В этой статье я бы хотел поделиться идеями использования катодной цепи для подключения реализации дополнительных функций гитарного усилителя.
Первая часть статьи посвящена реализации дополнительного входа CD IN.
Во второй части рассмотрим как можно реализовать подключение ревербератора используя катодную цепь.
Третья часть посвящена рассмотрению способа реализации встроенных эффектов в первом каскаде усилителя на примере «грелки» или эквалайзера.
Главная цель использования таких схемных решений – сделать гитарные усилители более функциональными. Но, по возможности, не затронув тракт гитарного сигнала. Т.е. не добавлять каскадов или каких-либо компонентов именно по пути следования гитарного сигнала, а домешивать нужные нам сигналы через катоды уже имеющихся в конструкции усилителя ламп.
Надеюсь, что данные способы схемной реализации перечисленных цепей окажутся полезными широкому кругу разработчиков и смогут оказать помощь как при разработке вновь создаваемых моделей усилителей, так и при модернизации уже существующих.
Катодные трюки -1. CD IN.
Рассмотрим 2 варианта катодной цепи применяемого в гитарных усилителях. Для построения дополнительного входа с использованием катодной цепи нам подходит усилитель с первым после разрыва однотактным каскадом.
Ставим задачу добавить дополнительный вход CD IN при максимальном сохранении оригинальных режимов усилителя.
На рис.1 представлены 2 возможных варианта:
Далее для простоты будем использовать номиналы компонентов как на рис.1.
Схема использования катода для реализации дополнительного входа CD IN в варианте оригинала без штатного конденсатора (рис.1а) представлена на рис.2а и рис.2б, а реализация дополнительного входа со штатным конденсатором (рис.1б) представлена на рис.2в.
Поскольку наше воздействие происходит только в катодной цепи, то для реализации поставленной задачи нам следует оставить режим катода по постоянному и переменному току без изменений. Схемы рис.2 на режим постоянного тока не влияют, т.к. новая цепь подключается к катоду через конденсатор. Но по переменному току режим может измениться.
В случае изображенном на рис.2а и рис.2б – к катоду подключается цепь, состоящая из входного гнезда CD IN, регулятора уровня, операционного усилителя (и/или высоковольтного полевого транзистора), резистора R3 и конденсатора С2. Для исключения воздействия новой цепи на режим по переменному току цепи катода триода штатного усилителя величина резистора R3 должна быть намного больше величины резистора R2 в цепи катода.
Максимальная амплитуда выходного напряжения на выходе микросхемы в таком случае будет +/- 13.5 вольт при нагрузке 5,2 кОм.
В случаях схемного решения на рис.2 нам необходимо получить максимальную амплитуду сигнала на катоде, поступившую с дополнительного входа CD IN при установке его регулятора уровня в режиме максимальной громкости не более удвоенного значения постоянного напряжения на катоде.
Примем для простоты расчета номинал резистора катода R2 равным 1 кОм, и постоянное напряжение на нем 1 V. В таком случае мы должны получить максимальную амплитуду переменного напряжения сигнала с дополнительного входа на данном резисторе равную 2 вольта или, что соответствует 0,7 V действующего значения.
Сделаем расчет сопротивления R3.
Выбранный ОУ развивает выходное напряжение по амплитуде на нагрузке 5,2 кОм +/-13.5V (9,6V действующего значения). Его внешние цепи должны быть рассчитаны на получение такого выходного напряжения при желаемой чувствительности в положении регулятора уровня в положении максимального усиления.
Теперь нам нужно найти величину сопротивления R3, что бы напряжение 9,6V на выходе ОУ вызвало изменение напряжения на катоде равное 0,7V.
Но из-за влияния лампы V1, которая в данном включении обладает свойствами катодного повторителя, по-этому для расчета мы должны использовать не сопротивление катодного резистора R2, а выходным сопротивлением каскада катодного повторителя Rk.
Используя калькулятор:
Рассчитаем значение R3 для схемы на рис.2а .
Делим выходное напряжение на выходе ОУ равное 9,6V на нужное напряжение сигнала на катоде равное 0,7V – получаем 13.7 раза. Т.е. величина сопротивления резистора R3 должна отличаться от величины Rk 13.7 раза. Умножаем величину Rk 0.382 кОм на 13,7 и получаем значение сопротивления R3 равное 5,2 кОм.
