转<无线电>1/2--6N1功放的设计一文

于海旺

最近看了一些帖有几个用1/2--6N1做整流,1/2--6N1做功放,也有双声道1/2--6N1的,为方便坛友查找特转该文供参考.

6N1作功率放大器的设计
俞锡良

    双三极管6N1（6H1П）的一个三极部分作甲类音频功率放大器时，能够输出200～400毫瓦左右的功率，在一间普通的住房内可以得到足够响亮的声音，而耗电量不大，故在简单收音机中常常用它作末级功率放大器。电路的形式如图1。另外一个三极部分可作为检波、电压放大或电源整流等使用。
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                                      表1     
灯丝电  灯丝电  电压  电流   栅偏压  放大因数
   压(V)   流(A)   (V)  (mA)    (V)           
    6.3    0.6     250   7.5   (600Ω)  　35  
跨导   最大屏  最大屏  最大屏  最大栅极
(mA/V)  耗 (W)  压 (V)  流(mA)   电阻MΩ
4.35    2.2     300      300      1   
    6N1在电子管手册中给出的特性如表1，但我们并不完全按这样的工作状态使用，下面就来谈谈6N1用作功率放大器的具体设计方法。
    三极管功率放大器工作状态的分析
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    功率放大器的工作状态，利用图解法来分析最为方便。图2是6N1一个三极部分的“屏流～屏压”特性曲线族，它表示在各种不同栅偏压时，屏压和屏流的变化关系。
    如果确定了乙电供电电压为Ea，那么，因输出变压器初级直流压降不大，屏极电压Uao一般不低于0.9Ea。例如Ea为220伏，Uao即为200伏。如栅偏压为-Ec，则自Uao200伏处向上引垂线和-Ec特性曲线的交点P即为电子管的静止工作点，P点所对应的屏流即为Iao。当栅极加入一个交流信号，屏压屏流将沿着交流负载线AB的轨迹而变化。负载线的斜率为
ACBC=1;R
    其中Ra为交流负载电阻，也就是扬声器经过输出变压器反映到电子管屏回路的阻抗。
    因为扬声器的阻抗在中音频率时接近于纯电阻，故放大器的负载可看作纯电阻负载来考虑。
    栅极交流信号最大只能在Uc=0和Uc=-2Ec之间摆动，信号再大时，栅极电压将变为正值，会产生栅流引起失真。当栅极电压Uc在0和-2Ec之间摆动时，三极管屏流和屏压将在Ia最大、Ia最小和Ua最小、Ua最大之间摆动，输出的电流、电压波形如图2中所示。
    交流输出功率P出为输出交流电压和电流有效值的乘积，可用下式计算：
P出=（Ua最大-Ua最小）22×(La最大-La最小）;22×1
   =（Ua最大-Ua最小）(La最大-La最小）8000    （
    其中P出的单位为瓦，U为伏，I为毫安。
    由于三极管特性曲线下部弯曲，故输出屏流的下半周振幅比上半周小，会产生失真。失真的大小和特性曲线下部弯曲部分利用的多少有关。Ia最小越小，则负载线下端B点越位于特性曲线下端的弯曲部分，失真将越大。图中eo代表Uc=-2Ec特性曲线与横轴交点至Ua最大之间这一段电压的大小，我们可以用eo与Uao的比值β（=eo／Uao）来表示特性曲线利用的程度。β＝0时，特性曲线被充分利用了，但失真也最大。一般β是选在0.05～0.15之间。
    正负半周不对称的失真波形主要包含有二次谐波，因此失真度可以只用二次谐波失真表示。即失真度
γ=γ2=12Ia最大+Ia最小-2Iao;Ia最大-Ia最小               ?
    如用直尺量得AP和PB的长度，并求得AP／PB的比值，则失真度就可用图3直接查出。
