Если напряжение, возвращаемое цепью обратной связи, того же порядка величины, что и напряжение сетка-катод первого каскада, то мы имеем дело со слабой цепью обратной связи, которая вряд ли может повлиять на параметры усилителя (амплитудно-частотную характеристику и выходное сопротивление).
Энциклопедия ламповых усилителей — как они работают и почему нам нравится теплый звук?
С ламповой технологией связано множество легенд. Вакуумные приборы, 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 меломанов в высшем ценовом сегменте техники.
Давайте попробуем понять, почему эти причудливые, негабаритные, массивные и экологичные мастодонты, которые так явно проигрывают в бумажной битве своим кремниевым собратьям и часто выигрывают в сравнительных тестах на прослушивание, покоряют сердца аудиофилов. Парадокс? Только отчасти.
1. С чего всё началось?
Еще в 1916 году американская General Electric Company запатентовала принцип усиления электрического сигнала с помощью вакуумного триода. Почему именно триод? Все просто: в то время не существовало других типов активных радиоэлементов. Поэтому вакуумный триод состоит из трех элементов (отсюда и название) — катода, анода и управляющей сетки, которые находятся в стеклянной трубке, содержащей сильно разбавленный газ. При подаче напряжения на катод и анод запускается поток электронов. Если поместить управляющую сетку на пути этого потока, то можно изменять интенсивность этого потока путем подачи напряжения, как если бы поток воды из крана регулировался клапаном. Чем выше потенциал, приложенный к сетке, тем меньше электронов течет от катода к аноду. При определенном потенциале поток электронов полностью прекращается — этот момент называется выключением лампочки. Если подключить нагрузку — динамик 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 происходит потому, что нити накала ламп и электроды радиоламп, используемых в усилителях, помещены в стеклянные колбы, из которых удален воздух. Это, конечно, не полный вакуум, но степень разбавления газов очень высока. По этой причине и лампа накаливания, и радиолампа являются вакуумными устройствами. Кроме того, радиолампы светятся во время работы, иногда довольно ярко — и это 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 необходимую скорость для выхода из металлической структуры. Процесс эмиссии электронов из нагретого катода называется термоионной эмиссией. Этот процесс очень похож на испарение жидкости — при низких температурах испарения почти не происходит, при более высоких температурах интенсивность испарения увеличивается. В электронной лампе катод может нагреваться до температуры порядка 2 000 градусов Цельсия. Чтобы выдержать такой нагрев, для катодной нити используются тугоплавкие металлы.
Как работает ламповый усилитель Ламповые усилители: особенности и принцип работы
Усилитель Music Angel
XD500MKIII Ламповый усилитель: EL34, 2×50 Вт XD800MKIII Ламповый усилитель: KT88, 2×65 Вт XD845MKIII Ламповый усилитель: 845, 2×20 Вт XD850MKIII Ламповый усилитель: 300B, 2×9 Вт XD8502AIII Ламповый усилитель: 300B, 2×9 Вт XD900MKIII Предварительный усилитель: 12AU7, 12AX7
Ламповый усилитель MINI 6: KT88, 2×60 Вт Ламповый усилитель MINIP1: 6AQ5, 2×10 Вт Ламповый усилитель MINIL3: EL34, 2×35 Вт Ламповый усилитель MINIP14: 6P14, 2×10 Вт
LACONIC HA-02,03B/B2/M ламповый усилитель: 6N6P, 2×1.2 Вт @ 300 Ом
Акустическая система Music Angel One: 20 — 100 Вт, 38 Гц — 30 кГц, 86 дБ/Вт/м Акустическая система Music Angel 2.5: 20 — 200 Вт, 20 Гц — 30 кГц, 86 дБ/Вт/м Акустическая система Music Angel TK-10: 10 — 250 Вт, 45 Гц — 22 кГц, 8 Ом, 97 дБ/Вт/м Акустическая система DIVA 5.2: 10 — 150 Вт, 36 Гц — 20 кГц, 90 дБ/Вт/м
KT 88: напряжение накала 6,3 В ток накала 1,6 А напряжение пластины (макс) 800 В ток пластины (макс) 230 мА рассеиваемая мощность (макс) 40 Вт 845: напряжение пластины DC 1250 напряжение сетки D C-98 пиковое напряжение сетки A.F. 93 ток пластины DC (ма.) 95 выходная мощность (Вт) 15 21 300B: напряжение накала 5 В ток накала 1,2 А напряжение пластины (макс) 450 В ток пластины (макс) 100 мА рассеиваемая мощность (макс) 40 Вт
Основы электронного включения ламп
13.1 За или против?
Усилители типа «push-pull» с противовращающимися рычагами нагрузки имеют ряд неоспоримых преимуществ
1) Они обладают большей выходной мощностью (при определенных условиях более чем в два раза превышающей выходную мощность обычного лампового каскада).
2) Они обеспечивают гораздо лучшую производительность (опять же, при определенных условиях).
