Клапанный усилитель - Valve amplifier

А ламповый усилитель или же ламповый усилитель это тип электронный усилитель который использует вакуумные трубки увеличить амплитуда или сила сигнал. Ламповые усилители малой и средней мощности для частот ниже микроволны были в значительной степени заменены твердое состояние усилители в 1960-х и 1970-х годах. Клапанные усилители могут использоваться для таких приложений, как гитарные усилители, спутник транспондеры Такие как DirecTV и GPS, высококачественные стереоусилители, военные приложения (например, радар ) и очень высокая мощность радио и УВЧ телевидение передатчики.

История

Происхождение

До изобретения транзистор в 1947 году наиболее практичные высокочастотные электронные усилители были созданы с использованием термоэмиссионные клапаны.^[1] Самый простой клапан (названный диод потому что у него было два электроды ) был изобретен Джон Амброуз Флеминг работая на Компания Маркони в Лондоне в 1904 году. Диод проводил электричество только в одном направлении и использовался как радиоприемник и выпрямитель.

В 1906 г. Ли Де Форест добавил третий электрод и изобрел первое электронное усилительное устройство, триод, которую он назвал Audion. Этот дополнительный сетка управления модулирует ток, протекающий между катод и анод. Взаимосвязь между током и напряжением пластины и сети часто представляется в виде серии «характеристических кривых» на диаграмме. В зависимости от других компонентов в цепи этот модулированный ток может использоваться для обеспечения тока или усиление напряжения.

Первое применение клапанного усиления было в регенерации на больших расстояниях. телефония сигналы. Позже к "беспроводной рынок, начавшийся в начале тридцатых годов. Со временем усилители для музыки и позже телевидение также были построены с использованием клапанов.

Принципиальная схема несимметричный триод

Чрезвычайно доминирующей топологией схем в этот период была несимметричный триод каскад усиления, работающий в классе А, дававший очень хороший звук (и разумно измеренный искажение производительность), несмотря на чрезвычайно простую схему с очень небольшим количеством компонентов: это важно в то время, когда компоненты изготавливались вручную и были чрезвычайно дороги. Перед Вторая Мировая Война почти все ламповые усилители имели низкий коэффициент усиления и линейность, полностью зависящую от внутренней линейности самого клапана, как правило, 5% искажений при полной мощности.

Негативный отзыв (NFB) был изобретен Гарольд Стивен Блэк в 1927 году, но поначалу мало использовался, так как в то время прирост был в цене. Этот метод позволяет усилителям обменивать усиление на снижение уровней искажений (а также дает другие преимущества, такие как снижение выходного импеданса). Введение Усилитель Williamson В 1947 году, который был чрезвычайно продвинутым во многих отношениях, включая очень успешное использование NFB, стал поворотным моментом в конструкции усилителя мощности звука, использовав двухтактную выходную схему класса AB1, чтобы обеспечить производительность, превосходящую своих современников.

Послевоенное развитие

Вторая Мировая Война стимулировал резкий технический прогресс и экономию промышленного масштаба. Рост благосостояния после войны привел к значительному и расширяющемуся потребительскому рынку. Это позволило производителям электроники создавать и продавать более совершенные конструкции клапанов (трубок) по доступным ценам, в результате чего в 1960-х годах наблюдалось растущее распространение электронных граммофонных плееров и, в конечном итоге, зарождение высокая точность. Привет смог управлять громкоговорителями полного частотного диапазона (впервые, часто с несколькими драйверами для разных диапазонов частот) до значительных уровней громкости. Это, в сочетании с распространением телевидения, привело к «золотому веку» в развитии ламповых (ламповых) устройств, а также в разработке схем ламповых усилителей.

Ряд топологий с небольшими вариациями (заметно отличающиеся фазоделитель аранжировки и "Ультра-линейный «Трансформаторное соединение для тетродов» быстро получило широкое распространение. Это семейство конструкций до сих пор остается доминирующей топологией усилителей высокой мощности для музыкальных приложений. В этот период также наблюдался непрерывный рост гражданского радио, с клапанами, используемыми как для передатчиков, так и для приемников.

Отклонить

С 1970-х годов кремний транзистор стали все более распространенными. Производство клапанов резко сократилось, за исключением электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и сокращенный ассортимент ламп для усилителей. Популярные лампы малой мощности были двойные триоды (ECCnn, серия 12Ax7) плюс пентод EF86, а силовые клапаны в основном были лучевыми тетродами и пентодами (EL84, EL34, KT88 / 6550, 6L6), в обоих случаях с косвенным нагревом. Этот сокращенный набор типов остается основой производства клапанов сегодня.