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    放大器的输出功率和失真的大小与负载Ra与电子管内阻Ri的比值有关。图4表示了三极管作功率放大时输出功率与最大输出功率的比值（P出／P最大）、及失真度与Ra／Ri的关系。Ra／Ri可用a表示，称为负载系数。从图中可以看出，当a=2时，可得到最大输出功率。a＜2时，输出功率下降很快，而失真度增大，a在2～4之间可得到较大的输出功率和较小的失真。
    此外，选择工作点P时，应该使UaoIao的乘积不超过6N1所允许的最大屏极损耗功率，图2中曲线MN为6N1最大屏耗2.2瓦的轨迹，P点不应位于MN之上，但负载线段落到MN之上是可以的。
    至于屏效率问题，因对6N1的交流小功率放大器来说，并无多大意义，故略去不谈了。
    设计方法和步骤
    1. 屏极电压的确定
    我们可以先从确定屏压Uao开始，Uao用得较高，可以使输出功率增大，但不能超过6N1手册规定的最高屏压300伏。
    在简单收音机里，为了经济，减小电源变压器的体积，乙电源电压用得较低，一般约在180～220伏左右，故Uao可选择为200伏。
    2．负载的选择
    负载电阻主要根据输出功率和失真度的要求来选择，前面曾谈到负载电阻宜选得大一些比较好。
    但是负载系数大了以后，在输出功率桐同时，栅极推动电压也需要加大（这从下面公式3可以看出），即所谓功率灵敏度降低了。因6N1作功率放大器是用在简单收音机里，整机的增益是较低的，因此，希望功率灵敏度高一些，对失真度来说，要求尚不太严格，最大功率输出时有10％左右的失真度也是允许的。此外，6N1的内阻比专门作功率放大的三极管大得多，如果负载系数选得大，为了保持低音的效果，输出变压器初极的电感量要求也大，这将增加输出变压器的成本和体积。从以上各种因素来考虑，6N1的负载系数选在1～2之间是比较合适的，最常用的负载电阻为10千欧。
    3.求工作点，作负载线
    以上确定了Uao和a或Ra以后，可以按下式算出栅极最大输入信号的峰值：
Uc=Uao(1-β)μ×1+a;2+a                     
=Uao(1-β)μ×Ra+Ri;Ra+2Ri                （
    这Uc也就相当于所应取的栅偏压Ec。
    其中β可取0.1，
Ri=μ/s=35/4.35=8.1千欧。
    我们以Uao＝200伏，Ra＝10千欧代入，可算出：
Uc=Uao(1-β)μ×Ra+Ri;Ra+2Ri            
    =200(1-0.1)35×10+8.1;10+2×8.1=3.56?
    取Uc为3.5伏，这样作图时较为方便。
    在图2中自Uao=200伏向上引垂线，与Uc=-3.5伏曲线相交于点P，即为工作点，此点水平线所对应的Iao=6.4毫安。P点位于MN线之下，没有超过最大屏耗。
    作负载线：自P向左任取△Ua=40伏，再向上取△Ia=40伏/10千欧=4毫安，得O点，连接OP即得Ra=10千欧的负载线AB。
    4．计算输出功率
    自A点读出Ua最小=118伏，Ia最大=14.6毫
    自B点读出Ua最大=254伏，Ia最小=1毫安
    于是输出功率
    P出=（Ua最大-Ua最小）（Ia最大-Ia最小）
         =（254-118）（14.6-1)8000=0.23瓦
    或230毫瓦。
    5．求失真度
  γ=γ2=12Ia最大+Ia最小-2Iao;Ia最大-Ia
         =14.6+1-2×6.414.6-1≈10%     
    如果要失真小一些，可将β取得大一些，重新计算。
    6．电路元件的计算:
    阴极电阻Rk=EcIao=3.5;6.4×10-3=547欧
    可用标称值为560欧，功率1／2瓦的电阻。按最低工作频率fH时的容抗不大于Rk的1/10的原则，计算阴极旁路电容Ck的数值，如取fH=200赫，则
