Ламповый усилитель

Ламповый усилитель или ламповый усилитель — это тип электронного усилителя электронные лампы , в котором для увеличения амплитуды или мощности сигнала используются . Ламповые усилители малой и средней мощности для частот ниже микроволн были в основном заменены твердотельными усилителями в 1960-х и 1970-х годах. Ламповые усилители могут использоваться в таких приложениях, как гитарные усилители , спутниковые транспондеры, такие как DirecTV и GPS , высококачественные стереоусилители, военные приложения (например, радары ) и очень мощные радио- и УВЧ телевизионные передатчики .

История

Происхождение

До изобретения транзистора в 1947 году большинство практичных электронных усилителей высокой частоты изготавливались с использованием термоэмиссионных ламп . ^[1] Самый простой клапан (названный диодом , потому что у него было два электрода ) был изобретен Джоном Амброузом Флемингом во время работы в компании Маркони в Лондоне в 1904 году. Диод проводил электричество только в одном направлении и использовался в качестве радиодетектора и выпрямителя .

В 1906 году Ли Де Форест добавил третий электрод и изобрел первое электронное усилительное устройство — триод , который он назвал Аудион . Эта дополнительная управляющая сетка модулирует ток, протекающий между катодом и анодом . Взаимосвязь между протеканием тока и напряжением пластины и сетки часто изображается на диаграмме в виде серии «характеристических кривых». В зависимости от других компонентов схемы этот модулированный ток может использоваться для обеспечения усиления тока или напряжения .

Первое применение лампового усиления было при регенерации сигналов междугородной телефонии . Позже ламповое усиление было применено на рынке « беспроводной связи », возникшем в начале тридцатых годов. Со временем усилители для музыки, а затем и для телевидения, также стали изготавливаться с использованием ламп.

Подавляющим большинством топологии схемы в тот период был каскад усиления на несимметричном триоде , работавший в классе А, который давал очень хороший звук (и приемлемые измеренные характеристики искажений ), несмотря на чрезвычайно простую схему с очень небольшим количеством компонентов, что было важно в то время, когда компоненты были недоступны. ручная работа и очень дорогая. До Второй мировой войны почти все ламповые усилители имели низкий коэффициент усиления, а линейность полностью зависела от присущей самой лампе линейности, обычно с искажениями 5% на полной мощности.

Отрицательная обратная связь (ОНО) была изобретена Гарольдом Стивеном Блэком в 1927 году, но поначалу мало использовалась, поскольку в то время коэффициент усиления был в цене. Этот метод позволяет усилителям обменивать усиление на снижение уровня искажений (а также дает другие преимущества, такие как снижение выходного импеданса). Появление усилителя Williamson в 1947 году, который был чрезвычайно продвинутым во многих отношениях, включая очень успешное использование NFB, стало поворотным моментом в конструкции усилителей мощности звука, использующих двухтактную выходную схему в классе AB1, чтобы обеспечить производительность, превосходящую его современников.

Послевоенные события

Вторая мировая война стимулировала резкий технический прогресс и экономику промышленного масштаба. Рост благосостояния после войны привел к значительному и расширяющемуся потребительскому рынку. Это позволило производителям электроники создавать и продавать более совершенные конструкции ламп (ламп) по доступным ценам, в результате чего в 1960-е годы наблюдалось растущее распространение электронных граммофонных проигрывателей и, в конечном итоге, зарождение высокой точности воспроизведения . Hi-Fi смог вывести громкоговорители полного частотного диапазона (впервые, часто с несколькими динамиками для разных частотных диапазонов) на значительный уровень громкости. Это, в сочетании с распространением телевидения, привело к «золотому веку» разработки ламповых ламп, а также разработки схем ламповых усилителей.

Ряд топологий с незначительными вариациями (в частности, с различными схемами фазоделителей и « ультралинейным » трансформаторным соединением для тетродов) быстро получил широкое распространение. Это семейство конструкций по сей день остается доминирующей топологией усилителей высокой мощности для музыкальных приложений. В этот период также продолжался рост гражданского радио, при этом лампы использовались как для передатчиков, так и для приемников.

Отклонить

С 1970-х годов кремниевые транзисторы становились все более распространенными. Производство ламп резко сократилось, за заметным исключением электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), а также сократился ассортимент ламп для усилителей. Популярными лампами малой мощности были двойные триоды (ECCnn, серия 12Ax7) плюс пентод EF86, а силовые лампы в основном представляли собой лучевые тетрод и пентоды (EL84, EL34, КТ88/6550, 6L6), в обоих случаях с непрямым нагревом. Этот сокращенный набор типов остается основой производства клапанов и сегодня.

Советы ), которые могли сохранили клапаны в гораздо большей степени, чем Запад , во время холодной войны для большинства своих потребностей в средствах связи и военного усиления, отчасти из-за способности клапанов выдерживать мгновенные перегрузки (особенно из-за ядерного взрыва разрушить транзистор. ^[2]

Резкое уменьшение размеров, энергопотребления, снижение уровня искажений и, прежде всего, стоимости электронных продуктов на основе транзисторов сделали лампы устаревшими для обычных продуктов с 1970-х годов. Лампы остались в некоторых приложениях, таких как мощные радиочастотные передатчики и микроволновые печи , а также в оборудовании для усиления звука, особенно для электрогитар, студий звукозаписи и домашних стереосистем высокого класса.

Использование аудио

В аудиоприложениях лампы по-прежнему пользуются большим спросом у большинства профессиональных пользователей, особенно в оборудовании студий звукозаписи и гитарных усилителях. Существует подгруппа аудиоэнтузиастов, которые выступают за использование ламповых усилителей для домашнего прослушивания. Они утверждают, что ламповые усилители производят более «теплый» или «естественный» ламповый звук . Компании в Азии и Восточной Европе продолжают производить клапаны для обслуживания этого рынка.

Многие профессиональные гитаристы используют «ламповые усилители» из-за их знаменитого «тона». «Тон» в этом использовании относится к тембру или тональному цвету и может быть очень субъективным качеством для количественной оценки. Большинство аудиотехников и ученых предполагают, что «равномерные гармонические искажения», создаваемые ламповыми лампами, звучат более приятно для уха, чем транзисторы, независимо от стиля. Именно тональные характеристики ламповых ламп сделали их отраслевым стандартом для гитар и предусилителей студийных микрофонов.

Ламповые усилители реагируют иначе, чем транзисторные усилители, когда уровни сигнала приближаются и достигают точки ограничения . В ламповом усилителе переход от линейного усиления к ограничению происходит менее резко, чем в полупроводниковом усилителе, что приводит к менее решетчатой форме искажений в начале ограничения. По этой причине некоторые гитаристы предпочитают звучание полностью лампового усилителя; Однако эстетические свойства ламповых усилителей по сравнению с твердотельными усилителями являются предметом споров в сообществе гитаристов. ^[3]

Характеристики

Силовые лампы обычно работают при более высоких напряжениях и более низких токах, чем транзисторы, хотя рабочие напряжения полупроводников постоянно растут с развитием современных технологий устройств. Используемые сегодня радиопередатчики большой мощности работают в киловольтном диапазоне, где до сих пор нет другой сопоставимой технологии. ([мощность = напряжение × ток], поэтому большая мощность требует высокого напряжения, большого тока или того и другого)

Многие силовые лампы имеют хорошую линейность, но умеренный коэффициент усиления или крутизну . Усилители сигнала с использованием ламп способны работать в очень высоких частотных диапазонах - вплоть до радиочастот , и во многих аудиоусилителях с однотактным триодом прямого нагрева (DH-SET) используются радиопередающие лампы, предназначенные для работы в мегагерцовом диапазоне. На практике, однако, ламповые усилители обычно проектируют «пару» каскадов либо емкостно, ограничивая полосу пропускания на нижнем конце, либо индуктивно с трансформаторами, ограничивая полосу пропускания на обоих концах.

Преимущества

McIntosh MC240 1961 года выпуска с открытыми электронными лампами

По своей сути подходит для цепей высокого напряжения.
Может быть сконструирован таким образом, чтобы рассеивать большое количество тепла (некоторые экстремальные устройства даже имеют водяное охлаждение). По этой причине лампы оставались единственной жизнеспособной технологией для приложений очень высокой мощности, таких как радио- и телевизионные передатчики, даже в эпоху, когда транзисторы вытеснили лампы в большинстве других приложений.
Электрически очень надежные, они могут выдерживать перегрузки в течение нескольких минут, которые могут вывести из строя биполярные транзисторные системы за миллисекунды.
Выдерживают очень высокие переходные пиковые напряжения без повреждений, что подходит для определенных военных и промышленных применений.
Обычно работают при напряжении, значительно ниже максимального, что обеспечивает длительный срок службы и надежность.
Более мягкое ограничение при перегрузке схемы, что, по субъективному мнению многих аудиофилов и музыкантов, дает более приятный и музыкально приятный звук.

Недостатки

Плохая линейность, особенно при скромных факторах обратной связи. ^[4]
Для ламп требуется катодный нагреватель . Мощность нагревателя представляет собой значительные потери тепла и энергопотребление.
Лампы требуют более высокого напряжения для анодов по сравнению с твердотельными усилителями аналогичной номинальной мощности.
Лампы значительно больше, чем эквивалентные твердотельные устройства.
Высокий импеданс и низкий выходной ток не подходят для прямого привода многих реальных нагрузок, особенно различных форм электродвигателей .
Срок службы клапанов короче, чем твердотельных деталей, из-за различных механизмов отказа (таких как перегрев, отравление катода , поломка или внутреннее короткое замыкание).
Лампы доступны только в одной полярности, тогда как транзисторы доступны в дополнительных полярностях (например, NPN/PNP), что делает возможным множество конфигураций схем, которые невозможно реализовать напрямую.
В контурах клапанов не должно быть помех от источников питания нагревателей переменного тока.
Микрофоника – клапаны иногда могут быть чувствительны к звуку или вибрации, непреднамеренно действуя как микрофон .

Операция

Все схемы усилителей классифицируются по «классу работы» как A, B, AB, C и т. д. См. Классы усилителей мощности . Существуют некоторые существенно отличающиеся топологии схем по сравнению с конструкциями транзисторов.

Сетка (где представлен входной сигнал) должна быть смещена существенно отрицательно по отношению к катоду. Это чрезвычайно затрудняет прямое соединение выхода одного клапана со входом следующего, как это обычно делается в транзисторных конструкциях.
Ламповые ступени соединены с компонентами, рассчитанными на напряжение в несколько сотен вольт, обычно с конденсатором, иногда с соединительным трансформатором. Фазовые сдвиги, вносимые цепями связи, могут стать проблематичными в схемах с обратной связью.
Лампового аналога дополнительных устройств, широко используемых в выходных каскадах «тотемного столба» кремниевых схем, не существует. Поэтому для двухтактной клапанной топологии требуется фазоделитель .
Очень высокий выходной импеданс ламп (по сравнению с транзисторами) обычно требует использования согласующих трансформаторов для управления нагрузками с низким импедансом, такими как громкоговорители или режущие головки токарных станков. Трансформатор используется в качестве нагрузки вместо резистора, обычно используемого в слабосигнальных каскадах и каскадах управления. Отраженное сопротивление первичной обмотки трансформатора на используемых частотах значительно превышает сопротивление обмоток постоянному току, часто килоом. Однако высокопроизводительные трансформаторы представляют собой серьезный инженерный компромисс, дороги и в эксплуатации далеки от идеала. Выходные трансформаторы значительно увеличивают стоимость схемы лампового усилителя по сравнению с альтернативой транзистору с прямой связью. Однако как в ламповых, так и в полупроводниковых усилителях согласующие выходные трансформаторы необходимы для систем громкой связи, где линии с высоким сопротивлением и высоким напряжением с низкими потерями используются для подключения нескольких удаленных громкоговорителей.
Линейность ламп с разомкнутым контуром, особенно триодов, позволяет практически не использовать отрицательную обратную связь в схемах, сохраняя при этом приемлемые или даже превосходные характеристики искажений (особенно для цепей со слабым сигналом).

Топологии

В линейных схемах малых сигналов почти всегда используется триод в топологии несимметричного каскада усиления (класса A), включая выходной каскад.
Широкополосные ламповые усилители обычно используют класс A1 или AB1.
Современные выходные каскады высокой мощности обычно являются двухтактными, что часто требует использования какой-либо формы фазоделителя для получения дифференциального / балансного сигнала возбуждения от несимметричного входа, за которым обычно следует дополнительный каскад усиления («драйвер») перед выходными лампами. Например, двухтактный усилитель с шунтовым регулированием )
Несимметричные силовые каскады, использующие очень большие лампы, существуют и доминируют в радиопередатчиках. На врезке показано наблюдение, что нишевая топология «DH-SET», которую предпочитают некоторые аудиофилы, чрезвычайно проста и обычно строится с использованием ламповых типов, изначально разработанных для использования в радиопередатчиках.
более сложные топологии (особенно использование активных нагрузок) могут улучшить линейность и частотную характеристику (за счет устранения эффектов емкости Миллера).

Выходное сопротивление

Высокий выходной импеданс ламповых схем плохо сочетается с нагрузками с низким импедансом, такими как громкоговорители или антенны. Для эффективной передачи энергии необходима согласующая сеть; это может быть преобразователь звуковых частот или различные настроенные сети радиочастот.

В катодном повторителе или конфигурации с общей пластиной выходной сигнал берется из сопротивления катода. Из-за отрицательной обратной связи (напряжение катод-земля компенсирует напряжение сетка-земля) коэффициент усиления по напряжению близок к единице, а выходное напряжение соответствует напряжению сетки. Хотя катодный резистор может иметь сопротивление в несколько килоом (в зависимости от требований к смещению), выходное сопротивление слабого сигнала очень низкое (см. операционный усилитель ).

Приложения

Усилители звуковой частоты (AF) и широкополосные усилители

Лампы по-прежнему широко используются в гитарных и высококачественных аудиоусилителях из-за воспринимаемого качества звука, которое они производят. В других странах они в значительной степени устарели из-за более высокого энергопотребления, искажений, стоимости, надежности и веса по сравнению с транзисторами.

Телефония

Телефония была первопроходцем и в течение многих лет была основным приложением для усиления звука. Особой проблемой для телекоммуникационной отрасли была технология мультиплексирования множества (до тысячи) голосовых линий в один кабель на разных частотах.

Преимущество этого заключается в том, что один ламповый усилитель-репитер может одновременно усиливать множество вызовов, что очень экономически эффективно. Проблема в том, что усилители должны быть предельно линейными, иначе « интермодуляционные искажения» (IMD) приведут к «перекрестным помехам» между мультиплексированными каналами. Это стимулировало развитие акцента на низкое искажение, выходящее далеко за пределы номинальных потребностей одного голосового канала.

Аудио

Сегодня основным применением ламп являются аудиоусилители для высококачественного Hi-Fi и музыкального исполнения с электрогитарами , электробасами и органами Hammond , хотя эти приложения предъявляют разные требования к искажениям, что приводит к различным конструктивным компромиссам, хотя и одинаковым. Основные методы проектирования являются общими и широко применимы ко всем приложениям усиления широкополосной связи, а не только к аудио.

После Второй мировой войны большинство ламповых усилителей мощности имели ультралинейную «двухтактную» топологию класса AB-1 или более дешевые однотактные лампы, например 6BQ5/EL84, но нишевые продукты, использующие топологии DH-SET и даже OTL, все еще существуют в небольшом количестве.

Конструкция предварительного усилителя, в которой используются все мощные лампы вместо небольших сигнальных ламп.

Гибридный усилитель с предусилителем 300B и полупроводниковым выходом 70 Вт/канал.

Инструментальные усилители

Базовый вольтметр и амперметр с подвижной катушкой потребляет небольшой ток и, таким образом, нагружает цепь, к которой он подключен. Это может существенно изменить условия работы в измеряемой цепи. Вольтметр на электронной лампе (VTVM) использует высокое входное сопротивление лампы для защиты измеряемой цепи от нагрузки амперметра.

Ламповые осциллографы имеют очень высокий входной импеданс и поэтому могут использоваться для измерения напряжения даже в цепях с очень высоким импедансом. Обычно на каждом канале дисплея может быть 3 или 4 ступени усиления. В более поздних осциллографах тип усилителя, в котором использовался ряд трубок, соединенных на равных расстояниях вдоль линий передачи , известный как распределенный усилитель, использовался для усиления очень высокочастотных вертикальных сигналов перед их подачей на дисплейную трубку. Ламповые осциллографы уже устарели.

В последние годы ламповой эры лампы даже использовались для изготовления « операционных усилителей » — строительных блоков большей части современной линейной электроники. Операционный усилитель обычно имеет дифференциальный входной каскад и выход тотемного полюса, при этом схема обычно имеет минимум пять активных устройств. Было произведено несколько «пакетов», в которых такие схемы (обычно с использованием двух или более стеклянных колб) объединялись в один модуль, который можно было подключить к более крупной схеме (например, аналоговому компьютеру). Такие ламповые ОУ были очень далеки от идеала и быстро устарели, заменяясь твердотельными типами.

Узкополосные и радиочастотные усилители

Исторически сложилось так, что довоенные «передающие лампы» были одними из самых мощных доступных ламп. Обычно они имели катоды с ториевой нитью прямого нагрева, которые светились, как лампочки. Некоторые лампы могли двигаться с такой силой, что сам анод светился вишнево-красным светом; аноды были изготовлены из твердого материала (а не из тонкого листа), чтобы выдерживать нагрев без деформации. Известными лампами этого типа являются 845 и 211. Более поздние тетроды и пентоды, такие как 817 и 813 (с прямым нагревом), также использовались в больших количествах в (особенно военных) радиопередатчиках.

ВЧ-схемы существенно отличаются от схем широкополосных усилителей. Антенный каскад или каскад следящей схемы обычно содержит один или несколько регулируемых емкостных или индуктивных компонентов, позволяющих точно согласовать резонанс каскада с используемой несущей частотой, чтобы оптимизировать передачу мощности от клапана и нагрузку на него, так называемую «настроенную схему». ".

Широкополосные схемы требуют ровного отклика в широком диапазоне частот. ВЧ-схемы, напротив, обычно должны работать на высоких частотах, но часто в очень узком частотном диапазоне. Например, радиочастотному устройству может потребоваться работа в диапазоне от 144 до 146 МГц (всего 1,4%).

Сегодня радиопередатчики в подавляющем большинстве состоят из кремния, даже на микроволновых частотах. Однако постоянно уменьшающееся меньшинство мощных радиочастотных усилителей по-прежнему имеет ламповую конструкцию.

Примечания

^ Твердотельные устройства, такие как детектор кошачьих усов , выпрямитель из оксида меди или кристаллический детекторный диод, были известны до транзистора, но не могли усиливать сигнал. Магнитные усилители были ограничены частотой примерно ниже 200 кГц. Гидравлические усилители не имели прямого применения в качестве электронных устройств.
^ См. Ядерный электромагнитный импульс .
^ Лампы против транзисторов - есть ли ощутимая разница?
^ Справочник по проектированию усилителя мощности звука

Ссылки

Справочник по радиосвязи (5-е изд.), Радиосообщество Великобритании , 1976 г., ISBN 0-900612-28-2

См. также

Внешние ссылки

Часто задаваемые вопросы по вакуумным лампам - часто задаваемые вопросы Генри Пастернака с сайта Rec.audio
Аудиосхема - почти полный список производителей, комплектов для самостоятельного изготовления, материалов и деталей, а также разделы «как они работают» о ламповых усилителях.
Калькулятор преобразования – коэффициент искажения в затухание искажений и THD
AX84.com – хотя бесплатные схемы и теоретические документы AX84 ориентированы на ламповые гитарные усилители, они хорошо применимы к любому ламповому/ламповому проекту.
Архив данных о трубках — огромная коллекция (более 7 ГБ) технических данных и информации о трубках.

[1] Твердотельные устройства, такие как детектор кошачьих усов , выпрямитель из оксида меди или кристаллический детекторный диод, были известны до транзистора, но не могли усиливать сигнал. Магнитные усилители были ограничены частотой примерно ниже 200 кГц. Гидравлические усилители не имели прямого применения в качестве электронных устройств.

[2] См. Ядерный электромагнитный импульс .

[3] Лампы против транзисторов - есть ли ощутимая разница?

[4] Справочник по проектированию усилителя мощности звука

[1]

[2]

[3]

[4]