Ламповый усилитель или ламповый усилитель — это тип электронного усилителя , который использует вакуумные лампы для увеличения амплитуды или мощности сигнала . Ламповые усилители малой и средней мощности для частот ниже микроволн были в значительной степени заменены твердотельными усилителями в 1960-х и 1970-х годах. Ламповые усилители могут использоваться для таких приложений, как гитарные усилители , спутниковые транспондеры, такие как DirecTV и GPS , высококачественные стереоусилители, военные приложения (например, радары ) и очень мощные радио- и телевизионные передатчики UHF .
До изобретения транзистора в 1947 году большинство практичных высокочастотных электронных усилителей изготавливались с использованием термоэлектронных ламп . [1] Простейшая лампа (названная диодом , потому что имела два электрода ) была изобретена Джоном Амброузом Флемингом во время работы 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, который протекает между катодом и анодом . Зависимость между током и напряжением пластины и сетки часто представляется в виде серии «характеристических кривых» на диаграмме. В зависимости от других компонентов в схеме этот модулированный ток может использоваться для обеспечения усиления тока или напряжения .
Первое применение лампового усиления было в регенерации сигналов дальней телефонии . Позже ламповое усиление было применено на рынке « беспроводной связи », который появился в начале тридцатых годов. Со временем усилители для музыки, а позднее и для телевидения также были построены с использованием ламп.
.png/1280px-Triode_common_cathode_gain_stage_(circuit_diagram).png)
Подавляющее большинство топологии схемы в этот период представляло собой каскад усиления на однотактном триоде , работающий в классе A, который давал очень хороший звук (и разумные измеренные характеристики искажений ), несмотря на чрезвычайно простую схему с очень небольшим количеством компонентов: важно в то время, когда компоненты изготавливались вручную и были чрезвычайно дорогими. До Второй мировой войны почти все ламповые усилители имели низкий коэффициент усиления и линейность, полностью зависящую от собственной линейности самой лампы, обычно искажения составляли 5% при полной мощности.
Отрицательная обратная связь (ООС) была изобретена Гарольдом Стивеном Блэком в 1927 году, но изначально мало использовалась, поскольку в то время усиление было в почете. Эта технология позволяет усилителям жертвовать усилением ради снижения уровня искажений (а также давала другие преимущества, такие как снижение выходного импеданса). Появление усилителя Уильямсона в 1947 году, который был чрезвычайно передовым во многих отношениях, включая очень успешное использование ООС, стало поворотным моментом в проектировании усилителей мощности звука, работая по двухтактной выходной схеме в классе AB1, чтобы обеспечить производительность, превосходящую своих современников.
Вторая мировая война стимулировала резкий технический прогресс и экономику промышленного производства. Рост благосостояния после войны привел к существенному и расширению потребительского рынка. Это позволило производителям электроники создавать и продавать более совершенные конструкции ламп (трубок) по доступным ценам, в результате чего в 1960-х годах наблюдалось все большее распространение электронных граммофонных проигрывателей и, в конечном счете, начало высокой точности . Hi-Fi смогла вывести громкоговорители полного частотного диапазона (впервые, часто с несколькими драйверами для разных частотных диапазонов) на значительные уровни громкости. Это, в сочетании с распространением телевидения, создало «золотой век» в разработке ламп (трубок), а также в разработке схем усилителей на лампах.
Ряд топологий с небольшими изменениями (особенно различные схемы фазовых сплиттеров и « ультралинейное » трансформаторное соединение для тетродов) быстро стали широко распространенными. Это семейство конструкций остается доминирующей топологией усилителей высокой мощности и по сей день для музыкального применения. В этот период также наблюдался непрерывный рост гражданского радио, при этом лампы использовались как для передатчиков, так и для приемников.
С 1970-х годов кремниевые транзисторы стали все более распространенными. Производство ламп резко сократилось, за исключением электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и сокращенного ассортимента ламп для усилительных приложений. Популярными маломощными лампами были двойные триоды (ECCnn, серия 12Ax7) плюс пентод EF86, а мощные лампы в основном представляли собой лучевые тетроды и пентоды (EL84, EL34, KT88 / 6550, 6L6), в обоих случаях с косвенным нагревом. Этот сокращенный набор типов остается ядром производства ламп и сегодня.
