Электронная лампа

Чисто триодный усилитель с претензиями на истинный High–End.

Почему именно триоды? Во-первых, триод это действительно классика – прародитель всех электровакуумных приборов. Триоды по сравнению с пентодами имеют меньшее усиление, но и меньшее внутреннее сопротивление. Первое требует большего усиления предварительных каскадов (что в принципе не слишком сложная задача), а второе — благоприятно сказывается на улучшении демпфирования выходного трансформатора.

↑ Идея

Идея создания конструкции усилителя с действительно классическим ретро звучанием зрела давно. Но идея сформировалась полностью, когда при переборке старого склада обнаружил триоды 6Н13С.

С лампами определились. Следующий вопрос, который до сих пор не имеет однозначного ответа двухтактный или однотактный (представляю, сколько будет комментариев относительно этого вопроса). Выскажу свое мнение. Для меня решающим аргументом как не парадоксально было, что в наши дни сложно найти высокочувствительную акустику.
Значит, нужна мощность. Работа в параллель это уже метод, а не принцип. Еще учтем, что триоды обладают худшим КПД по сравнению с пентодами. И окончательно, доводом в пользу выбора двухтактного каскада на триодах стал тот факт, что в спектре гармоник триода наиболее значимой является четная вторая гармоника при гораздо меньшей нечетной третьей. Учитывая, что в двухтактном выходном каскаде четные гармоники выходных ламп в значительной степени компенсируются, нетрудно сделать вывод.

Классификация по названию

Маркировки, принятые в СССР/России

Маркировки в других странах

В Европе в 1930-е годы ведущими производителями радиоламп была принята Единая европейская система буквенно-цифровой маркировки.

Первая буква характеризует напряжение накала или его ток:

• А — напряжение накала 4 В;
• В — ток накала 180 мА;
• С — ток накала 200 мА;
• D — напряжение накала до 1,4 В;
• E — напряжение накала 6,3 В;
• F — напряжение накала 12,6 В;
• G — напряжение накала 5 В;
• H — ток накала 150 мА;
• К — напряжение накала 2 В;
• P — ток накала 300 мА;
• U — ток накала 100 мА;
• V — ток накала 50 мА;
• X — ток накала 600 мА.

Вторая и последующие буквы в обозначении определяют тип ламп:

• A — диоды;
• B — двойные диоды (с общим катодом);
• C — триоды (кроме выходных);
• D — выходные триоды;
• E — тетроды (кроме выходных);
• F — пентоды (кроме выходных);
• L — выходные пентоды и тетроды;
• H — гексоды или гептоды (гексодного типа);
• K — октоды или гептоды (октодного типа);
• M — электронно-световые индикаторы настройки;
• P — усилительные лампы со вторичной эмиссией;
• Y — однополупериодные кенотроны (простые);
• Z — двухполупериодные кенотроны.

Двузначное или трёхзначное число обозначает внешнее оформление лампы и порядковый номер данного типа, причем первая цифра обычно характеризует тип цоколя или ножки, например:

• 1-9 — стеклянные лампы с ламельным цоколем («красная серия»);
• 1х — лампы с восьмиштырьковым цоколем («11-серия»);
• 3х — лампы в стеклянном баллоне с октальным цоколем;
• 5х — лампы с октальным цоколем;
• 6х и 7х — стеклянные сверхминиатюрные лампы;
• 8х и от 180 до 189 — стеклянные миниатюрные с девятиштырьковой ножкой;
• 9х — стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.

↑ Схема

Рассмотрим некоторые особенности схемного решения. Схема не претендует на особую оригинальность, все решения неоднократно описывались в литературе. Но в процессе сборки приходилось неоднократно менять даже принцип. Не все получалось, как задумывалось. Блок питания согласно концепции выполнен на кенотронах. Выбор смещения был выбран автоматический, причем раздельный для каждой лампы (R19-C7, R20-C8). Это позволяет не так тщательно подбирать лампы и следить за током в процессе старения. Режим ламп выходного каскада Ua=270В Ia=70 мА (режим класса А).
Обычно предвыходной каскад является фазоинвертором, но в связи с тем, что выходной каскад имеет малый коэффициент усиления, требуется повышенное напряжение на управляющих сетках. В связи с этим в данном случае предвыходной каскад (V2A, V2B) также выполнен по схеме симметричного двухтактного усилителя с общим катодным резистором R14. Достоинство такого каскада заключается еще и в том, что благодаря противофазности переменных составляющих катодных токов V2A и V2B переменное (звуковое) напряжение на резисторе R14 отсутствует и поэтому нет необходимости шунтировать его электролитическим конденсатором.

Еще одно оригинальное решение, которое мне очень понравилось, было подсмотрено у Уйм де Джэгера
(«Elektor Electronics» №6/ 2007, с. 38-44)
. Гибридное «автофиксированное» смещение. Подача напряжения от отрицательного источника – 50В через резистор R11 и от общего провода через R14 увеличивает эффективное напряжение питания этого каскада и позволяет ему без ограничения развивать на анодах до 70В переменного звукового напряжения (среднеквадратическое значение).

