Краткое введение в схемотехнику ламповых усилителей Магически’ правильными, с точки зрения схемотехники, являются односторонние усилители без обратной связи. Линейные характеристики ламп лучше, чем у полупроводников. Однако отсутствие цепи обратной связи позволяет избежать значительного количества интермодуляционных искажений. Это и есть цель
Ламповый усилитель — физика работы
Как только вы поймете, как работает делитель напряжения, вам будет легче понять ламповые усилители. Физика лампы проще, чем физика транзистора, и соответственно проще описать принципы управления, которые лежат в основе процессов усиления, генерации и обработки в радиоэлектронных устройствах.
Мы рассмотрим схему для триодной трубки.
Триод включен в цепь с общим катодом
Сначала несколько слов о том, как работает триодная лампа. Катод «k» нагревается лампой накаливания (на схеме она показана под катодом, подключение источника питания для нагрева опущено, чтобы не усложнять рисунок). Электроны, испускаемые катодом под действием нагрева, притягиваются к аноду «а», на который через резистор R1 подается положительный потенциал от батареи E2. Этот поток электронов вызывает протекание тока через трубку. Резистор R1 ограничивает ток, протекающий через лампу, когда она полностью открыта, и в то же время устанавливает правильное положение рабочей точки при прямой нагрузке (рабочая точка и прямая нагрузка будут рассмотрены позже).
Лампа — это печка с заслонкой
Вот и все. Катод — это лампа, которая выбрасывает дым, дым течет вниз по трубке (над лампой), потому что наверху есть колпачок (анод).
Электроны с переменным успехом пролетают через сетку «c» и через анод попадают на положительный полюс батареи E2 через резистор R1. Лампа «включается». Сетка играет ключевую роль в работе лампы — она является управляющим элементом, который уменьшает анодный ток. Если к сетке приложено отрицательное напряжение (как в нашей схеме с регулируемым источником напряжения E1), сетка блокирует ток из-за отрицательного заряда (электрон также заряжен отрицательно) и отталкивания электронов. Чем больше отрицательный заряд на сетке, тем больше разбавляется поток электронов и тем меньше становится анодный ток лампы. При определенном значении напряжения на сетке трубка «блокируется» — через нее вообще не течет ток.
Если вернуться к аналогии с дымящейся духовкой, решетка действует как заслонка духовки. Если вытянуть решетку, дым выходит; если задвинуть ее обратно, поток дыма прекращается. Еще одно важное замечание: на рисунке показана схема с общим катодом. Это означает, что напряжение управляющей сетки приложено относительно катода. Это происходит потому, что и катод, и общая батарея E1 соединены друг с другом (через «землю»). Соединение с общим катодом является наиболее распространенным. Существуют и другие схемы, но мы не будем их рассматривать. Важно понять принцип, а он везде одинаков.
История
Как и другие электронные компоненты, радиолампы имеют богатую историю, которая претерпела значительные изменения. Она началась в 1980-х годах и закончилась в 1960-х, когда последняя фундаментальная разработка, крошечная радиолампа, увидела свет, а транзистор был готов завоевать рынок. Однако из всей этой истории нас интересуют только основные этапы, на которых были созданы самые важные типы радиоламп и разработаны базовые схемы.
Первый в мире триод изобретателя Ли де Фореста, 1908 год
Первым типом радиоламп, разработанным для создания усилителей, был триод. Цифра 3 в названии не случайна — именно столько активных проводников имеет триод. Принцип работы триода очень прост. Между анодом и катодом лампы последовательно соединены источник питания и первичная сторона выходного трансформатора (вторичная сторона которого подключена к громкоговорителю). Полезный сигнал подается на сетку трубки. При подаче напряжения на усилитель электроны перетекают между катодом и анодом, а межвитковая сетка модулирует этот поток в соответствии с изменением уровня входного сигнала.
В процессе использования триодов в различных отраслях промышленности возникла необходимость в улучшении их свойств. Одним из таких свойств была емкость проводимости, которая ограничивала максимальную эффективную частоту лампы. Для решения этой проблемы были изобретены тетродиоды — радиолампы с четырьмя электродами вместо трех. Четвертым электродом была экранная сетка, которая располагалась между управляющей сеткой и анодом. Это решило проблему максимизации рабочей частоты к удовлетворению изобретателей этой технологии, которые разработали тетроды таким образом, чтобы радиопередатчики и приемники могли работать в коротковолновом диапазоне, который имеет более высокие несущие частоты, чем средне- и длинноволновый диапазон.