Советы сохранили лампы в гораздо большей степени, чем Запад во время Холодной войны , для большинства своих потребностей в средствах связи и усиления военных сигналов, отчасти из-за способности ламп выдерживать мгновенные перегрузки (в частности, вызванные ядерным взрывом ), которые могли бы разрушить транзистор. [2]
Резкое уменьшение размера, энергопотребления, снижение уровня искажений и, прежде всего, стоимости электронных продуктов на основе транзисторов сделали лампы устаревшими для основных продуктов с 1970-х годов. Лампы остались в определенных приложениях, таких как мощные радиопередатчики и микроволновые печи , а также в аудиоусилительном оборудовании, особенно для электрогитар, студий звукозаписи и высококачественных домашних стереосистем.
В аудиоприложениях лампы по-прежнему востребованы большинством 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 более «естественный» ламповый звук . Компании в Азии и Восточной Европе продолжают производить лампы, чтобы удовлетворить этот рынок.
Многие профессиональные гитаристы используют «ламповые усилители» из-за их знаменитого «тона». «Тон» в этом смысле относится к тембру или окраске высоты тона и может быть очень субъективным качеством для количественной оценки. Большинство звукорежиссеров и ученых предполагают, что «равномерное гармоническое искажение», создаваемое ламповыми лампами, звучит более приятно для слуха, чем транзисторы, независимо от стиля. Именно тональные характеристики ламповых ламп сделали их отраслевым стандартом для гитар и студийных микрофонных предусилителей.
Ламповые усилители реагируют иначе, чем транзисторные усилители, когда уровни сигнала приближаются и достигают точки ограничения . В ламповом усилителе переход от линейного усиления к ограничению менее резкий, чем в твердотельном устройстве, что приводит к менее резкой форме искажения в начале ограничения. По этой причине некоторые гитаристы предпочитают звук полностью лампового усилителя; эстетические свойства ламповых усилителей по сравнению с твердотельными, однако, являются предметом споров в сообществе гитаристов. [3]
Мощные вентили обычно работают при более высоких напряжениях и более низких токах, чем транзисторы, хотя рабочие напряжения твердотельных устройств постоянно увеличиваются с появлением современных технологий. Высокомощные радиопередатчики, используемые сегодня, работают в киловольтном диапазоне, где до сих пор нет других сопоставимых технологий. ([мощность = напряжение × ток], поэтому высокая мощность требует высокого напряжения, высокого тока или и того, и другого)
Многие мощные лампы имеют хорошую линейность, но скромное усиление или транскондуктивность . Усилители сигнала, использующие лампы, способны работать в очень высоких частотных диапазонах — вплоть до радиочастот , и многие из аудиоусилителей с однотактным триодом прямого нагрева (DH-SET) используют радиопередающие лампы, предназначенные для работы в мегагерцовом диапазоне. На практике, однако, конструкции ламповых усилителей обычно «соединяют» каскады либо емкостно, ограничивая полосу пропускания на нижнем конце, либо индуктивно с трансформаторами, ограничивая полосу пропускания на обоих концах.
Все схемы усилителей классифицируются по «классу работы» как A, B, AB и C и т. д. См. классы усилителей мощности . Существуют некоторые существенно отличающиеся топологии схем по сравнению с конструкциями транзисторов.
Высокий выходной импеданс схем пластинчатых ламп плохо согласуется с низкоомными нагрузками, такими как громкоговорители или антенны. Для эффективной передачи мощности требуется согласующая сеть; это может быть трансформатор на звуковых частотах или различные настроенные сети на радиочастотах.
В конфигурации катодного повторителя или общей пластины выходной сигнал берется с катодного сопротивления. Из-за отрицательной обратной связи (напряжение катод-земля компенсирует напряжение сетка-земля) коэффициент усиления напряжения близок к единице, а выходное напряжение следует за напряжением сетки. Хотя катодный резистор может составлять много килоом (в зависимости от требований смещения), выходное сопротивление малого сигнала очень низкое (см. операционный усилитель ).
Лампы по-прежнему широко используются в гитарных и высококлассных аудиоусилителях из-за воспринимаемого качества звука, которое они производят. Они в значительной степени устарели в других местах из-за более высокого энергопотребления, искажений, стоимости, надежности и веса по сравнению с транзисторами.
