Ламповый усилитель или ламповый усилитель — это тип электронного усилителя , в котором для увеличения амплитуды или мощности сигнала используются электронные лампы . 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 ), а также очень мощные радио- и телевизионные передатчики УВЧ .
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, когда он работал в компании Marconi 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.
.png/1280px-Triode_common_cathode_gain_stage_(circuit_diagram).png)
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 линейности, присущей самой лампе, 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.
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» в разработке ламповых ламп, а также в разработке 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.
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 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 ), которые могли 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 радиопередатчики и микроволновые печи , а также в оборудовании для усиления звука, особенно для электрогитар, студий звукозаписи и домашних стереосистем высокого класса.
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 слуха, 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]
Силовые лампы обычно работают при более высоких напряжениях и более низких токах, чем транзисторы, хотя рабочие напряжения полупроводниковых устройств 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.
Все схемы усилителей классифицируются по «классу эксплуатации» как A, B, AB, C и т. д. См. Классы усилителей мощности . Существуют некоторые существенно отличающиеся топологии схем по сравнению с конструкциями транзисторов.
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 сетки-земли) коэффициент усиления по напряжению близок к единице, и 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 ).
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 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.
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.
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 вакуумной 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 тотемный выход, 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.
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.