負載線與一個簡易設計實例

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負載線與一個簡易設計實例

一直想寫篇簡易的管機DIY入門，剛好前陣子裝了一部用來推Altec 288C的807se，線路與下面的圖相較稍有出入，差別主要是原線路針對288C做了一些最適化，這邊將原線路稍加簡化，方便做解說。線路如下:

本線路驅動管是5965，功率管是807接成三極管，整流管是5R4GY，全機兩聲道含電阻電容就那可憐的幾個零件，願意的話人人都能裝它一部。不過裝是一回事，學習各零件數值該怎麼求才是脫離銲接工的第一步。

1)負載線畫法

原本一般設計應該從後面倒推回來，不過我們先看5965的RL與RK。RL(負載電阻)怎麼來？很簡單，自己決定。RL的選擇頗自由，大小與管子的動態內阻息息相關，自己在Ep-Ip圖上多選幾個數值畫畫看再選一個自己喜歡的即可。

網路的發達讓我們很容易取得管子的資料，上面的5965 Ep-Ip圖，便是在網路上抓的。Well，負載線怎麼畫？再簡單不過了，假設B+2(5965的高壓供電)為300V(這個也是可自己決定的)，再假設RL為30KΩ，根據歐姆定律，I=V/R=300V/30KΩ=10ma(0.01A)，自屏壓300V處引一線至屏流10ma處(如下圖)，即為我們的負載線，夠簡單吧？

負載線畫好了，怎麼看？怎麼用？這條負載線我們稱之為直流負載線，視「設計上的考量」，在這條紅線上，柵壓為0V往右任選一點(左邊柵為+，會漏電毀管)，都可以是我們的直流工作點，當交流訊號從前一級進入柵極時，便以工作點為中心，沿著負載線做左右擺動，此時對應到下邊X軸上屏壓的變動，就很清楚看到小小的柵壓變化會引動頗大的屏壓變動，當訊號由屏極輸出時，也就是說訊號被放大了。

那什麼是「設計上的考量」？最主要是安全與線性。觀察任一Ep-Ip圖，都可以發現柵壓越靠近0V時柵壓線彼此間距越平均，也就是越線性。當然不同管子也有差異，一般來說越低放大倍率的管子線性範圍越大，5965這支中高μ的管子線性範圍就沒那麼寬廣。就上圖來看，柵壓在-1V的地方算最線性，但另一個考量點是來自前端的訊號有多大。以現今CD輸出平均有2.83Vp-p，取一半，那工作點選在-1.5V或以上才算勉強安全。我們可不希望這個放大級在功率級還沒過荷時它就提早過荷。

假定柵壓為-1.5V，這個直流偏壓我們可以直接供應柵極一個固定的電壓，稱為固定偏壓，也可以在陰極串一顆電阻RK，讓陰極對地形成壓差，也就讓柵極同樣看到一個對陰極的負偏壓，稱為自給偏壓。那RK怎麼算？見下圖負載線與柵壓-1.5V之交點，對應(粉紅線)到左邊Y軸為6.4ma，還是好用的歐姆定律，R=1.5V/0.0064A=234Ω，取現成較接近的電阻值240Ω即是RK，就這麼簡單。

再看柵壓從0V到-3V的變動時，對應的屏壓為48V到164V，(164V-48V)/3=38.6，也就是我們這個5965電壓放大級可以將前端柵極來的訊號約放大38倍，由屏極輸出，交給下一級。這是在陰極電阻有旁路的狀況。陰極電阻未旁路，訊號進來時會產生回授，放大率會下降，下降多少有公式可算，這邊暫不討論。那旁路電容數值數值該多少呢？一樣有公式，不過這涉及低頻下限，除非打算用它來當個濾波器製造不同頻率不同的放大倍率，才有精算的必要，一般憑經驗使用即可。我習慣RK在500Ω以上時用100μf，以下則是220μf，小於150Ω則選330或470μf。

那上圖那條水藍色的又是什麼線？前面談的負載線都是直流，那交流呢？對交流訊號來說，它看到的實際負載其實是30KΩ與下一級柵極電阻的併聯。假設807的柵極電阻是220KΩ好了，30K//220K=26.4K，也就是說交流負載是略小於30KΩ的26.4KΩ。重畫過的負載線就是水藍色這條，然後取一線平行於水藍線且通過原先直流工作點，就是我們的交流負載線。由於交流負載線比直流負載線稍「陡」，也就是說實際的放大倍率會稍低於前面的計算。不過就設計的角度看，我們只要知道概略值即可。

2)變壓器負載的負載線

我們再來看807的負載線怎麼畫，下圖是807接成三極管後的Ep-Ip圖。

807根據資料顯示，接成三極管後最大屏壓(屏至陰壓差)是400V，最大屏耗(屏壓*屏流)是25W。因為807的負載是輸出變壓器的初級線圈，壓降遠小於電阻，所以一般是先決定管子的工作點再回頭畫負載線。個人選擇的工作點是350V屏壓與60ma屏流這個點(兩條粉紅線相交點，屏耗是350*0.06=21W)。這個點從圖上看可估出偏壓約在-28V，故807的陰極電阻是R=28V/0.06A=466Ω，現成阻值可取470Ω。輸出變壓器初級阻抗假定是7.5KΩ，在曲線圖任選一高壓，畫出一負載線(如下圖選600V/7.5K=80ma)，再取一平行於該線且通過工作點之斜線即我們要的負載線。

簡易的輸出功率粗估是(Imax-Imin)*(Vmax-Vmin)/8，從負載線上觀察，由於工作點在柵壓-28V處，往左到0V處是正常工作極限(再過去叫A2，這邊不討論)，往右雖超過-56V仍正常，但對稱的另一端已開始切割所以以-56V計。以這段工作區間的屏壓屏流變化計算得出約0.05A*360V/8=2.25W。由於Altec 288C在電子分音後已幾乎不太需要功率，首要的考慮是線性，如果我們要輸出功率大一些，可以考慮稍深的偏壓或較低的負載阻抗，有興趣自己用幾個不同的負載與工作點畫畫看。

3)簡易的電源估算

接下來看電源。燈絲的部分，由於兩條管子都是6.3V旁熱管，通常是交流點火就可以，這邊不多著墨，重點是燈絲中點要接地讓燈絲取得一個參考點。

高壓的計算對許多新手可能產生較多困擾。這邊以一個簡單的全波整流加
C-L-Cπ型濾波(指由兩顆電容與一個Choke構成的濾波器，見圖1電源部分)做講解。

全波整流時理論值在第一顆電容處可得Vrms的1.4(√2)倍，比方說300V-0-300V的話，整出來就有420V，這是空載時(這種條件下如果用耐壓400Vdc的濾波電容時千萬不要空載，很可能高壓會打穿電容)，真實世界整出的直流數值會隨負載的不同而有不同的電壓降，那會是多少呢？當然可以用試的、用猜的，Vrms的1.2倍？1.1倍？不過比較合理的方式是查資料，見下圖就很清楚了。

我們現在再以較正常的順序看整個設計。

首先，我們打算裝一部以807為輸出級的單端擴大機。預設屏壓是350V，屏流是60ma。由807(trio)Ep-Ip圖得出柵偏壓是-28V，如果本機靈敏度設為輸入-1V可得滿功率，那我們就需要一個放大約28倍的驅動級。5965根據資料μ為47，實際放大倍數由負載線得知約三十幾倍，比設計預期稍有寬裕，但不致於過大或不足，算相當合適。
電源的部分807屏壓加偏壓約380V，加計輸出變壓器初級與Choke的直流阻抗約15V(若有詳細資料可直接計算，若無粗估即可)，我們希望從整流管出來時有395Vdc。負載電流兩支807-120ma，兩支5965-13ma(5965B+為300V，從choke處的拉降電阻算法還是用歐姆定律，比方說第二支電容+端為390V，R=(390-300)/0.0064=14K，串聯電路整體看還是銷耗390V/0.0064A)，共約135ma，查上圖可估出這邊大概需要370V-0-370V左右的電源變壓器。沒把握的話可預留稍大一點點，太大時可透過限流電阻或洩放的方式取得所要的電壓，不足的話就很慘。

4)直接交連與變壓器交連

另外，級間交連方式除上面解說例使用交連電容，還可以採取直接交連或變壓器交連，見下圖

變壓器交連是早期電容取得不易時常用的手法。除OTL管機，所有的管機都是透過輸出變壓器傳送訊號給喇叭，而這個方式同樣適用於小訊號的級間交連。基本上變壓器初級兼任DC與AC兩種負載，交流訊號透過電磁耦合的方式交給下一級。

直接交連基本上則是將前一級的直流列入下一級的偏壓考慮，比方說後一級的柵偏壓本來是-28V(陰極對地28V)，前一級屏電位為100V，只要將後一級的陰極墊高到128V，屏陰壓差不變(B+要墊高)，此時原工作點並未改變且柵看到的還是100V-128V的-28V。這樣我們可以省了一顆交連電容。

5)結語

筆者在學校讀的社會組，對非電子相關科系出身但有興趣初步管機設計入門者的困惑頗能體會，希望這樣一篇文章能對新手有幫助。當然，若有錯漏也請各方先進不吝指正。