima ulogu kratkospajanja izmjeničnog signala na masu čime se u dinamičkim uvjetima zaobilazi otpor R11. Iznos kondenzatora C6 određuje se niskofrekventnom analizom koja nije previše složena ali u ovome slučaju poslužiti ćemo se malim trikom. Prvo se izračuna vremenska konstanta na način da su spojeni samo otpornik R11 i kondenzator C6, a sve okolo njih se zanemari pa se njihova rezonantna frekvencija računa kao frez=1/(2*π*C6*R11) . Kako se radi o dizajnu audio pojačala za rezonantnu frekvenciju odabere se 20Hz i tada je C6=1/(2*π*R11*frez)=8μF. Prvi veći kondenzator standardne veličine iznosa je 10μF, njega preskacemo i odabiremo drugi veći što iznosi 22μF. Pošto razina signala preko kondenzatora C6 nikada ne prelazi 60V dovoljan će biti elektrolitski kondenzator 22μF/100V. Pomoću programa LTspice dobivena je donja granična frekvencija od 25Hz stoga je potrebna vrijednost od 47μF kako bi se granica spustila na 20Hz pa će se za kondenzator C4 uzeti 47μF/100V.
Iz grafa se još može odrediti i približna vrijednost udjela drugog harmonika.
Ako je radna točka postavljena na 180V i ako se na kontrolnu rešetku dovede signal maksimalne amplitude 40V maksimalna promjena signala na anodi iznositi će Vp=80V odnosno Vn=70V. Iz toga se dobije udio drugog harmonika pomoću formule H2=(Vp-Vn)/(2*(Vp+Vn))*100=3.33%
Maksimalna izlazna snaga pojačala iznosi oko 1W po kanalu.
Simulacijom cijeloga sklopa u programu LTspice ukupno harmoničko izobličenje iznosi 1.9% pri maksimalnoj snazi ali bez izlaznog transformatora (prikazan je samo kao radni otpor).

Hvala na pažnji i Živjeli!!!