Фильтр высоких частот (ФВЧ) и фильтр низких частот (ФНЧ/LPF) в ламповом усилителе

Очень хотелось перейти к теме ламповых усилителей, их простой и увлекательной схемотехнике, особенностям окружения для них и прочим моментам, но я понял, что если начать рассказ сразу с какого то интересного, но произвольного момента, то без некоторых теоретических знаний читатель может не повысить грамотность, а все так же тыкать палкой дохлую белку (менять конденсаторы и резисторы методом тыка), в надежде, что белка оживет.

Если посмотреть на многие схемы ламповых усилителей, то  глаз без труда увидит цепочки фильтров. Они могут образовываться там, где начинающий разработчик о них и не помышлял, это же касается и местной обратной связи.

Поэтому сегодня генеральная репетиция перед основным вхождением в тему лампового усиления — будем разбираться с фильтрами.

В схемотехнике часто применяется фильтр низких частот и фильт высоких частот. Эта тема уже понималась в материалах по ЦАП на сайте, но там была своя специфика.

Первое — название фильтра не то, чем кажется.

Например, ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ  занимется тем, что… обрезает ВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ.

Или другими словами, он пропускает низкие частоты до определенной частоты,  выше которой — все, проход закрыт. По английски этот фильтр называется более вразумительно — LPF — Low Pass Filter — фильтр пропускающий низкие частоты.

Т.е.  если в вашей схеме нужно ограничить частотный диапазон по верхнему краю, например от 0 до 35000 гц, то вам нужен фильтр Низких Частот (ФНЧ), который вы настроите на граничную частоту в 35000 Гц.

Другая ситуация, когда вы хотите отрезать низкие частоты — тогда вам нужно использовать Фильтр Высоких Частот (ФВЧ).

ФВЧ пропускает все частоты от нижней заданной частоты и выше.

Например, нужно чтобы диапазон частот устройства начинался с 20 Гц и далее.

Вам нужен ФВЧ фильтр, который отрежет все нижние чатсоты от 0 до Гц, а все что выше 20 Гц не тронет.

Фильт высоких частот и низких  образуется на схеме из связки резистор и конденсатор, что связано с особенностями реагирования элементов на определенные частоты.

В фильтре высоких частот сперва стоит конденсатор, а затем резистор, смотрите картинку.

напомню, в ФВЧ вы указываете, что срезать все, что ниже указанной частоты среза. Например 20 гц, и все что ниже не пройдет, а все что выше 20 гц — пройдет. Т.е. вы срезаете «низы» фильтром высоких частот.

Фильтр низких частот (ФНЧ) так же состоит только из резистора и конденсатора, но они меняются местами, смотрите картинку ниже:

И соответственно вы задаете верхнюю границу среза, т.е. срезаете «верха», а все что ниже — остается. Например вы задаете 35 кГц, и все что выше — не пройдет, а все что ниже — останется.

Ну и логично, что чтобы ограничить диапазон устройства параметрами 20 Гц — 20 кГц понадобится использовать оба фильтра порезав частоты и сверху (ФНЧ) и снизу (ФВЧ).

Для простоты запоминания — ФНЧ — срезает «верха», ФВЧ — срезает «низы».

Такая вверх тормашками логика.

Теперь используем немного математики, чтобы определить, какие номиналы резастора и конденсатора нужны, чтобы получить необходимую частоту среза.

Так как в схемах ламповых усилителей вы чаще всего увидите фильтры высоких частот, то давайте посмотрим на какую-то подобную схему и определим, на какой частоте срез задал неизвестный нам автор схемы (схема взята из интернет).

Честно, чтобы подобрать схему для демонстрации примера мне пришлось потратить время, ибо в 9 из 10 случаев авторы схем, как я понял, вообще не понимали смысл используемых номиналов и значения фильтра были просто бредовый.

Посмотрите внимательно на кусочек схемы, видите ли вы ФВЧ фильтр? Если пока не смогли ее определить, то ниже я выделил ФВЧ заключив в красный квадрат.

Давайте определим какие частоты срезает этот фильтр. Так как это ФВЧ (фильтр высоких частот), то он срезает «низы». Соответственно  наверняка это какое-то небольшое значение в герцах, до 20-30.

Давайте проверим.

Все формулы расчитываются в основных значениях, т.е в Омах, Фарадах, Герцах, а не мега, кило, микро и тд.

Поэтому прежде всего нам понадобится знание как перевести микро/пико/нано/кило, мега в адекватные для расчета значения.

Итак

1 пикофарад = 0,000000000001 Ф или 1 * 10 в -12 степени

1 нанофарад = 0,000000001 Ф или 1 * 10 в -9 степени

1 микрофарад = 0,000001 Ф или 1 * 10 в -6 степени

1 мегаом = 1000000 Ом

1кОм = 1000 Ом

1 кГц = 1000 Гц.

Давайте для примера 100 микрофарад преобразуем в фарады.

1 Фарад — это 10 в -6 фарад

Можно посчитать попроще или посложнее. Если попроще, то 100 — это два нуля, то есть +2 степень, а у фарада -6 степень, значит +2-6=-4 степень.  Т.е. наше число будет иметь 4 цифры после запятой.

Соответственно

100 мф превращаются в 0,0001(00) Ф.

Посчитайте количество цифр после запятой — оно равно 4.