В Советы удерживает клапаны в гораздо большей степени, чем Запад вовремя Холодная война, для большинства их коммуникационных и военных требований к усилению, отчасти из-за способности клапанов выдерживать мгновенные перегрузки (особенно из-за ядерного взрыва ), что разрушило бы транзистор.^[2]

Резкое уменьшение размеров, энергопотребление, снижение искажение уровни и прежде всего стоимость электроники на основе транзисторов сделали клапаны устаревший для основных продуктов с 1970-х годов. Клапаны оставались в некоторых приложениях, таких как ВЧ передатчики высокой мощности и микроволновая печь, и оборудование для усиления звука, особенно для электрогитары, студий звукозаписи и домашних стереосистем высокого класса.

Использование аудио

Несимметричный гитарный усилитель класса «А» с установленным дополнительным вентильным выпрямителем GZ34.

В звуковых приложениях клапаны по-прежнему востребованы большинством профессиональных пользователей, особенно в оборудовании звукозаписывающих студий и гитарных усилителях. Есть подгруппа энтузиастов аудио, которые выступают за использование ламповых усилителей для домашнего прослушивания. Они утверждают, что ламповые усилители производят более «теплый» или более «естественный» звук. звук клапана. Компании в Азии и Восточной Европе продолжают производить клапаны для удовлетворения потребностей этого рынка.

Многие профессиональные гитаристы используют «ламповые усилители» из-за их известного «тона». «Тон» в этом использовании относится к тембру или цвету высоты тона и может быть очень субъективным качеством для количественной оценки. Большинство звукооператоров и ученых предполагают, что «равномерное гармоническое искажение», создаваемое ламповыми лампами, звучит более приятно для уха, чем транзисторы, независимо от стиля. Именно тональные характеристики ламповых ламп сделали их промышленным стандартом для гитар и предусилителя студийных микрофонов.

Ламповые усилители реагируют иначе, чем транзисторные усилители, когда уровни сигнала приближаются и достигают точки вырезка. В ламповом усилителе переход от линейного усиления к ограничению менее резкий, чем в твердотельном устройстве, что приводит к меньшему искажению в виде решетки в начале ограничения. По этой причине некоторые гитаристы предпочитают звук полностью лампового усилителя; Однако эстетические свойства ламповых усилителей по сравнению с твердотельными являются предметом дискуссий в сообществе гитаристов.^[3]

Характеристики

Силовые клапаны обычно работают при более высоких напряжениях и меньших токах, чем транзисторы, хотя рабочие напряжения полупроводников неуклонно повышаются с использованием современных технологий устройств. Используемые сегодня мощные радиопередатчики работают в киловольтном диапазоне, где до сих пор нет другой сопоставимой технологии. ([мощность = напряжение * сила тока], поэтому для высокой мощности требуется высокое напряжение, высокая сила тока или и то, и другое)

Многие силовые клапаны обладают хорошей линейностью, но скромным усилением или крутизна. Усилители сигналов, использующие лампы, способны работать в очень высоких диапазонах частот - до радиочастота во многих усилителях звука с несимметричным триодом (DH-SET) с прямым нагревом используются радиопередающие лампы, предназначенные для работы в мегагерцовом диапазоне. На практике, однако, конструкции ламповых усилителей обычно «соединяют» каскады либо емкостным образом, ограничивая полосу пропускания на нижнем конце, либо индуктивно с трансформаторами, ограничивая полосу пропускания на обоих концах.

Преимущества

По своей сути подходит для цепей высокого напряжения.
Может быть сконструирован в масштабе, способном рассеивать большое количество тепла (некоторые экстремальные устройства даже охлаждаются водой). По этой причине клапаны оставались единственной жизнеспособной технологией для приложений с очень большой мощностью, таких как радио- и телевизионные передатчики, в течение долгого времени, когда транзисторы вытеснили клапаны в большинстве других приложений.
Электрически очень надежные, они могут выдерживать перегрузки в течение нескольких минут, которые могут разрушить биполярный транзистор системы в миллисекунды
Выдерживают очень высокие переходные пиковые напряжения без повреждений, что позволяет использовать их в определенных военных и промышленных приложениях.
Обычно работают при прилагаемом напряжении, значительно ниже максимально допустимого, что обеспечивает долгий срок службы и надежность.
Более мягкое клиппирование при перегрузке схемы, что, по субъективным оценкам многих аудиофилов и музыкантов, дает более приятный и более удовлетворяющий музыку звук.

