Wzrasta popularność wzmacniaczy lampowych. Oto jak Guy Adams i Alan Bateman opisują podstawy działania różnych typów lamp oraz w przystępny sposób próbują wytłumaczyć dlaczego niektórzy konstruktorzy uważają, że lampy są lepsze od półprzewodników.
Prezentacje działania fonografu Thomasa Edisona były prostą ilustracją, jak poprzez mechaniczną zasadę działania tego instrumentu pokazywano, że głos i muzyka mogą być opisane jako zmiany ciśnienia akustycznego w funkcji czasu. W obecnych czasach zamiast igły i woskowych cylindrów używane są różnego rodzaju układy elektroniczne, ale bez zmian pozostaje fakt, że w celu uzyskania jak najlepszej jakości dźwięku wzmacniacz częstotliwości akustycznych powinien wzmacniać sygnał audio z minimalnymi zniekształceniami amplitudy i czasu.
W ostatnich latach można zauważyć zwiększone zainteresowanie wzmacniaczami lampowymi. Rzeczywiście różne udane i znane urządzenia zawierają tą starą technologię. Wielu znanych konstruktorów uważa, że lampy są najlepsze w aplikacji wzmocnienia sygnału z minimalnymi zniekształceniami amplitudy i czasu. Aby zrozumieć dlaczego tak jest musimy wiedzieć jak działają lampy, znać różnice pomiędzy różnymi ich typami oraz sposoby i możliwości ich użycia w specyficznych układach. Uspokajamy każdego kto już sięga po proszek od bólu głowy – to wszystko może być wyjaśnione bez powtórki z matmy oraz skomplikowanej fizyki. Tabele graficzne ułatwią zrozumienie podstaw.
Zatem co to jest lampa i jak ona działa? Urządzenia elektroniczne wymagają przepływu elektronów – w lampach jest to zapewnione przez element nazywany emiterem. Kiedy metalowy emiter jest rozgrzany elektrony uwalniają się z jego powierzchni tak jak para unosi się nad gotującym płynem. Podobnie jak para im bardziej emiter jest rozgrzany tym więcej jest uwolnionych elektronów. Emiter w lampach jest zazwyczaj wykonany z tlenku baru strontu lub z tungstenu. W zależności od typu lampy zalecana temperatura pracy jest od 750° do 1500° C, co wyjaśnia dlaczego lampy myszą być gorące! Niektóre lampy grzeją emiter bezpośrednio, a inne do tego celu posiadają dodatkowy element nazywany grzejnikiem. Emiter służy jako elektroda ujemna, lub inaczej katoda.
Jeśli do katody zostanie zbliżona druga elektroda i zostanie przyłożone do nich napięcie (różnica potencjałów elektrycznych) zaczyna się dziać coś interesującego: jeśli druga elektroda- nazywana anodą- jest przyłączona do ujemnego napięcia ujemny ładunek odpycha elektrony i nie ma przepływu prądu. Jeśli natomiast anoda jest przyłączona do dodatniego napięcia wtedy elektrony są przyciągane przez anodę i jest przepływ prądu elektrycznego. Zeby zminimalizować opór stawiany ruchowi elektronów anoda i katoda są umieszczone w próżni stworzonej w szklanej bańce. W większości komercyjnych projektów napięcie pomiędzy anodą i katodą jest kilkaset voltów. Ten najprostrzy rodzaj lampy został nazwany diodą (ponieważ ma dwie ekektrody) i jest stosowany w układach elektrycznych jak przełącznik, ponieważ przewodzi prąd tylko wówczas kiedy do anody jest przyłączone napięcie dodatnie. Zapewnia to również przepływ prądu tylko w jedną stronę.