Теперь рассчитаем влияние цепи R3 и ОУ на изменение режима катода по переменному напряжению. Для переменного напряжения на катоде теперь мы имеем параллельную цепь из штатного резистора R2 и параллельно ему подключенной цепи С2, R3 и выходного сопротивления ОУ. Для простоты будем считать выходное сопротивление ОУ равным нулю, Тогда суммарное параллельное сопротивление для переменного тока в цепи катода составит:
R2*R3/2k+R3= 1кОм х 5,2 кОм / 1ком + 5,2 кОм = 0,84 кОм.
Это значит, что наша цепь дополнительного входа изменила режим катода для переменного тока на 16%.
.
Но если хочется еще сильнее уменьшить влияние новой цепи или же в штатном усилителе отсутствует возможность для питания ОУ принятым нами напряжением +/-15V, тогда мы можем использовать вариант подключения на рис.2б.
Рассчитаем этот вариант.
Зададимся напряжением анодного питания к которому через резистор R5 подключен сток высоковольтного транзистора FET равное 300V. Для простоты расчета допустим, что амплитуда переменного напряжения на стоке транзистора FET равна половине напряжения источника его питания ,т.е. в нашем случае 300V. Тогда действующее значение переменного напряжения сигнала со входа CD IN на левом по схеме выводе резистора R3 равно 106V. Разделим полученное напряжение на требуемое напряжение на Rk.
106 / 0,7 = 151 раз.
Во столько раз сопротивление R3 должно отличаться от сопротивления Rk. 0,382*151= 57,6 кОм.
Рассчитаем влияние нашей цепи на режим катода по переменному току. Суммарное сопротивление R2 и нашей новой цепи, состоящей из R3 (для простоты расчета примем сопротивление сток-исток равным 0) будет равно:
R2*R3/R2+R3=1*57.6/1+57.6 = 0.982 кОм
Влияние новой цепи на сопротивление катодной цепи в этом случае 0,28%.
Такая величина на слух практически не различима, поэтому будем считать, что с поставленной задачей мы справились.
Теперь перейдем к рассмотрению варианта реализации схемы дополнительного входа CD IN со штатным конденсатором в цепи катода рис.2в.
Для решения нашей задачи все, что нам нужно – это иметь минимальную величину выходного сопротивления ОУ, которое будет «замыкать» минусовой вывод конденсатора С2 на землю. Как в оригинальной схеме.
Рассчитаем выходное сопротивление ОУ.
Выходное сопротивление ОУ несколько зависит от схемы его включения. Например, если мы хотим сделать чувствительность входа CD IN 0,7 вольта – то мы можем подключить ОУ как повторитель, при этом его выходное сопротивление будет минимальным из всех возможных, а если мы хотим использовать CD IN как дополнительный вход для бас гитары для репетиций дома к примеру, тогда для достаточного усиления потребуется подключить ОУ в режиме неинвертирующего усилителя. При таком подключении выходное сопротивление ОУ несколько возрастет .В зависимости от конкретных номиналов внешних цепей ОУ.
Расчет будем вести для ОУ в режиме повторителя.
Применим следующую методику расчета:
Rc = Ro(Ac/Ao), где Rc – выходное сопротивление ОУ в нашей цепи; Выходное сопротивление ОУ без цепи ООС; Ас – к-т усилиения ОУ в нашей цепи; Ао – к-т усиления ОУ без цепи ООС.
Для выбранного нами ОУ NJM4558 значения Ro и Ао принимаем указанными в данных производителя 270 Ом и 100 000 соответственно. Ас – в нашем случае повторителя равно 1.
Рассчитываем выходное сопротивление повторителя на ОУ с этими условиями.
270(1/100 000) = 0,0027 Ом.
Полученная величина практически равна нулю. По–этому можем считать нашу задачу выполненной.
Приведенные схемы реализации CD IN могут работать как от двухполярного. Так и от однополярного источника питания. Для питания может в большинстве случаев использоваться источник питания реле каналов, накала ламп или напряжения смещения.
Номинал конденсатора C2 на рис.2а подбирается в зависимости от желаемой нижней граничной частоты по собственному вкусу или даже может быть вообще исключен, а в схеме на рис.2в используется оригинальный конденсатор штатного усилителя. Конденсатор С2 на рис.2б должен быть рассчитан на рабочее напряжение не ниже напряжения анодного питания той части схемы, от которой получает питание высоковольтный транзистор FET при «холодных» лампах.
При питании ОУ от однополярного источника выбрать правильную полярность конденсатора С2 на рис.2а и рис.2в в зависимости от применяемой полярности питания.
Рассмотренные схемы реализации дополнительного входа CD IN достаточно просты в реализации и надежны. Подбором номиналов резисторов обратной связи можно получить желаемую чувствительность.
Катодные трюки -2. Ревербератор.
В этой части статьи мы будем рассматривать вариант подключения пружинного или цифрового ревербератора к готовому усилителю без внесения изменений в его оригинальный тракт гитарного сигнала.
Рассмотрим варианты схемного решения для усилителей без штатного конденсатора в цепи катода (как на рис.1а).
Мы будем подключать вход нашего ревербератора к разъему RETURN разрыва усилителя, а выход ревербератора – в катодную цепь лампы первого после разрыва лампы V1 в нашем случае.
Для того, что бы наша новая для усилителя цепь оказывала минимальное влияние на оригинальные цепи усилителя нам следует выполнить следующие два условия:
1) входное сопротивление ревербератора должно быть многократно выше выходного сопротивления цепи RETURN;
2) выходное сопротивление ревербератора – значительно выше сопротивления R2.
Первое условие легко выполняется использованием R3 с довольно большим сопротивлением. Его величина может достигать сотен килом или даже единиц мегаом при использовании ОУ с высоким входным сопротивлением. Конденсатор С3 нужен для частотной коррекции и для развязывания входной цепи по постоянному току при однополярном питании ОУ.
Второе условие достигается усилением сигнала ревербератора до максимально возможной величины и использованию резистора R4 возможно большего номинала при котором сигнал ревербератора все еще достигает желаемой величины.
В схеме на рис.3а для достижения плавной регулировки желательно использовать переменный резистор группы С номиналом в 30..50раз большим номинала катодного резистора R2.
При одинаковом уровне сигнала ревербератора на катоде лампы V1 схема на рис.3в, как мы уже разобрали в первой части статьи, вносит наименьшее изменение в штатный режим усилителя.
Теперь рассмотрим варианты подключения схемы ревербератора в усилителе со штатным конденсатором в цепи катода.
Для достижения наилучшего результата первое условие высокого входного сопротивления остается неизменным, а вот второе условие меняется на противоположное. Теперь для внесения минимального влияния в оригинальный режим лампы нам нужно, что бы выходное сопротивление схемы ревербератора стремилось к нулю, как уже было рассмотрено в первой части статьи.
Для выполнения второго условия можно предложить два варианта. На рис.4а схема с минимальным коэффициентом усилением сигнала ревербератора К=1...3. В таком варианте мы имеем выходное сопротивление менее одного Ома. Что вполне достаточно для решения нашей задачи.
Схема на рис.2б используется, если сигнал с ревербератора слишком слаб и требуется его значительное усиление или значительная частотная коррекция. В таком случае каскад на ОР3 может быть подключен как повторитель для минимизации выходного сопротивления или как каскад частотной коррекции.
При налаживании приведенных схем ревербератора следует достичь режима входного ОУ, при котором перегруз канала ревербератора достигается не ранее перегруза лампы V1 сигналом на ее сетке.
Катодные трюки -3. Встроенная параллельная «грелка».
В двух предыдущих частях статьи мы разобрали варианты использования катодной цепи лампы в оконечном усилителе. В этой части речь пойдет об использовании катодной цепи входной лампы.
Тут нам будет интересно использование встроенного эффекта «грелки» или эквалайзера дающего при определенных положениях регуляторов несколько подобный эффект на перегрузе.
При использовании встроенного эффекта «грелки» непосредственно по ходу гитарного сигнала на сетку первого триода усилителя возникает несколько проблем.
Во-первых схематически бесшумное отключение эффекта более сложное по сравнению с параллельным эффектом.
Во-вторых встроенный эффект ничем не отличается от аналогичного внешнего в виде педали например. Он обладает теми же плюсам и и минусами.
Плюс в том, что можно использовать готовую схему внешнего эффекта и встроить ее в усилитель. Такой вариант не требует особой настройки. Минусом такого подхода является то, что при использовании «грелки» типа TUBE SCREAMER не всем нравится уменьшение уровня низких частот в сигнале.
Как один из возможных вариантов компенсации негативных моментов, при полном прохождении всего гитарного сигнала через эффект, использовать полное прохождение гитарного сигнала по штатной схеме (как отключенном эффекте), а сигнал эффекта примешивать в желаемой пропорции к нему.
В таком случае сетка триода у нас занята исходным гитарным сигналом и задействовать ее для подвода сигнала встроенного эффекта, без создания помех прохождению гитарного сигнала не представляется возможным. Но реализовать подмешивание встроенного эффекта через катод видится вполне приемлемым решением.
На рис.5 представлена общая схема такого решения.