Входной каскад на V1A, V1B выполнен по схеме дифференциального усилителя. У полной симметрии всех каскадов по анодным цепям есть и еще одно положительное качество — хорошая компенсация пульсаций и помех анодных напряжений питания. Выключатель S1 позволяет замыкать или размыкать цепь общей ООС глубиной 10 дБ, что дает возможность на слух выбрать наиболее приемлемое для акустики и ушей звучание.

Современное состояние[ | ]

В настоящее время вакуумные триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен М — ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, — например, в выходных каскадах радиопередатчиков. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Также на базе ламп всё ещё делается некоторая часть высококачественной акустической усилительной аппаратуры классов Hi-Fi и Hi-End, несмотря на то, что фиксируемый приборами коэффициент нелинейных искажений у почти любых современных транзисторных приборов во много раз меньше, чем у ламповых.[источник не указан 2443 дня

] Несмотря на высокую стоимость, такая аппаратура весьма популярна у музыкантов и аудиофилов благодаря её так называемому более «тёплому», «ламповому» звучанию, которое якобы воспринимается человеком как более естественное и близкое к тому, что было при записи исходного звука. Триод — простая по конструкции лампа, имеющая при этом высокий коэффициент усиления, поэтому она хорошо вписывается в один из принципов построения альтернативной звукотехники — принцип минимализма, то есть предельной простоты аппаратуры.

↑ Оживление проекта

И так приступаем.

Не смотря на простоту схемного решения, воплощение в жизнь проходило как ни когда с проблемами. Относительно большие токи, значительная рассеиваемая мощность на элементах, постоянно требовало вносить коррективы в проект. Вначале планировалось выполнить блок питания на одном кенотроне 5Ц3С.
Но из-за огромного падения напряжения и предельного режима работы лампы пришлось отказаться от такого могучего кенотрона. Пришлось применить два (в параллель) 5Ц4С. Но как говорится, что не делается все к лучшему. 5Ц4С позволяет подачу анодного напряжения без предварительного прогрева, что позволило отказаться от схемы задержки или дополнительного выключателя анодного напряжения. Расчетная мощность катодных резисторов 6Вт так же не выдерживала теплового режима. Пришлось применить остеклованные 25Вт.

Но загадочней всего была работа силового трансформатора ТС-180. При оптимальных токах и нагрузках его нагрев был предельный. Предвкушая, советы и предположения скажу, что варианты были опробованы практически все, от замены магнитопровода до перемотки. Потребляемый ток под нагрузкой 0,8А по этикетке 0,85А нагрев предельный – мистика! Меняем конструктив ставим вентилятор. Все в норме, даже оригинально.

Но что это мы о грустном. Главное схема работает, практически без наладки выдает заявленные параметры. Элементарнее соблюдение правил монтажа, фон наводки отсутствуют.

Впервые применил гибридный монтаж – основные элементы расположены на планке выполненной печатным способом, а соединения с панельками навесными проводниками. По честному, классический навесной монтаж проще и менее проблематичней. Ну и как обычно задержка с дизайном и изготовлением корпуса.

Конструкция

Элементы электронной лампы (пентода): Нить накала, катод, три сетки, анод. Вверху — элементы крепления и кольцо с поглотителем остатков воздуха
Электронные лампы имеют два и более электродов: катод

,
анод
и
сетки
.

Катод

Для того, чтобы обеспечить эмиссию электронов с катода, его дополнительно подогревают[4], откуда произошло жаргонное название катода — «накал» лампы.

По способу подогрева катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить из металла с высоким удельным электрическим сопротивлением. Ток накала проходит непосредственно через катод. Лампы прямого накала потребляют меньшую мощность, быстрее разогреваются, отсутствует проблема обеспечения электрической изоляции между катодом и нитью накала (эта проблема существенна в высоковольтных кенотронах). Однако, обычно они имеют меньший срок службы, при использовании в сигнальных цепях требуют питания накала постоянным током, а в ряде схем неприменимы из-за влияния разницы потенциалов на разных участках катода на работу лампы. Лампы прямого накала часто называют «батарейными», так как они широко применялись в аппаратуре с автономным питанием; но прямонакальный катод применяется и в мощных генераторных лампах. Там он представляет собой не нить, а достаточно толстый стержень.

Катод косвенного накала представляет собой цилиндр, внутри которого располагают подогреватель (нить накала), электрически изолированную от катода. Подогреватель приходится раскалять гораздо сильнее, чем прямонакальный катод, поэтому он потребляет намного бо́льшую мощность, лампа выделяет много тепла, требует заметного времени для прогрева (десятки секунд, а то и минуты). Зато площадь катода можно сделать намного больше (а значит, увеличить ток, протекающий через лампу), катод изолирован от источника питания подогревателя (это снимает некоторые схемотехнические ограничения, присущие лампам прямого накала) и питать подогреватель в большинстве случаев можно переменным током (сравнительно массивный катод хорошо сглаживает колебания температуры, и фон переменного тока невелик). Подавляющее большинство ламп малой и средней мощности для стационарной аппаратуры имеют катод косвенного накала.