Trzeci element:
W 1907 roku Lee de Forest wynalazł trzeci element – pomiędzy dwoma elektrodami umieszczono siatkę sterującą. Realizowane jest to jako otwarta siatka lub spirala otaczająca katodę. Ponieważ umieszczono ją bliżej katody niż anody, każde napięcie na siatce ma większy wpływ na przepływ prądu niż podobne napięcie przyłożone do anody. Dlatego ładunek na siatce steruje przepływem prądu elektrycznego pomiędzy anodą i katodą. Mała zmiana napięcia na siatce daje dużą zmianę przepływu prądu pomiędzy elektrodami. Ta trzyelementowa lampa jest triodą, działa w ten sposób, że daje sygnał który jest powiększoną wersją sygnału na siatce sterującej. Mówiąc innymi słowy trioda wzmacnia napięcie siatki sterującej. Pierwsze wzmacniacze audio z triodami pojawiły się w USA około 1912 roku. Zastosowano w nicj triody bezpośrednio żarzone Western Electric VT1 i VT2. Pierwszym zastosowaniem komercyjnym były wzmacniacze linii telefonicznych w 1917/18 roku.
W niektórych aplikacjach szczególnie w paśmie częstotliwości radiowych pojemność elektryczna pomiędzy anodą i katodą w triodzie prowadziła do pewnej niestabilności pracy lampy i to spowodowało dalszą modernizację konstrukcji lamp – w ten sposób dodano kolejną elektrodę. Lampa czteroelektrodowa nazywa się tetrodą. Umieszczono w niej ekran dookoła anody do którego przyłożono nieco niższe napięcie. To rozwiązało problem niestabilności, ale miało pewne efekty uboczne takie jak znieksztalcenia spowodowane przez dodatkową emisję pochodzącą z ekranu, która normalnie wyklucza taką lampę z zastosowań audio. Seria lamp KT takich jak KT66 lub KT88 to specjalny przypadek lamp czterolektrodowych opracowanych specjalnie do celów audio tak, aby pracowały bardziej jak pentody.
Lampa pięcioelektrodowa została wymyślona w 1926 roku. Dodając kolejną siatkę, zwaną jako siatka tłumiąca pomiędzy siatką ekranu i anodą rozwiązało problem dodatkowej emisji w tetrodzie. Po pozwoliło na większą moc wyjściową i większą wydolność układów bazujących na triodach i tetrodach. Opracowano również inne typy lamp takich jak diody z zimną katodą, tyrystory, diody katodowe, jednak lampy te nie znalazły zastosowania w audio.
Najważniejszymi parametrami pracy lampy są: nazywana stałą lampową jej współczynnik wzmocnienia. Rezystancja anody i transkonduktancja. Współczynnik wzmocnienia lampy jest stosunkiem zmiany poziomu sygnału na wyjściu lampy do sygnału na wejściu (siatce sterującej). Współczynnik wzmocnienia dla typowej triody jest około 20, podczas gdy dla tetrod to 400-600 a dla pentod jest od 1000 w górę, chociaż zaledwie jedna dziesiąta tego może być wykorzystana we wzmacniaczach wysokiej jakości. Rezystancja anodowa to pomiarem wewnętrznej rezystancji lampy. Jest to normalnie mierzone używając prądu przemiennego w pewnym punkcie pracy w liniowym miejscu jej charakterystyki (więcej o tym później) Typowym wynikiem dla triod jest 1000 omów dla triod mocy i 100000 dla małych sygnałowych triod, podczas gdy pentody mogą mieć rezystancję rzędu 1000000 omów.
Transkonduktancja lub współczynnik nachylenia opisuje skuteczność lampy w przełożeniu zmiany napięcia na siatce sterującej na zmianę prądu anodowego i w rezultacie poziomu sygnału wyjściowego. Triody mają transkonduktację około 5000 mikroomów (lub miliAmperów/Volt), tetrody i pentody około 2000 mikroomów. Wszystkie te parametry są wzajemnie zależne – na przykład to wysoka rezystancja wewnętrzna pentody pośrednio limituje natężenie prądu, który może ona dotarczyć i dlatego uniemożliwia pełne wykorzystanie jej współczynnika wzmocnienia.