Недостатки

Плохая линейность, особенно со скромными факторами обратной связи.^[4]
Трубки требуют катодный нагреватель. Мощность нагревателя представляет собой значительные потери тепла и потребление энергии.
Лампы требуют более высокого напряжения для анодов по сравнению с твердотельными усилителями аналогичной мощности.
Трубки значительно больше, чем эквивалентные твердотельные устройства
Высокий импеданс и низкий выходной ток не подходят для прямого привода многих реальных нагрузок, особенно различных форм электродвигатели.
Клапаны имеют более короткий срок службы, чем твердотельные детали, из-за различных механизмов отказа (таких как нагревание, отравление катода, поломка или внутреннее короткое замыкание).
Лампы доступны только с одной полярностью, тогда как транзисторы доступны с дополнительными полярностями (например, NPN / PNP), что делает возможным множество схемных конфигураций, которые невозможно реализовать напрямую.
Цепи клапана должны избегать появления шума от источников переменного тока нагревателя.
Микрофоника - клапаны иногда могут быть чувствительны к звуку или вибрации, непреднамеренно действуя как микрофон.

Операция

Все схемы усилителя классифицируются по «классу работы» как A, B, AB и C и т. Д. См. классы усилителя 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 клапана, как это обычно делается в конструкции транзисторов.
Ступени клапана соединены с компонентами, рассчитанными на выдерживание нескольких сотен вольт, обычно с конденсатором, иногда с трансформатором связи. Фазовые сдвиги, вызываемые цепями связи, могут стать проблематичными в цепях с обратной связью.
Клапанного аналога комплементарных устройств, широко используемых в выходных каскадах типа «тотемный полюс» кремниевых схем, нет. Поэтому топологии двухтактных клапанов требуют фазоделитель.
Очень высокая производительность сопротивление вентилей (по сравнению с транзисторами) обычно требуются согласующие трансформаторы для управления низкоомными нагрузками, такими как громкоговорители или режущие головки токарных станков. Трансформатор используется в качестве нагрузки вместо резистора, обычно используемого в малосигнальных каскадах и каскадах драйвера. Отраженный импеданс первичной обмотки трансформатора на используемых частотах намного выше, чем сопротивление обмоток постоянному току, часто в киломах. 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 транзисторам с прямой связью. Тем не менее, как в ламповых, так и в полупроводниковых усилителях требуются согласующие выходные трансформаторы для систем громкоговорящей связи, где для подключения нескольких удаленных громкоговорителей используются линии высокого сопротивления / высокого напряжения с низкими потерями.
Линейность разомкнутого контура вентилей, особенно триодов, позволяет использовать небольшую отрицательную обратную связь в схемах или вообще не использовать ее, сохраняя при этом приемлемые или даже отличные характеристики искажения (особенно для схем с малым сигналом).

Топологии

В линейных схемах слабого сигнала почти всегда используется триод в несимметричной топологии каскада усиления (в классе A), включая выходной каскад.
Широкополосные ламповые усилители обычно используют класс A1 или AB1.
Современные мощные выходные каскады обычно двухтактные, часто требующие некоторой формы фазоделителя для получения дифференциального / сбалансированного управляющего сигнала от несимметричного входа, за которым обычно следует дополнительный каскад усиления («драйвер») перед выходными лампами. Например, двухтактный усилитель с шунтирующим регулированием )
Существуют несимметричные силовые каскады с очень большими клапанами, которые доминируют в приложениях радиопередатчиков. Боковая панель представляет собой наблюдение, что нишевая топология "DH-SET", которую предпочитают некоторые аудиофилы, чрезвычайно проста и обычно строится с использованием типов клапанов, изначально предназначенных 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

Высокое выходное сопротивление цепей с трубными пластинами плохо согласуется с нагрузками с низким импедансом, такими как громкоговорители или антенны. Согласующая сеть требуется для эффективной передачи энергии; это может быть трансформатор на звуковых частотах или различные настроенные сети на радиочастотах.

В катодный повторитель или же обычная тарелка В конфигурации выходной сигнал снимается с катодного сопротивления. Из-за отрицательной обратной связи (напряжение катод-земля компенсирует напряжение сеть-земля) коэффициент усиления по напряжению близок к единице, а выходное напряжение следует сетевое напряжение. Хотя катодный резистор может быть много кОм (в зависимости от требований смещения), выходное сопротивление слабого сигнала очень низкое (см. операционный усилитель ).

Приложения

Звуковая частота (AF) и широкополосные усилители

Клапаны по-прежнему широко используются в гитаре и высококачественный звук усилители из-за воспринимаемого качества звука, которое они производят. В других местах они в значительной степени устарели из-за более высокого энергопотребления, искажений, стоимости, надежности и веса по сравнению с транзисторами.