3) Благодаря балансу компонентов постоянного тока в двух половинах первичной обмотки трансформатора, предотвращается нежелательная магнитная поляризация.
4) Четные гармоники (и более выраженная вторая гармоника) компенсируются в идеально сбалансированной цепи, поэтому общий уровень нелинейных искажений гораздо ниже.
Однако сторонники использования напряжения в аудио не придают большого значения первым двум преимуществам, а последние два склонны относить к недостаткам.
Таким образом, постоянное намагничивание сердечника также имеет свои положительные стороны: Перемагничивание происходит по собственной петле гистерезиса, что уменьшает искажения, вызванные трансформаторным железом.
Считается, что подавление второй гармоники нарушает соотношение гармоник, к которому привыкло ухо, делая звук менее естественным.
13.2 A, B и AB
Схемы типа «push-pull» могут работать как одноконтурные схемы в режиме класса А, за исключением того, что теперь каждое плечо работает на свою половину первичной обмотки, а компоненты переменного тока суммируются по нагрузке. Основные расчеты не отличаются от расчетов для схем с параллельными контурами.
Однако можно перевести каскад с толкающим усилителем в режим работы с толкающим усилителем класса B: Ток покоя устанавливается практически на ноль, и каждая ветвь отвечает за генерацию только одной полуволны.
В этом случае энергетические соотношения в режиме B будут другими. Общий постоянный ток, потребляемый источником питания, теоретически равен 0,64 от анодного тока на пике гармоники. Этот ток изменяется при изменении амплитуды сигнала.
Принцип работы
Все вышеперечисленные типы ламп в той или иной форме нашли применение в технике или аудио. Исследователи среди аудиоинженеров постоянно искали способы их более эффективного использования. Им не потребовалось много времени, чтобы понять, что момент включения пентодной сетки в схему — это инструмент, который может радикально изменить принцип работы усилителя. 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, и режимы могут переключаться простым переключателем.
Так работает квадруполь.
Но и это еще не все. 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, так что свойства обоих режимов работы могут быть объединены.
Таким образом, история ламповых режимов аналогична истории классов АУ, где после чистого триода и чистого пентода появился комбинированный класс АВ, сочетающий в себе достоинства двух предыдущих классов.
Обозначение различных типов ламп по ГОСТ
Классы ламп и усилителей могут комбинироваться произвольно, что привело к большой путанице и даже горячим разногласиям среди новичков. Не способствует ясности и тот факт, что разработчики ламповых усилителей в большинстве случаев указывают не класс 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, напротив, считаются синонимом 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 возникновения ложных корреляций является частота, на которой определенные режимы используются в различных классах усилителей. Триоды чаще всего используются в push-pull и классе А, в то время как пентоды и тетроды больше подходят для push-pull приложений, хотя преобразование в триодный режим является реальной возможностью, встречающейся в усилителях класса А, и не имеет абсолютно никакого отношения к классу А.
Плюсы
Обычный триод имеет по крайней мере одно важное преимущество: возможность работы без обратной связи. Работа пентода имеет преимущества большей линейности и возможности достижения более высокой мощности. Высоколинейная работа устраняет необходимость в обратной связи, но при этом позволяет получить характеристики, близкие к квинтетным. При прочих равных условиях триоды превосходят оба варианта по уровню собственного шума лампы.
Неудивительно, что слабые стороны одних ламповых режимов проявляются там же, где и сильные стороны других. Триодный режим имеет более низкую эффективность, линейность и устойчивость к динамическим нагрузкам. Пентодный и гиперболический режимы страдают от меньшего шума и на практике больше зависят от качества выходных трансформаторов. Пентодный усилитель не может работать без общей обратной связи, а для некоторых вариантов гиперболического режима она может потребоваться.
Звук
С компонентами высокого класса, особенно основанными на лампах, не всегда можно провести четкую грань между «усилитель вышел из строя» и «так и должно было быть». В конце концов, в мире high-end аудиоинженер является также художником и имеет право на собственные представления о том, как должна звучать система. Избежать подобных недоразумений помогло использование в процессе тестирования двух пар колонок с принципиально разными характеристиками. В частности, при большой нагрузке и уровнях громкости выше среднего, что в целом соответствует заявленным характеристикам, наблюдались признаки недостатка мощности и повышенных искажений. Cayin CS-100A хорошо справляется с большими или средними напольными колонками с такими же средними параметрами мощности, импеданса и чувствительности.
В триодном режиме усилитель выдает приятный, тембральный 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 он был записан в начале семидесятых.
Переключение в режим Hyperdrive осуществляется одним нажатием кнопки и полностью меняет картину: рок, металл и танцевальная электроника теряют свою винтажную отделку и звучат так же энергично, как в транзисторных усилителях, работающих 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 различиям в звучании. Поскольку ламповая технология — это всегда механическое устройство с характером, выбор режима усилителя (или переключение режимов в усилителе) является для пользователя мощным инструментом для выбора усилителя, соответствующего его личным предпочтениям.
Эта статья написана 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:
