Конечно, ламповый усилитель мощности не является воплощением абсолютной производительности. В противном случае он бы полностью вытеснил транзисторные устройства аналогичного назначения. К слабым сторонам устройства относятся:
Энциклопедия ламповых усилителей — как они работают и почему нам нравится теплый звук?
Существует множество легенд, связанных с ламповой аудиотехникой. Вакуумные устройства, с которых более века назад началась история звукоусиления, не только не исчезли со сцены под натиском появившихся позже твердотельных альтернатив с множеством преимуществ, но и живут по сей день, на равных конкурируя за благосклонность и кошелек любителей музыки в верхнем сегменте технологий.
Давайте попробуем понять, почему эти причудливые, негабаритные, громоздкие и экологичные мастодонты, которые так явно проигрывают в бумажной битве своим силиконовым аналогам и часто выигрывают в сравнительных тестах на прослушивание, покоряют сердца аудиофилов. Парадокс? Только частично.
1. С чего всё началось?
Еще в 1916 году американская компания General Electric Company запатентовала принцип усиления электрического сигнала с помощью вакуумного триода. Зачем его использовать? Просто — в то время не существовало других типов активных радиоэлементов. Итак, вакуумный триод состоит из трех элементов (отсюда и название) — катода, анода и управляющей сетки — заключенных в стеклянную трубку, содержащую очень разбавленный газ. Подача напряжения на катод и анод вызывает поток электронов. Если на пути этого потока поместить управляющую решетку, то интенсивность этого потока можно изменять путем приложения потенциала, подобно клапану, регулирующему поток воды из крана. Чем выше потенциал, приложенный к сетке, тем меньше электронов перетекает от катода к аноду. При определенном потенциале поток электронов полностью прекращается — этот момент называется выключением лампочки. Если подключить нагрузку — громкоговоритель или акустическую систему — к катоду и аноду и подать входной сигнал на управляющую сетку, то получится простейший усилитель класса А.
2. Почему “лампа”? Какая связь между усилителями и осветительными приборами?
На самом деле, связь здесь очень непрочная, и обычные лампы люстры не помогут усилить звуковой сигнал. Это объясняется тем, что нити накала ламп и электроды радиоламп, используемых в усилителях, помещены в стеклянные колбы, из которых удален воздух. Конечно, это не полный вакуум, но степень разбавления газов очень высока. По этой причине и лампа накаливания, и радиолампа являются вакуумными приборами. Кроме того, радиолампы светятся во время работы, иногда довольно ярко — одна из характеристик, которую так ценят поклонники ламповой техники.
3. Если с лампами накаливания всё понятно – излучение света является их основной задачей, то радиолампе зачем светиться?
Радиолампы светятся, потому что катод должен быть нагрет до очень высокой температуры, что придает электронам скорость, необходимую для выхода из металлической структуры. Процесс эмиссии электронов с нагретого катода называется термоионной эмиссией. Этот процесс похож на испарение жидкости — при низких температурах испарения почти не происходит, при более высоких температурах интенсивность испарения увеличивается. В электронной лампе катод может быть нагрет до температуры порядка 2 000 градусов Цельсия. Чтобы выдержать такой нагрев, для катодной нити используются тугоплавкие металлы.
Лампа — это печка с заслонкой
Вот и все. Катод — это печь, производящая дым, дым движется вниз по трубке (лампе), потому что в верхней части есть вентиляционное отверстие (анод).
Электроны пролетают через сетку «c» с переменным успехом и текут дальше через анод, через резистор R1 к положительному полюсу батареи E2. Лампа «включена». Сетка играет ключевую роль в работе лампы — это управляющий элемент, который уменьшает анодный ток. Когда на сетку подается отрицательное напряжение (как в нашей схеме с регулируемым источником напряжения E1), сетка блокирует протекание тока из-за отрицательного заряда (электрон также заряжен отрицательно) и отталкивания электронов. Чем больше отрицательный заряд на сетке, тем меньше поток электронов и тем меньше нарастание тока в лампе. При определенном значении сетевого напряжения лампа «запирается» — через нее больше не течет ток.
Если вернуться к аналогии с дымящейся печью, то сетка действует как заслонка для печи. Когда вы вытягиваете затвор, дым выходит наружу, когда задвигаете его обратно, поток прекращается. Еще одно важное замечание: на рисунке показана схема с общим катодом. Это означает, что напряжение управляющей сетки приложено по отношению к катоду. Это происходит потому, что катод и общая батарея E1 соединены вместе (через «землю»). Соединение с общим катодом является наиболее распространенным. Существуют и другие схемы, но мы не будем их рассматривать. Важно понять принцип, и он везде одинаков.
Узнаем делитель напряжения
Если мы снова внимательно посмотрим на схему, то заметим, что резистор R1 и лампа образуют делитель напряжения. У этого делителя, как и у микрофона в предыдущей статье, трубка имеет свойство менять свое сопротивление под воздействием внешней силы. Только на этот раз это не голос, как в микрофоне, а изменение отрицательного напряжения сети. Чем больше минус на сетке — тем больше блокирует лампа — тем выше ее сопротивление (меньше сопротивление делителя) — тем выше выходное напряжение анода Ua. Чем меньше минус на сетке, тем больше открывается трубка, и чем меньше ее сопротивление, тем меньше анодное напряжение Ua.
Вы, наверное, заметили, что мы подаем в сеть только отрицательное напряжение. Конечно, можно подать положительное напряжение, но это уже mauvais ton и нарушение принципа работы — электроны будут ускоряться, ток через трубку будет увеличиваться, но сетка начнет играть роль анода, когда упадет ниже положительного потенциала. Таким образом, вы только подаете минус в сеть!
Мы хотим знать…
Теперь, когда мы понимаем принцип переключения и физику процесса, давайте перейдем к диаграммам. Вот что мы хотим узнать:
- при каком отрицательном напряжении на сетке лампа запрется совсем (ток через нее будет равным нулю);
- какой будет ток через лампу если она полностью открыта (при нулевом напряжении на сетке), заодно — какое при этом будет напряжение на аноде;
- какой будет ток через лампу и напряжение на аноде если входное напряжение на сетке равно допустим минус 1 В;
- какой будет ток через лампу и напряжение на аноде если входное напряжение на сетке равно допустим минус 2 В;
И наконец (вводная):
- если подать на лампу переменное напряжение амплитудой 1 В, переменное напряжение какой амплитуды будет на аноде?
Вы, вероятно, уже знаете, о чем последний вопрос. Мы собираемся использовать эту схему в качестве лампового усилителя, возможно, во входном каскаде высококачественного микрофонного усилителя, и мы хотим знать, каким будет коэффициент усиления. Но сначала о главном.
Ответы на эти вопросы вы найдете в следующей статье.
Поделиться заметкой «Ламповый усилитель — физика работы