Структура триода
С точки зрения качества воспроизведения звука, тетродиод не был значительно лучше триода. Поэтому другая группа ученых, работающая над воспроизведением звуковых частот, усовершенствовала тетродиод, используя по сути ту же концепцию, просто вставив дополнительную сетку между экранирующей сеткой и анодом. Это было необходимо для предотвращения эффекта динамо — обратной эмиссии электронов от анода к экранирующей сетке. Добавление дополнительной сетки к катоду предотвращало этот процесс, делая выходную характеристику более линейной и увеличивая выходную мощность. Таким образом, был создан новый тип ламп: пентод.
Принцип работы
Все вышеперечисленные типы ламп в той или иной форме используются в звукозаписи. Исследователи среди звукорежиссеров постоянно искали способы более эффективного их использования. Довольно быстро они пришли к выводу, что положение сетки пентода в схеме усилителя — это инструмент, который может радикально изменить принцип его работы. Когда сетка подключена к катоду, мы имеем классический пентодный режим работы, но когда мы подключаем сетку к аноду, пентод начинает работать в триодном режиме. Таким образом, два типа усилителя могут быть объединены в один, а режим работы может быть изменен с помощью простого переключателя.
Вот как работают тетроды
Но и этого оказалось недостаточно. В 1951 году американские инженеры Дэвид Хафлер и Харберт Керос предложили подключать сетку пентода совершенно другим способом: к промежуточным отводам первичной обмотки выходного трансформатора. В некотором смысле он находится между чистым триодом и чистым пентодом и позволяет сочетать характеристики обоих режимов.
Таким образом, история ламповых режимов такая же, как история классов усиления, когда после чистых классов AB и B был введен комбинированный класс AB, объединивший достоинства двух предыдущих классов.
Обозначение по ГОСТу различных типов трубок
Что касается сочетания ламп и категорий усилителей, то они могут комбинироваться произвольно, что приводит к большой путанице и даже жарким спорам среди новичков. Не способствует ясности и тот факт, что в большинстве случаев разработчики ламповых усилителей указывают не категорию усилителя, а принцип построения схемы: push-pull — SE (Single Ended) или push-pull — PP (Push-Pull). В результате пентоды и тетроды часто ассоциируются исключительно с классом AB и схемами push-pull, а триоды — синоним класса A и схем push-pull. На самом деле, нет никаких препятствий для перевода усилителя класса А в пентодный или гиперболический режим, а триодная пара может функционировать как усилитель класса В или АВ.
Предпосылкой для ложных корреляций является частота, на которой определенные режимы используются в различных классах усилителей. В то время как пентоды и тетроды лучше всего подходят для работы в режиме push-pull, переход на работу в триодном режиме реально встречается в усилителях класса AB и не имеет ничего общего с классом A.
Однотактный ламповый усилитель мощности звука
Показанная схема лампового усилителя состоит из трех отдельных узлов:
- Предварительный усилитель с возможностью регулировки тембра
- Выходной каскад, то-есть сам усилитель мощности
- Источник питания
Предварительный усилитель построен по простой схеме с регулируемым усилением сигнала. Он также имеет пару отдельных регуляторов низких и высоких частот. Для улучшения характеристик устройства к предусилителю можно добавить многополосный эквалайзер.
Электронные компоненты предварительного усилителя
Схема предварительного усилителя, показанная здесь, основана на одной половине двойного триода 6Н3П. Конструктивно предусилитель может быть выполнен в общем корпусе с усилителем мощности. В стереофоническом варианте, конечно, формируются два идентичных канала, так что триод используется полностью. По общему правилу, при создании конструкции лучше всего сначала использовать печатную плату. После того, как она будет отлажена, ее можно установить в основной корпус. Когда предусилитель собран правильно, он будет работать без сбоев вместе с блоком питания. Однако на этапе монтажа необходимо отрегулировать анодное напряжение радиолампы.
Конденсатор в выходной цепи C7 может быть К73-16 с номинальным напряжением 400 В, но предпочтительнее от JENSEN, который обеспечивает наилучшее качество звучания. Ламповый выходной каскад не особенно критичен к электролитическим конденсаторам, поэтому можно использовать любой тип, но с запасом по напряжению. В фазе резонанса к входной цепи предусилителя следует подключить генератор низкой частоты и подать сигнал. К выходу следует подключить осциллограф.
В начале пиковое значение сигнала на входе устанавливается равным 10 мВ. Затем определяется значение напряжения на выходе и рассчитывается коэффициент усиления. Подав на вход звуковой сигнал в диапазоне от 20 до 20 000 Гц, можно рассчитать полосу пропускания усилительной цепи и записать частотную характеристику. Выбирая величину емкости конденсаторов, можно определить приемлемое соотношение между высокими и низкими частотами.