Jak liniowa?
Charakterystyki pracy różnych rodzajów lamp mogą być najlepiej pokazane na prostych wykresach. Te linie charakterystyki pracy są narzędziem graficznym pokazyjącym czy dana lampa nadaje się do wyznaczonego zastosowania. Jeśli dana lampa ma linearną charakterystykę pracy to każda zmiana w napięciu wejściowym na siatce spowoduje proporcjonalnie taką samą zmianę w napięciu wyjściowym niezależnie od jego poziomu. Dlatego jeśli zmiana napięcia z 0 do 1 volta spowoduje sygnał wyjściowy 20voltów to zmiana z 0 do 2 voltów spowoduje sygnał wyjściowy 40voltów. Lampa pracująca mniej liniowo spowoduje zmianę, ale tylko do 35voltów przy 2 voltach na siatce. Wykres parametrów idealnych widoczny jest na rysunku 1. Proszę zwrocić uwagę, że linie są zupełnie proste, równo oddalone od siebie i pionowe. Dlatego jeśli taka lampa zostanie prawidłowo użyta sygnał wyjściowy będzie liniowym wzmocnieniem sygnału wejściowego (dlatego, że linie są identycznie oddalone i proste) i taki wzmacniacz będzie prawdziwym wzmacniaczem napięciowym co znaczy, że będzie w stanie używać odpowiedniego natężenia prądu aby podtrzymać napięcie wyjściowe (dlatego linie są pionowe). Aby tak było rezystancja wewnętrzna lampy musiałaby być zero.
Żadna rzeczywista lampa nie sprosta tym idealnym liniom, chociaż jest kilka, które są bardzo bliskie ideałowi. Na rysunku 2 widoczna jest charakterystyka lampy 2A3 – triody bezpośrednio żarzonej – linie są równo oddalone i prawie proste (skrzywione tylko nieco w prawo) pokazują liniowe możliwości tej lampy. Z powodu określonej rezystancji wewnętrznej lampa 2A3 nie może stać się prawdziwym źródłem napięciowym. Proszę to porównać z wykresami tetrody na rysunku 3. Widać wyraźnie, że nie może ona działać jako prawdziwe źródło napięciowe, ale również, że jej wzmocnienie nie jest liniowe szczególnie na poziomie niskich sygnałów. Linie nie są równo od siebie oddalone i zaczynają mocno skręcać z lewej strony. Rysunek przedstawiający charakterystykę pentody pokazuje jeszcze większą nieliniowość.
Niektórzy producenci stosują technikę „triodowania“ pentod. Zmniejsza to możliwości poziomu wyjściowego o około 50% ale umożliwia znacznie bardziej liniową pracę pentody. Charakterystyka ztriodowanej pentody przypomina wykres triody.
Dla porównania na rysunku 5 widoczna jest charakterystyka pracy tranzystora. Nie jest ona liniowa i pod tym względem nie przypomina żadnej lampy. Napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do natężenia wejściowego niż do napięcia.
W celu określenia warunków w jakich lampa ma pracować w danym układzie projektanci używają linii obciążenia. Wybór miejsca tej linii jest podjęciem wyboru w jakich parametrach pracy ma dana lampa pracować w układzie. Celem jest znalezienie najlepszego miejsca pracy bez zbliżania się do parametrów granicznych danego typu lampy. Zawsze jest wiele różnych parametrów, które są wzajemnie powiązane, takich jak moc wyjściowa, liniowość pracy i wydolność i czas pracy danego typu lampy. Niewielką korzyścią jest ustawienie punktu pracy lampy tak aby moc wyjściowa była jak najwyższa jeżeli ma to być kosztem niezawodności układu i lampy. Chociaż niektórzy producenci uważają, że właściciel wzmacniacza może sobie pozwolić na zmienianie lamp np. co 6 miesięcy aby nic nie tracić na jakości brzmienia. Na rysunku 6 widoczna jest linia obciążenia anodowego i linia ta pokazuje jak będzie sygnał dla denego sygnału wejściowego. Punkt q pokazuje punkt na linii obciążenia w ktorym pracuje dana lampa kiedy nie ma żadnego sygnału na wejściu.
W układzie push-pull (przeciwsobnym) projektant musi zadbać aby obydwie połówki sygnału były wzmacniane jednakowo zgodnie z parametrami zastosowanego elementu. Wybór punktu pracy triody jest łatwiejsze do znalezienia ponieważ ma ona większą liniowość, ale tetrody i pentody powinny być ustawione w pewnej odległości od swoich najlepszych punktów pracy aby uniknąć wchodzenia w miejsca gdzie linie wykresu plączą się. Definicja punktu pracy jest prawidłowa dla wzmacniaczy pracujących w klasie A gdzie lampa jest ustawiona aby działać zgodnie z linią obciążenia aż do uzyskania maksymalnej mocy, gdzie osiąga clipping symetrycznie dla obydwu połówek sygnału.
Punkt pracy dla wzmacniacza pracującego w klasie AB jest przesunięty poniżej linii obciążenia po to aby zredukować możliwe zdestabilizowanie pracy którejś z lamp w jedną stronę. Jest to skompensowane przez użycie dwóch lamp podłączonych w przeciwfazie każda przetważająca jedną połowę sygnału. Małe podtrzymujące natężenie prądu sprawia, że obydwie lampy nie są bierne w punkcie przełączenia żeby prawidłowo odbywało się przejscie sygnału z dodatniej połówki na ujemną. Klasa AB pozwala na osiągnięcie większej mocy wyjściowej wzmacniacza, ale wymaga zastosowania negatywnego sprzężenia zwrotnego jako sposobu na korekcję znieksztalceń powstających przy przechodzeniu sygnału z dodatniej połowy na ujemną. Sprzężenie zwrotnie nie zawsze jest porządane, co wyjaśnimy w następnym artykule.
Podsumowując rozważania na temat charekterystyk lamp, że z jednej strony, tetrody i pentody zapewniają najwyższy współczynnik wzmocnienia i dlatego mogą zapewnić wyższą moc wyjściową i co dalej wzmacniacz o założonej mocy może być po prostu mniejszy. Powszechnie używane triody audio nie dają więcej niż 8-9 watów pracując w klasie A, podczas gdy jest wiele pentod dających 25W w klasie A. Triody są również znacznie droższe.
Wracając do liniowości jest odwrotnie – triody są bezkonkurencyjnie lepsze. To wszystkoo wyjaśnia dlaczego triody są wykorzystywane do stopni sterujących, kiedy przepływają przez nie małe sygnały – ECC82, ECC83, ECC88 są to podwójne triody tzn. po dwie triody w jednej szklanej bańce, a tetrody i pentody znajdują zastosowanie w stopniach mocy. Wielu projektantów sklania się coraz bardziej ku triodom. Niektórzy z nich robią to po prostu triodując pentody. Takie rozwiązanie nie jest równoznaczne z zastosowaniem prawdziwej triody.
Oczywiście zaprojektowanie wzmacniacza lampowego to coś więcej niż wybór rodzaju i typu lampy oraz jej punktu pracy. Rodzaj układu to również ważne roztrzygnięcie. W następnym artykule zostaną omówione szczegóły układów i ich efekty uboczne oraz dlaczego pewne rozwiązania wnoszą więcej problemów niż rozwiązują, dlaczego transformatory wyjściowe są potrzebne oraz jakie problemy są z tym związane oraz kilka szczegółów o pomiarach mocy wyjściowej w funkcji czasu, które dają więcej odniesień do realnego słuchania muzyki niż tradycyjne metody pomiaru.