Сигнал с гитарного входа усилителя поступает одновременно на сетку триода первого каскада усилителя и на входной буфер ОР1 цепи встроенного эффекта. Если входное сопротивление встроенного эффекта достаточно велико, входной буфер можно исключить. После прохождения через собственно эффект обработанный сигнал поступает на инвертирующий каскад, выполненный на ОР2. Если же схема эффекта в своем устройстве уже выдает инвертированный по отношению к сигналу на сетке триода, то каскад на ОР2 не нужен и его тоже можно исключить.
Далее сигнал эффекта попадает на регулятор его уровня и с него напрямую через конденсатор С2 или же выходной буфер ОР3 и потом С2 на катод триода. Отключение эффекта производится оптронным ключом или Ключом на полевом транзисторе. В мало гейновых схемах можно использовать и механическую кнопку. Например в напольных преампах.
Буфер на ОР3 нужен если очень важно сохранить нетронутым звук усилителя при отключенном эффекте, работа схемы аналогична описанным ранее вариантам схем со штатным конденсатором в катодной цепи, т.е. выходное сопротивление ОУ в режиме повторителя меньше одного Ома. При этом возможно увеличение сопротивлений регулятора уровня эффекта.
Группа переменного резистора при использовании в схеме буфера ОР3 может быть А и В в зависимости от требуемой скорости прироста сигнала эффекта по ходу вращения оси регулятора. Если схема используется без буфера, то регулятор лучший результат можно достичь при использовании регулятора группы С (Б).
В чем различие звучания схем с буфером ОР3 и без него.
Если регулятор эффекта в схеме с буфером стоит в минимальном положении уровня, то сигнал на выходе с каскада на лампе V1 не меняется при включенном и выключенном эффекте, т.к. конденсатор С2 «закорочен» в обоих случаях на землю через низкой выходное сопротивление буфера ОР3. При увеличении уровня эффекта на входе буфера сигнал эффекта, пройдя через него, поступает на катод V1 и вызывает на выходе лампы в итоге повышение общего уровня суммарного сигнала (гитарного с сетки и эффекта с катода).
В таком случае прибавление уровня эффекта его регулятором в итоге вызывает пропорциональное повышение уровня сигнала на выходе каскада на V1 и вызывает на канале перегруза стабильное увеличение «силы» перегруза пропорционально увеличению эффекта, а не только изменение его окраски за счет эффекта.
А в варианте без буфера ОР3 – если регулятор уровня находится в минимальном положении, то конденсатор С2 «замкнут» на землю и режим усилителя является таким же, как и при отключенном эффекте, т.е. оригинальным. Но по мере вращения регулятора из положение минимума эффекта в положение максимум, конденсатор С2 подключен теперь не прямо на землю, а через сопротивление ползунок-земля регулятора. За счет этого усиление гитарного сигнала с сетки V1 уменьшается, а уровень сигнала эффекта с катода V1 возрастает.
При определенных номиналах и схемных решениях встроенного эффекта по желанию можно добиться в таком варианте исполнения того, что при вращении регулятора уровня эффекта звук будет изменяться от оригинального до смеси оригинального с эффектом без заметного прироста общей громкости, или же, к примеру, от оригинального до значительно более высокого по суммарному уровню и по уровню эффекта в положении максимального уровня эффекта.
Самое главное, что лично мне нравится в конструкции параллельной встроенной «грелки» это то, что ее можно примешать в любом желаемом количестве к исходному звуку и при примешивании не пропадают низкие частоты так, как при использовании некоторых внешних «грелок». При этом можно добиться с помощью регуляторов эффекта, очень аккуратного, небольшого подкраса звука, т.к. гитарный сигнал всегда продолжает идти через сетку, а эффект поступает отдельно только через катод .в котором его уровень мы можем менять от нуля до выбранного нами максимума.
В стандартном исполнении сигнал эффекта должен поступить в противофазе относительно сеточного и при этом их уровни складываются в общей полосе частот. Однако при желании нелишне поэкпериментировать с синфазным сигналом, в таком случае, особенно если вместо «грелки» используется встроенный эффект эквалайзер, возможно получение нового звучания за счет вычитания синфазного сигнала c сетки и c катода в общей полосе частот при их усилении лампой V1 и получить при этом свое собственное оригинальное тембральное звучание, например для соло.
Описанное использование встроенной параллельной «грелки» не может служить полной заменой внешней «грелки», т.к. прямой сигнал во встроенной присутствует всегда и это может быть не желательным в некоторых случаях.
Рассмотренные в данной статье варианты использования катода как дополнительного входа в каскадах гитарных усилителей далеко не полностью исчерпывают возможности подобных схемных решений, но могут оказаться полезными при разработке и модернизации гитарных ламповых усилителей.
Все вопросы в
Форум.