Ламповый усилитель мощности звука — настройка
Ламповый усилитель мощности звука основан на двух октетных радиолампах. Во входной цепи двойной триод 6Н9С с раздельными катодами расположен по параллельной схеме, а завершающий каскад занимает довольно мощный лучевой выходной каскад 6П13С, включенный как триод. Фактически, именно триод в оконечной цепи обеспечивает ему превосходное качество звучания.
Для простой настройки усилителя достаточно простого мультиметра, но для точной и аккуратной настройки необходимы осциллограф и генератор звуковой частоты. Начните с установки катодного напряжения двойного триода 6Н9С, которое должно быть между 1,3 В и 1,5 В. Это напряжение устанавливается регулировкой фиксированного резистора R3. Лучевые тетроды 6П13С должны иметь выходной ток в диапазоне от 60 до 65 мА. Если у вас нет мощного постоянного резистора 500 Ω — 4 Вт (R8), его можно изготовить из пары параллельно соединенных резисторов 2 Вт 1 кОм МЛТ. Все остальные резисторы в схеме могут быть любого типа, но C2-14 все же предпочтительнее.
Итог
Природа ТЛЗ довольно специфична, типичные характеристики модификации сигнала (обработка, искажения). Обзор транзисторных усилителей лучше оставить на далекие семидесятые, так как качественные образцы этой техники не уступают ламповым, а иногда и намного превосходят (при той же стоимости), благо камни в эксплуатации уже более 40 лет.
Трубчатые ЛПМ архаичны с точки зрения схемотехники и философии HI-FI, но имеют высокую субъективную ценность для людей с определенными вкусами. Трубки не выходят из употребления, потому что, несмотря на возможность полной цифровой эмуляции эффектов THZ (о чем свидетельствует гитарная аппаратура), производители сосредоточены на выпуске НАСТОЯЩИХ ЛУМП, которые отвечают ожиданиям более традиционно ориентированных любителей звука. Кроме того, лампы являются объектом интереса и экспериментов радиолюбителей, создающих аудиоаппаратуру.
Какой усилитель выбрать, каждый решает сам, и последнее слово всегда остается за субъективным восприятием.
Я буду рад живой и фактической дискуссии на эту тему.
Звук
При использовании компонентов высокого класса, особенно ламповых, не всегда можно провести четкую грань между «усилитель вышел из строя» и «это было сделано намеренно». В конце концов, в мире high-end аудиоинженер также является в некотором роде художником и имеет право на собственные представления о том, как должна звучать система. Чтобы избежать подобных недоразумений, помогло использование в процессе тестирования двух пар колонок с принципиально разными характеристиками. Особенно при большой нагрузке и громкости выше средней, что в целом соответствует заявленным характеристикам, наблюдались признаки недостатка мощности и повышенных искажений. С большими или средними напольными колонками с такими же средними параметрами мощности, импеданса и чувствительности Cayin CS-100A справляется вполне достойно.
В триодном режиме усилитель воспроизводит приятный, богатый по тембру звук с насыщенным верхним и средним басом. Лучше всего были слышны мягкая, медленная музыка, вокал, аудиофильский джаз и небольшая камерная классика. Ранние Beatles и Led Zeppelin были весьма занимательны. Однако попытки слушать современный рок и металл оказались безуспешными. Звучание гитар было слишком плотным, слишком протяжным, слишком округлым и не очень агрессивным. Яростный металл подавался так, словно был записан в начале семидесятых.
Переключение в режим Hyperdrive осуществляется одним нажатием кнопки и полностью меняет картину: рок, металл и танцевальная электроника теряют свой винтажный характер и звучат не менее энергично, чем с транзисторными усилителями, работающими в классе AB. Некоторая теплота и приятная округлость баса остаются, но в очень скромных количествах. В медленной музыке и небольших композициях режим Hyperdrive не так красив и выразителен, как триодный режим, музыка подается более спокойно и ровно.
Выводы
Каждый режим работы ламп в усилителе имеет свои преимущества и недостатки, что приводит к слышимым, едва уловимым различиям в звучании. Поскольку ламповая техника — это всегда механическое устройство с характером, выбор режима усилителя (или переключение режимов в усилителе) — это мощный инструмент для пользователя, позволяющий выбрать усилитель, соответствующий его личным предпочтениям.
Эта статья подготовлена при поддержке компании Audiomania; усилители были протестированы в комнатах прослушивания выставочного зала.
Другие полезные материалы можно найти в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте Аудиомании и на канале Аудиомании YouTube:
