Зачем лампы выпускаются до сих пор? 10 вопросов и ответов

Энциклопедия ламповых усилителей — как они работают и почему нам нравится теплый звук?

Зачем лампы выпускаются до сих пор? 10 вопросов и ответов

С ламповой аудиотехникой связано множество легенд. Вакуумные устройства, с которых более века назад началась история звукоусиления, не только не сошли со сцены под нажимом появившихся позже твердотельных альтернатив, обладающих целым ворохом преимуществ, но и продолжают здравствовать до сих пор, на равных состязаясь за благосклонность и кошельки любителей музыки в самом высоком ценовом сегменте техники.

Попытаемся разобраться, чем же пленяют сердца аудиофилов эти капризные, габаритные, массивные и жутко неэкологичные мастодонты, начисто проигрывающие кремниевым собратьям схватку на бумаге и часто одерживающие победу в сравнительных прослушиваниях. Парадокс? Лишь отчасти.

1. С чего всё началось?

В далеком 1916 году американская компания General Electric запатентовала принцип усиления электрического сигнала вакуумным триодом. Почему именно им? Все просто – других типов активных радиоэлементов в то время не существовало. Итак, вакуумный триод состоит из трех элементов (отсюда и название) – катода, анода и управляющей сетки, размещенных в стеклянной колбе с сильно разреженным газом. Приложив напряжение к катоду и аноду, мы инициируем возникновение потока электронов. Если на пути этого потока установить управляющую сетку, то, приложив к ней потенциал, можно изменять интенсивность этого потока, словно регулируя вентилем напор воды из крана. Чем выше приложенный к сетке потенциал – тем меньше электронов попадает от катода к аноду. При определенном потенциале поток электронов вовсе иссякнет – этот момент называется закрытием лампы. Если подключить к катоду и аноду нагрузку – динамическую головку или акустическую систему, а входной сигнал приложить к управляющей сетке, то мы получим простейший усилитель, работающий в классе А.

2. Почему “лампа”? Какая связь между усилителями и осветительными приборами?

На самом деле, связь здесь весьма условная, и привычные лампочки в люстре не помогут в усилении аудиосигнала. Всё дело в том, что нити в лампах накаливания и электроды радиоламп, используемых в усилителях, размещаются в стеклянных колбах, из которых выкачан воздух. Полного вакуума там, конечно, нет, но степень разрежения газа очень высока. Потому и лампа накаливания, и радиолампа являются вакуумными приборами. Кроме того, радиолампы в процессе работы тоже светятся, порой довольно ярко – и это одна из черт, столь любимых приверженцами ламповой техники.

3. Если с лампами накаливания всё понятно – излучение света является их основной задачей, то радиолампе зачем светиться?

Свечение электронных ламп связано с необходимостью нагрева катода до очень высокой температуры, способной придать электронам нужную скорость, чтобы они могли покинуть структуру металла. Процесс излучения разогретым катодом электронов называется термоэлектронной эмиссией. Этот процесс весьма схож с испарением жидкости – при низких температурах испарения почти не происходит, а при повышении интенсивность испарения возрастает. В электронной лампе катод может разогреваться до температуры порядка 2 000 градусов. Чтобы выдерживать такой нагрев, для нитей накала катода используют тугоплавкие металлы.

Факт

Покрытие различными сплавами нитей накала ламп, облегчающее эмиссию, называется активированием, а такие нити – активированными. Активированные нити не переносят перегрева, поскольку в этом случае нанесенный на неё слой активирующего вещества разрушается, и нить перестает испускать электроны при нормативной для неё температуре. В этом случае говорят, что лампа потеряла эмиссию.

Раньше для нитей накала применяли чистый вольфрам – именно его приходится разогревать до 2 тысяч градусов для поддержания устойчивой эмиссии. При такой температуре, нити испускали белый свет и действительно освещали пространство вокруг подобно обычным лампочкам в люстре. Проблемой было то, что для разогрева до столь высоких температур требовалось очень много энергии и, кроме прочего, заставляло использовать мощные блоки питания.

Со временем учёные обнаружили, что можно стимулировать эмиссию электронов, покрывая вольфрамовые нити некоторыми сплавами, что позволило снизить температуру накала до 800 – 900 градусов и уменьшить в результате необходимый ток накала на порядок. При такой температуре катод излучает то самое “тёплое” красно-оранжевое свечение.

4. А зачем в электронной лампе вакуум?

Сильно разреженная среда в рабочем теле радиолампы необходима по двум причинам. Во-первых, вакуум здесь нужен ровно для того же, что и в обычных лампочках накаливания – для сохранения работоспособности нитей накала. Дело в том, что тонкие нити, разогретые до тысячи градусов, в присутствии кислорода быстро окисляются и разрушаются. Кроме того, работа радиолампы основана на управлении потоком электронов, летящих от катода к аноду. И этот поток не должен встречать на своем пути никаких помех. Воздух является для летящих электронов такой помехой.

5. А как же добиться необходимого разрежения внутри лампы?

Решение, лежащее на поверхности – использовать для этой задачи обычный насос. Но проблема здесь в том, что достичь необходимого разрежения в лампе с помощью насоса можно, но дорого и долго – для массового производства такой способ не подходит. Чтобы обеспечить необходимое разрежение, необходимо понизить давление внутри лампы до одной миллионной миллиметра ртутного столба. Процесс достижения этого значения разбит на два этапа – примерно до одной сотой миллиметра ртутного столба давление понижают с помощью насосов, после чего используют так называемые поглотители – вещества, способные эффективно поглощать газы. Такими свойствами обладают соединения бария и магния. Таблетку с таким веществом испаряют внутри колбы лампы. Пары поглотителя оседают на стекле и придают характерный тёмно-металлический (при использовании препаратов на основе бария) или серебристый (в случае магниевых поглотителей) оттенок. Именно этот налет и поглощает все остатки газов внутри лампы, обеспечивая её работоспособность.

6. Что такое смещение и зачем оно нужно?

Однако, пора вернуться к звуку и его усилению. Напомним, что музыкальный электрический сигнал – это сигнал с переменной амплитудой, частота которого попадает в диапазон, называемый звуковым. То есть, такой сигнал имеет положительную и отрицательную составляющие. При появлении на входе положительной полуволны, лампа корректно повторит её на выходе с большей амплитудой. Но когда положительную полуволну сменит отрицательная, лампа закроется, фактически обрезав половину музыкальной информации. Чтобы этого избежать «нулевой» уровень входного сигнала смещают в середину рабочего диапазона лампы. В этом случае при обработке положительной полуволны на входе лампа открывается в большей степени, а при поступлении отрицательной – начинает закрываться от среднего положения, но не закрывается совсем. Именно так работает усилительный каскад в классе A.

Положительным моментом такого решения является то, что вакуумный триод работает в середине своего рабочего диапазона и незамедлительно реагирует на изменения входного напряжения. Минусом здесь будет очень низкий КПД, значение которого редко превышает 30%. Обратите внимание – при отсутствии сигнала на входе лампа полуоткрыта и расходует энергию впустую, согревая пространство вокруг. То есть, львиная доля энергии такого усилителя уходит фактически в воздух, заставляя, к тому же, обеспечивать необходимое охлаждение усилителя.

7. Что такое однотактный усилитель и двухтактный? Какой предпочесть?

Усилитель отлично работает в классе A на сравнительно небольших уровнях мощности, когда амплитуда выходного сигнала укладывается в рабочий диапазон триода, причем с запасом. По мере приближения амплитуды выходного сигнала к границам рабочего диапазона лампы, растут искажения, а при приближении к полностью открытому или полностью закрытому состоянию, этот рост становится экспоненциальным.

Решение этой проблемы состояло в идее использования для обработки каждой полуволны входного сигнала отдельную лампу, включенную зеркально относительно напарницы. Здесь тоже применяется смещение, но гораздо меньшего уровня, что повышает КПД усилительного каскада. Отказаться совсем от смещения (усиление класса B) нельзя, поскольку переходные процессы из закрытого состояния лампы в открытое требуют времени, что вызывает искажения, фатальным образом отражающиеся на качестве звучания. Кроме лучшей энергоэффективности двухтактного каскада, на каждую полуволну входного сигнала здесь приходится полный рабочий диапазон лампы. Другими словами, на базе одних и тех же моделей ламп можно сконструировать усилитель с существенно более высокой выходной мощностью.

Однако, двухтактный усилитель накладывает жесткие требования на идентичность используемых в одном каскаде ламп. Чем в большей степени расходятся параметры конкретных экземпляров ламп, тем хуже будет качество звучания. Кроме того, несмотря на предпринятые меры, своё негативное влияние оказывают и так называемые коммутационные искажения, возникающие при передаче управления нагрузкой от одного усилительного элемента пары к другому. Поэтому, несмотря на очевидные преимущества двухтактных усилителей, однотактники остаются в строю и сдавать своих позиций не собираются.

8. Зачем ламповому усилителю нужны выходные трансформаторы и какова степень их влияния на качество звучания?

Выходной трансформатор в усилителе необходим для согласования характеристик ламп с параметрами акустических систем. Вспомним, что обычные колонки как правило имеют номинальное сопротивление от 4 до 8 Ом и работают со сравнительно небольшими напряжениями, но высокими токами. Если на мгновение пренебречь тем фактом, что музыкальный сигнал представляет собой переменное напряжение довольно обширного спектра частот, то, грубо говоря, через АС с номинальным сопротивлением 8 Ом, работающей на мощности 32 Вт будет протекать ток 2А при напряжении 16 Вольт. Лампы же, как правило, работают со сравнительно высокими напряжениями и небольшими токами. То есть, для выходной лампы вполне нормальным будет анодный ток порядка 100 мА при напряжении 250 В. Чтобы обеспечить совместную работу этих элементов музыкального тракта и нужен выходной согласующий трансформатор.

Теперь вспомним то допущение, которое мы сделали выше, и которое делать ни в коем случае нельзя, говоря о воспроизведении звука. Дело в том, что в реальности импеданс акустической системы зависит от частоты сигнала, причем, порой, довольно сильно, и согласующему трансформатору приходится работать во всей полосе звуковых частот. Именно поэтому качественный выходной трансформатор спроектировать и изготовить намного сложнее, чем, к примеру, трансформатор блока питания, а его качество определяет качество звучания усилителя в большей степени, чем любые иные элементы схемы. На долю выходных трансформаторов чаще всего приходится и основная часть цены усилителя.

9. Замена ламп (tube rolling) – так ли всё просто?

Как правило, ламповые усилители, в отличие от транзисторных, допускают такой вид апгрейда как tube rolling – замену ламп, как выходных, так и входных каскадов. Причем, речь идет не только о лампах той-же модели, но других производителей, но и экспериментах с другими моделями ламп (конечно, из определенного производителем усилителя перечня). Кроме того, в отличие от тех же транзисторов, ресурс ламп намного скромнее, и, рано или поздно, придется столкнуться с необходимостью замены усилительных элементов. К счастью, в большинстве случаев, технически этот процесс совсем несложен. В усилителях классической компоновки лампы вообще оставлены на виду – максимум – закрыты защитной решеткой, которую легко снять. Кроме того, вакуумные лампы устанавливаются в специальные многоштырьковые колодки – то есть, для замены даже инструмента никакого не потребуется. Казалось бы – всё очень просто. Но…

Во-первых, нужно со всей ответственностью отнестись к подбору ламп на замену. Если у вас нет опыта или технической возможности проверять параметры ламп, лучше эту задачу доверить порядочному продавцу. Ещё лучше, если такую услугу предлагает производитель ламп – подобранная пара, либо четвёрка ламп обойдется немного дороже приобретения аналогичного количества по отдельности, но поверьте – результат стоит этих денег. Особенно важно обеспечить согласованность параметров пары ламп, работающих в двухтактном выходном каскаде.

Во-вторых, после замены необходимо произвести настройку токов смещения под параметры новых ламп. Часто производители усилителей упрощают этот процесс, чтобы пользователи могли это делать самостоятельно – подстроечные резисторы выводятся наружу, а иногда лицевую панель устройства даже украшает стрелочный амперметр, по которому и выполняется юстировка.

10. Подбор акустики для лампового усилителя – есть ли специфика?

Вопрос, который волнует любого, кто впервые задумался о переходе “на лампу”. Сыграется ли ламповый усилитель с моей акустикой? Сможет ли раскрыть её потенциал (“раскачать”)? Не придется ли в итоге заменять любимые колонки в угоду новому усилителю?

Необходимо подчеркнуть, что в природе встречается немало моделей ламповых усилителей, способных справиться практически с любой, самой “тугой” акустикой. Правда, тут нужно сделать важную оговорку – выбор таких монстров гораздо скромнее чем транзисторных “сварочных аппаратов”, а их стоимость ощутимо выше. Как правило, высокая выходная мощность и коэффициент демпфирования достигается в них за счет параллельного использования большого количества мощных ламп.

В основной же своей массе ламповый усилитель действительно характеризуется сравнительно невысокой выходной мощностью и, что важнее, низким коэффициентом демпфирования, что накладывает определенные ограничения на выбор подходящих акустических систем. Наилучшими партнерами для “лампы” традиционно считается чувствительная акустика (свыше 93-95 дБ) с высоким номинальным сопротивлением (8 Ом) и, что важнее, без сильных провалов импеданса во всем рабочем диапазоне частот. Высокой чувствительностью обладают рупорные акустические системы.

В этой статье мы касались усилителей, работающих в классах A и A/B. Подробнее об этих и других классах усиления звука можно почитать здесь. А познакомиться с восемью лучшими ламповыми усилителями сезона 2021–2022 годов по версии редакции Hi-Fi.ru можно здесь здесь.

Редакция Hi-Fi.ru