Ck=102πfHRk=10;2×3.14×200×547=14.5微
    Ck可选用20～30微法的电解电容器。
    Rc可按手册规定的最大栅极电阻1兆欧使用。
    屏极电路中的C为滤除高音噪音及改善频率失真之用，可选用0.001～0.006微法的纸质电容器。
    简单收音机的电路种类较多，前级的增益有大有小。如果前级增益小，6N1的输入电压低，则负载系数可取得小一些，可使a接近千1，并在不超过最大屏耗的条件下，将屏流Iao取得大一些，这样可以提高功率灵敏度，失真也不致增大。例如：当Uao=200伏时，选Iao=10毫安，Uc=-2.75伏，Ra=8千欧，则可得P出=208毫瓦；γ=7％，与前例相比，输出功率降低不多，而失真减小了。因6N1本身的工作电流并不大，工作点的屏流略提高几个毫安，并不致显著增加电源变压器的负担。
    如果前级增益高，6N1的输入信号电压较大，则可适当提高屏压，和加大负载系数，使输入信号能有较大的摆动范围，并获得较大的输出功率。例如：将Uao用到250～300伏，Ra用10～15千欧，则输入信号峰值可达5伏左右，输出功率的在300～400毫瓦以上。
    注：括号内为近似的英规SWG线号
    两个三极部分的并联使用
    若把两个三极部分并联使用，和单只三极管部分相比较，屏压不变，屏流增加一倍，内阻减小一半，负载电阻也应减少一半，输出功率可以增加一倍，输入电压和失真度仍不变。阴极电阻Rk和栅漏电阻Rc减半，旁路电容Ck及屏极电容C加倍。
    6N1用的输出变压器
    6N1的输出变压器设计方法和普通一样。但不要以为6N1的输出功率小，以及屏流很小，而把铁心用得很小，导线用得很细。这样变压器的直流电阻很大，效率就很低，6N1的输出功率本来不大，若在变压器中损耗很多，则输出到负载上的功率就更少了。此外，导线过细，机械强度较差，容易受损折断。所以变压器的铁心和线径仍和一般6P1或6V6的一样，这点和电池式收音机的输出变压器情况相似。
    6N1专用的输出变压器往往买不到，需要自己绕制。但也可以利用现成的其他变压器来代用。例如：电池管3S4的负载为8千欧，故它的输出变压器可以直接代用，栅压Uc按a=1设计。2P2（2П2П）的负载为15千欧，也可以将它的变压器直接代用，这时栅压Uc应按a≈2来设计。如果使用舌簧式扬声器，它的阻抗恰好是10千欧，则可不要输出变压器，直接接入屏极电路就行了。
                                  表2            
  铁心         初级   　　    　　  次级         
（毫米）2                                         
           圈 数  直径（毫米）  圈数  直径（毫米）
ш-12×12   2300  　0.09(43号)   47    0.41(27号)
ш-14×14   2800    0.1(42号)    57    0.51(25号)
ш-16×16   3600    0.1(42号)    74    0.62(23号)
ш-20×20   4200    0.12(40号)   86    0.8(21号)  
    表2为6N1配用的输出变压器，采用几种不同铁心的绕制数据。初次级阻抗比都是10千欧比3.5欧，效率都在约83～84％左右。其中铁心小、圈数少的只是为了经济，低音效果较差一些。铁心用顺插法，即E形片在一起，I形片在一起，用一张很薄的电容器纸垫入作空气隙即可。(俞锡良)

一军

谢谢分享，很好的资料。收藏起来。

383248515

好资料，先收藏，慢慢学习。谢谢楼主！

lkfherman

感谢于兄分享十分好的6N1资料！     

zjz039

好资料，收藏了

收音机矿石

谢谢楼主分享！
楼主好人。

油浸电容

资料好。学习

浑身是胆雄赳赳

110119

电路设计思路好啊，收了