Несомненно, ламповый усилитель мощности не претендует на звание абсолютного эталона производительности в мире аудиотехники. В противном случае он бы полностью вытеснил транзисторные аналоги, которые появились позже и обладающие множеством очевидных преимуществ. Однако, наряду с его сильными сторонами, есть также и слабости этого устройства, которые важно учитывать.
Энциклопедия ламповых усилителей — как они работают и почему нам нравится теплый звук?
Существует множество мифов и легенд, связанных с ламповой аудиотехникой. Вакуумные устройства, с которых более века назад началась история звукоусиления, не только не исчезли под натиском более современных альтернатив с твердотельной технологией, но и продолжают жить, значительно вливаясь в современный мир технологий, на равных конкурируя за внимание и бюджет любителей музыки в сегменте высококачественного звука.
Давайте попробуем разобраться, что же делает эти причудливые, объемные, громоздкие и порой экостанционные устройства столь привлекательными, даже когда они проигрывают в лабораторных тестах своим силиконовым аналогам, но часто добиваются победы в сравнительных прослушиваниях. Это парадокс, который требует подробного объяснения.
1. С чего все началось?
Берем свое начало в 1916 году, когда американская компания General Electric Company запатентовала принцип усиления электрического сигнала с использованием вакуумного триода. Но почему стоит прибегать именно к этому устройству? Дело в том, что в тот период не существовало других типов активных радиоэлементов. Вакуумный триод состоит из трех основных элементов (отсюда и его название) — катода, анода и управляющей сетки, заключенных в специальную стеклянную трубку с очень разреженным газом. Подача напряжения на катод и анод вызывает поток электронов. Если разместить управляющую сетку по пути этого потока, то интенсивность малого тока можно регулировать, подавая электрическое напряжение, что похоже на вентиль, управляющий потоком воды из крана. Увеличив потенциал на сетке, мы можем замедлить поток электронов, а при определенном значении этот поток может полностью остановиться — возникает состояние, которое называется выключением лампы. Если к катоду и аноду подключить нагрузку, например громкоговоритель или акустическую систему, и подать входной сигнал на управляющую сетку, то в результате получится простой усилитель класса А.
2. Почему “лампа”? Какая связь между усилителями и осветительными приборами?
На первый взгляд, связь между лампами и усилителями может показаться неочевидной, ведь обычные светильники не могут усиливать звуковые сигналы. Это объясняется тем, что нити накala ламп и электроды радиоламп, используемые в усилителях, помещены в стеклянные колбы, из которых удален воздух. Хотя это не обязательно полный вакуум, степень разреженности газов в этих лампах весьма высока. Следовательно, и лампонакаливания, и радиоламп можно считать вакуумными приборами. В дополнение ко всему, радиолампы могут светиться во время работы, иногда очень ярко. Эта характеристика высоко ценится поклонниками ламповой техники, добавляя уникальный визуальный элемент к их работе.
3. Если с лампами накаливания всё понятно, поскольку их основная функция – излучение света, то зачем радиолампе светиться?
Дело в том, что для работы радиолампы катод должен быть нагрет до очень высокой температуры. Этот нагрев обеспечивает электронам достаточную скорость для выхода из металлической структуры. Этот процесс, называемый термоионной эмиссией, аналогичен испарению жидкости: при низких температурах испарение практически не происходит, тогда как при высоких температурах интенсивность испарения возрастает. В случае электронной лампы катод может нагреваться до температур порядка 2000 градусов Цельсия. Для этого используются тугоплавкие металлы, которые могут выдерживать столь высокие температуры.
Лампа — это печка с заслонкой
Чтобы более наглядно разобраться в принципе работы, можно представить катод как печь, вырабатывающую дым. Этот дым движется по трубке (лампе) и выходит в верхней части через вентиляционное отверстие (анод). Электроны преодолевают сетку «c», постепенно увеличивая свою скорость, и продолжают движение дальше к аноду, проходя через резистор R1 к положительному полюсу источника питания E2. С этого момента лампа «включена». Сетка играет основную роль в функционировании лампы, так как это управляющий элемент, уменьшающий анодный ток. Когда на сетку подают отрицательное напряжение (как в нашей схеме с регулируемым источником E1), сетка блокирует ток из-за своего отрицательного заряда (так как электрон также имеет отрицательный заряд) и отталкивает электроны. Чем больше отрицательный заряд на сетке, тем меньше протекает электронов и, соответственно, меньше анодный ток. Когда значение сетевого напряжения достигает определенного порога, лампа «залипает» — через неё перестает течь ток.
Возвращаясь к аналогии с печкой, можно сказать, что сетка функционирует как заслонка для печи. Когда заслонка открыта, дым уходит, и наоборот — при её закрытии поток прекращается. Важно учесть, что на рисунке представлена схема с общим катодом. Это означает, что напряжение на управляющей сетке приложено относительно катода, так как катод и положительный полюс аккумулятора E1 соединены вместе через точку «земли». Использование схемы с общим катодом является наиболее распространенной практикой в данной области. Существуют и другие схемы конфигурации, но мы не будем их подробно рассматривать здесь. Главное — понять, что принцип работы остаётся неизменным.
Узнаем делитель напряжения
Если снова внимательно взглянуть на схему, можно заметить, что резистор R1 и лампа образуют делитель напряжения. Этот делитель, подобно микрофону, обладает свойством изменять свое сопротивление под воздействием внешнего электрического сигнала. Однако в данном случае вместо голосового колебания, мы наблюдаем изменение отрицательного напряжения сети. При увеличении минусового потенциала на сетке, лампа начинает блокировать ток, повышая свое сопротивление (уменьшая сопротивление делителя), что ведет к повышению выходного анодного напряжения Ua. И наоборот, чем меньше минус на сетке, тем меньше сопротивление лампы, и, следовательно, тем ниже значение анодного напряжения Ua.
Вы, возможно, заметили, что в сеть мы подаем только отрицательное напряжение. Конечно, теоретически можно подать аудиторию и положительное напряжение, однако такая практика противоречит принципу работы лампы. В этом случае электроны начнут ускоряться, увеличивая ток в трубке, но сетка будет играть роль анода, когда её потенциал окажется ниже положительного значения. Таким образом, необходимо подавать нечто отрицательное на сетку для корректной работы!
Мы хотим знать…
Теперь, когда мы ознакомились с основами переключения и физикой работы лампы, перейдем к более детальному рассмотрению. Вот что нам нужно выяснить:
- при каком уровне отрицательного напряжения на сетке произойдет полное блокирование лампы (ток через нее станет равным нулю);
- какой будет ток через лампу, если она полностью открыта (при нулевом напряжении на сетке) и каково будет напряжение на аноде в этом режиме;
- какой будет ток и напряжение на аноде, если входное напряжение на сетке составит, например, минус 1 В;
- какой ток будет через лампу и каково будет напряжение на аноде, если входное напряжение на сетке составит, допустим, минус 2 В;
И напоследок, как вводная часть:
- если подать на лампу переменное напряжение амплитудой 1 В, то какое переменное напряжение мы получим на аноде?
Вероятно, вы уже догадываетесь о сути последнего вопроса. Мы собираемся использовать данную схему в качестве лампового усилителя, возможно, во входном каскаде высококачественного микрофонного усилителя, поэтому нам необходимо знать, каким будет коэффициент усиления. Но для начала давайте рассмотрим основное.
Ответы на все эти вопросы вы сможете найти в следующей статье.
Поделитесь этой заметкой о «Ламповом усилителе — физика работы».