Чтобы облегчить эмиссию электронов, катоды ламп обычно активируют — покрывают тончайшим слоем вещества, имеющего относительно малую работу выхода: торий, барий и их соединения[6]. Активирующий слой в процессе работы постепенно разрушается и лампа теряет эмиссию, «садится» — с поверхности катода истекает все меньше электронов, уменьшается ток лампы, то есть снижается её усиление и выходная мощность. Срок службы «севшей» лампы можно продлить, немного увеличив напряжение накала; но тут увеличивается риск перегорания подогревателя.

Чисто металлические катоды (например, в мощных лампах с большой плотностью тока катода) делают из вольфрама.

Анод

Анод электронной лампы
Положительный электрод. Выполняется иногда в форме пластины, но чаще в форме коробочки, окружающей катод и сетки и имеющей форму цилиндра или параллелепипеда. В мощных лампах анод может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Изготавливается обычно из никеля или молибдена, иногда из тантала и графита.

Сетка

Между катодом и анодом располагаются сетки, которые служат для управления потоком электронов и устранения побочных явлений, возникающих при движении электронов от катода к аноду.

Сетка представляет собой решётку либо (чаще) спираль из тонкой проволоки, навитую вокруг катода на нескольких поддерживающих стойках (траверсах). В стержневых лампах роль сеток выполняет система из нескольких тонких стержней, параллельных катоду и аноду, и физика их работы иная, чем в традиционной конструкции.

По назначению сетки подразделяются на следующие виды:

• Управляющая сетка — небольшое изменение разности потенциалов между управляющей сеткой и катодом приводит к большим изменениям анодного тока лампы, что позволяет усиливать сигнал. Располагается на минимально возможном расстоянии от катода. Но если по каким-либо причинам это не удавалось, то её покрывали золотом для уменьшения термоэмиссии, так как она под нагревом начинала испускать электроны.
• Экранирующая сетка — устраняет паразитную ёмкость между управляющей сеткой и анодом, что позволяет увеличить коэффициент усиления и предотвратить самовозбуждение на высоких частотах. На экранирующую сетку подаётся постоянное напряжение, равное или несколько меньшее анодного. При случайном размыкании цепи анода через экранирующую сетку может потечь ток значительной силы, что приведёт к повреждению лампы. Для предотвращения этого явления последовательно с экранирующей сеткой включают резистор сопротивлением в несколько килоом;
• Антидинатронная сетка — устраняет динатронный эффект, возникающий при ускорении электронов полем экранирующей сетки. Противодинатронную сетку соединяют с катодом лампы, иногда такое соединение сделано внутри баллона лампы.

В зависимости от назначения лампы, она может иметь до семи сеток. В некоторых вариантах включения многосеточных ламп отдельные сетки могут выполнять роль анода. Например, в генераторе по схеме Шембеля на тетроде или пентоде собственно генератором служит «виртуальный» триод, образованный катодом, управляющей сеткой и экранирующей сеткой в качестве анода[7][8].

Баллон

Блестящее напыление (геттер), которое можно видеть на стекле большинства электронных ламп, выполняет двойную функцию — адсорбент остаточных газов, а также индикатор вакуума (многие виды геттера белеют при попадании воздуха в лампу в случае нарушения её герметичности).

Металлические электроды (токовводы), проходящие через стеклянный корпус лампы, должны быть согласованы по коэффициенту теплового расширения с данной маркой стекла и хорошо смачиваться расплавленным стеклом. Их выполняют из платины (редко), платинита, молибдена и др.[9]

↑ Финальные аккорды

Логическим завершением конструкции является субъективная оценка качества звучания. Аппарат незамедлительно был доставлен к спецам. „Корифеи“, как и следовало ожидать вначале, раздолбали как дизайн так и конструктив (ну на то они и „корифеи“). То железа пожалел то вентилятор надо ставить не меньше как за 10$, ну понятно я к этому уже отношусь спокойно. Ну наконец усилитель заиграл. По отвлеченным дифирамбам о триодном звуке я понял, усилитель удался. Особенно впечатляет звучание без ООС, поражает динамика звука. С ООС звук более ровный, но создается впечатление некоторой зажатости (по ламповым меркам).
Повторяясь скажу, большое значение имеет качество фонограммы. Особое наслаждение доставляет прослушивание оригинальных CD с глубоким динамическим диапазоном – джаз, рок. Как не банально звучание «Abbey Road» Beatles навеяло столько ностальгически чувств описать трудно. К сожалению не удалось послушать на раритетной акустике (ушли к новому хозяину) открытого типа (аналог акустики „Симфония 2») без всяких фазоинверторов и мешков с ватой на динамики 6ГД2. По мнению спецов такой дуэт дал бы незабываемый звук.

В заключении вердикт: «SPRING» — усилитель достойный повторения.