Телефония была изначальной и в течение многих лет была движущей силой применения аудиоусиления. Конкретной проблемой для телекоммуникационной отрасли была техника мультиплексирования многих (до тысячи) голосовых линий в один кабель на разных частотах.
Преимущество этого в том, что усилитель-"репитер" с одной лампой может усиливать много вызовов одновременно, что очень экономически эффективно. Проблема в том, что усилители должны быть чрезвычайно линейными, в противном случае " интермодуляционные искажения" (IMD) приведут к "перекрестным помехам" между мультиплексированными каналами. Это стимулировало акцент на разработке в сторону низких искажений, далеко выходящих за номинальные потребности одного голосового канала.
Сегодня основная область применения ламп — аудиоусилители для высококачественного hi-fi и музыкального исполнения с электрогитарами , электробасами и органами Хаммонда , хотя эти приложения предъявляют разные требования к искажениям, что приводит к разным компромиссам в конструкции, хотя одни и те же базовые методы проектирования являются общими и широко применимы ко всем широкополосным усилительным приложениям, а не только к аудио.
После Второй мировой войны большинство ламповых усилителей мощности имели сверхлинейную топологию «push-pull» класса AB-1 или более дешевые однотактные усилители, 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 сам по себе потребляет небольшой ток и, таким образом, нагружает цепь, к которой он присоединен. Это может существенно изменить рабочие условия в измеряемой цепи. Вакуумный ламповый вольтметр (VTVM) использует высокое входное сопротивление лампы для буферизации измеряемой цепи от нагрузки амперметра.
Ламповые осциллографы разделяют это очень высокое входное сопротивление и, таким образом, могут использоваться для измерения напряжений даже в цепях с очень высоким сопротивлением. Обычно может быть 3 или 4 ступени усиления на канал отображения. В более поздних осциллографах тип усилителя, использующий ряд трубок, соединенных на равных расстояниях вдоль линий передачи , известный как распределенный усилитель, использовался для усиления очень высокочастотных вертикальных сигналов перед подачей на дисплейную трубку. Ламповые осциллографы в настоящее время устарели.
В последние годы эры ламп лампы использовались даже для создания « операционных усилителей » — строительных блоков многих современных линейных электронных устройств. Операционный усилитель обычно имеет дифференциальный входной каскад и выходной тотемный столб, а схема обычно имеет минимум пять активных устройств. Было произведено несколько «упаковок», которые интегрировали такие схемы (обычно с использованием двух или более стеклянных колб) в один модуль, который можно было подключить к более крупной схеме (например, аналоговому компьютеру). Такие ламповые операционные усилители были очень далеки от идеала и быстро устарели, будучи заменены твердотельными типами.
Исторически сложилось так, что «передающие трубки» до Второй мировой войны были одними из самых мощных доступных трубок. Обычно они имели катоды с нитями тория с прямым нагревом, которые светились как лампочки. Некоторые трубки могли работать так сильно, что сам анод светился вишнево-красным; аноды были изготовлены из цельного материала (а не из тонкого листа), чтобы выдерживать тепло без деформации. Известными трубками этого типа являются 845 и 211. Более поздние тетроды и пентоды, такие как 817 и (прямой нагрев) 813, также использовались в большом количестве в (особенно военных) радиопередатчиках
Схемы ВЧ существенно отличаются от схем широкополосного усилителя. Антенна или каскад последующей цепи обычно содержат один или несколько регулируемых емкостных или индуктивных компонентов, позволяющих точно согласовать резонанс ступени с используемой несущей частотой, чтобы оптимизировать передачу мощности от и нагрузку на лампу, так называемую «настроенную цепь».
Широкополосные схемы требуют плоского отклика в широком диапазоне частот. Схемы RF, напротив, обычно должны работать на высоких частотах, но часто в очень узком диапазоне частот. Например, устройство RF может быть обязано работать в диапазоне от 144 до 146 МГц (всего 1,4%).
Сегодня радиопередатчики в подавляющем большинстве основаны на кремнии, даже на микроволновых частотах. Однако все уменьшающееся меньшинство мощных радиочастотных усилителей продолжает иметь ламповую конструкцию.