Телефония

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

Преимущество этого состоит в том, что усилитель-повторитель с одним вентилем может одновременно усилить множество вызовов, что очень экономично. Проблема в том, что усилители должны быть предельно линейными, иначе "интермодуляция искажение »(IMD) приведет к« перекрестным помехам »между мультиплексированными каналами. Это стимулировало развитие акцента на низкий уровень искажений, намного превышающий номинальные потребности одиночного голосового канала.

Аудио

Сегодня основное применение ламп - это усилители звука для высококачественного Hi-Fi и музыкального исполнения с электрогитары, электрические басы, и Органы Хаммонда, хотя эти приложения имеют разные требования в отношении искажений, что приводит к различным компромиссам при проектировании, хотя одни и те же базовые методы проектирования являются общими и широко применимы ко всем приложениям широкополосного усиления, а не только к аудио.

После Второй мировой войны большинство ламповых усилителей мощности имеют сверхлинейную топологию класса AB-1 с двухтактным соединением или более дешевые однополюсные лампы, например силовые лампы 6BQ5 / EL84, но все еще используются нишевые продукты, использующие топологии DH-SET и даже OTL. существуют в небольшом количестве.

Конструкция предварительного усилителя, использующая все силовые лампы вместо небольших сигнальных ламп.

Предусилитель 300B / полупроводниковый выход, гибридный усилитель 70 Вт среднеквадр.

Инструментальные усилители

Основная подвижная катушка вольтметр и амперметр сам принимает небольшой ток и, таким образом, нагружает цепь, к которой он подключен. Это может значительно изменить рабочие условия в измеряемой цепи. Вольтметр с вакуумной трубкой (VTVM) использует высокое входное сопротивление клапана для буферизации цепи, измеряемой от нагрузки амперметра.

Клапан осциллографы разделяют этот очень высокий входной импеданс и поэтому могут использоваться для измерения напряжений даже в цепях с очень высоким импедансом. Обычно может быть 3 или 4 ступени усиления на канал отображения. В более поздних осциллографах тип усилителя, использующий серию трубок, соединенных на равных расстояниях вдоль линии передачи, известный как распределенный усилитель использовался для усиления очень высокочастотных вертикальных сигналов перед нанесением на дисплейную трубку. Осциллографы с клапанами устарели.

В последние годы эры клапанов клапаны даже использовались для производства "операционные усилители "- строительные блоки большей части современной линейной электроники. Операционный усилитель обычно имеет дифференциальный входной каскад и выход на тотемный полюс, причем схема обычно имеет как минимум пять активных устройств. Было произведено несколько" корпусов ", которые объединяли 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 типы.

Узкополосные и радиочастотные усилители

Исторически до Второй мировой войны «передающие лампы» были одними из самых мощных доступных ламп. Обычно это были катоды с торированной нитью накаливания, которые светились, как лампочки. Некоторые лампы можно было приводить в движение настолько сильно, что сам анод светился вишнево-красным; 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 (с прямым нагревом) 813, также использовались в большом количестве в (особенно военных) радиопередатчиках.

ВЧ-схемы существенно отличаются от схем широкополосного усилителя. Каскад антенны или следящей цепи 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 называемая «настроенная цепь». ".

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

Сегодня радиопередатчики в основном основаны на кремнии, даже на микроволновых частотах. Тем не менее, все меньше и меньше мощных усилителей радиочастоты по-прежнему имеют клапанную конструкцию.

Примечания

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

Смотрите также

внешняя ссылка

Часто задаваемые вопросы о вакуумных трубках - FAQ Генри Пастернака от rec.audio
Аудио схема - Практически полный список производителей, комплектов для самостоятельной сборки, материалов и деталей, а также разделы «Как они работают» по ламповым усилителям.
Калькулятор преобразования - коэффициент искажения к затуханию искажений и THD
AX84.com - Несмотря на ориентацию на ламповые гитарные усилители, бесплатные схемы и теоретический документ AX84 хорошо подходят для любого лампового / клапанного проекта.
Архив данных трубок - Обширный сборник (7 ГБ +) листов 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 усилить сигнал. Магнитные усилители были ограничены ниже примерно 200 кГц. Гидравлические усилители не использовались напрямую в качестве электронных устройств.

[2] Видеть Ядерный электромагнитный импульс.

[3] Лампы против транзисторов - есть ли разница?

[4] Руководство по проектированию усилителя мощности звука

[1]

[2]

[3]

[4]