Иначе считаем так — умножаем 100 мФ на число в котором 6 цифр после запятой, последняя не ноль:

100 * 0,000001= 0,0001 Ф

Хорошо, основы дворовой математики закрепим чуть ниже.

Формула по которой считается частота среза следующая:

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

R — номинал резистора фильтра

С- номинал конденсатора фильтра

Пи — число равно 3,14, соответственно 2Пи = 2*3,14 = 6,28

Смотрим на схему, в аудиофильный красный квадрат .

Значение конденсатора 0,1.

В схемах (в отличие от формул) принято указывать значения в микрофарадах, если не указано никаких пояснений.

Следовательно значение конденсатора 0,1 мФ.

Резистор установлен с номиналом 68К.

Переведм значения для расчета.

0,1 мФ = -1 степень + -6 степень = -7 степень = пишем 7 значений после запятой = 0,0000001 Ф

68К — это 68 кОм

1кОм = 1000 Ом, следовательно

68 КОМ = 68*1000 = 68000 Ом.

Теперь считаем частоту среза.

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1 / 6,28 * 68000 * 0,0000001 = 23 Гц

Итого, автор схемы установил частоту среза ФВЧ на значении 23 Гц.

Т.е. все частоты, что ниже 23 Гц будут отрезаны, а все что выше 23 Гц спокойно будут проходить дальше.

Давайте так же посмотрим промышленную, как я понял, схему.

В ней значение конденсатора такое же, но значение резистора большее = 100 к.

Посчитаем, на какую частоту среза настроен этот ФВЧ.

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1/6.28 * 100000 * 0.0000001 = 16 Гц

В завершении проанализируем еще одну схему лампового усилителя с точки зрения используемых ФВЧ фильтров.

Смотрим рисунок ниже.

Это схема усилителя на популярных лампах 6н3п + 6п14п.

Поищем цепочки фильтров.

Один фильтр образуется на входе из сочетания входного конденсатора С7 (6,8 мФ) отрезающего постоянный ток, чтобы он не попал на сетку лампы и регулятора громкости R12 (22K).

Понятно, что меняя сопротивление переменного резистора R12 и частота среза будет изменяться — это мы тоже ниже исследуем.

Второй ФВЧ фильтр установлен на входе ко второму каскаду на 6П14П.

С него и начнем.

Конденсатор имеет номинал 0,47 мФ, это -2 степень (два числа после запятой). Для перевода в Фарад, который -6 степень получим -8 степень, или 8 значений после запятой = 0,00000047 Ф

Резистор  220 К = 220000 Ом

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1/ 2Пи *220000 * 0,00000047 =1/6,28*220000*0,00000047=1,5 Hz

Т.е. на входе лампы 6п14п происходит срез низких частот начиная с 1,5 Гц.

Мне это кажется как-то странным, но я и не специалист в ламповой схемотехнике.

Ладно, посмотрим, что происходит на входе усилителя, где так же срезается звуковой диапазон.

С = 6,8 мФ в микрофарадах получится

Мф = -6 степень Фарад

т.е. 6 значений после запятой для целого числа (6,8 = 6 целое, 8 дробное) + далее идут дробные.

Итого 6,8 мФ= 0,0000068

или если кому проще, для перевода из мФ в Ф, умножьте микрофарады на 0,000001 (6 чисел после запятой).

6,8мф = 6,8*0,000001 = 0,0000068 Ф

Резистор 22К = 22000 Ом

Fсреза = 1/ 2Пи * R * C

Fсреза = 1/ 2Пи * 22000 * 0,0000068 Ф = 1/6.28*22000*0,0000068  = 1 Hz

Хорошо, переменный регулятор при значении сопротивления в 22К, задает фильтру значение в 1 Гц.

А если мы крутим ручку громкости на 50%, сделав сопротивление меньше — 11 кОм, что произойдет с фильтром?

Fсреза = 1/ 2Пи * 11000 * 0,0000068 = 1/6.28*11000*0,0000068  = 2 Hz

И если выкрутим ручку громкости полностью, сделав сопротивление, пусть 1 кОм = 1000 Ом.

Fсреза = 1/ 2Пи * 1000 * 0,0000068 = 1/6.28*11000*0,0000068  = 23 Hz

Итого мы наблюдаем картину, что на входе фильтр плавает в диапазонах 1-23Гц, а на входе второй лампы пытается ограничивать на рубеже 1,5 Гц и ниже. Чтобы понять логику этого наверное нужно вникать в схему глубже, мы же пока лишь исследуем фильтры.

Для чего вообще нужно ограничивать диапазон ответ следующий, в конструкции  используются трансформаторы с не бесконечными характеристиками, и зная,  что например ваш выходной трансформатор умеет работать только от 30 Гц, нет никакого смысла гонять по схеме частоты, которые ваш усилитель не сможет воспроизвести.

Поэтому исходя их характеристик трансформатора ограничивают диапазон его возможностями. В схеме выше, так, навскидку, я логики такого ФВЧ не понял.  Если среди читающих этот материал есть люди собаку съевшие на ламповом усилителе — подключайтесь к обсуждению, делитесь своими знаниями.

После этого материала вам вероятно несложно будет самостоятельно определить используется ли фильтр частот в схеме и на какой срез он рассчитан.

А раз так, то самое время перейти к теме ламповой схемотехники и самостоятельной разработки схемы лампового усилителя, после обзорного материала.

До новых встреч.