01. Dlaczego wzmacniacze lampowe?

1. Dlaczego wzmacniacze lampowe?

   To opracowanie dotyczy wzmacniaczy lampowych przeznaczonych do odtwarzania dźwięku wysokiej jakości. Dlaczego wzmacniacze lampowe są nadal stosowane? Co takiego specjalnego jest z nimi związane - czy wzmacniacze tranzystorowe nie są aż tak dobre? To główne pytania niniejszego wprowadzającego rozdziału. Zostanie w nim krótko omówiona zasada działania lamp elektronowych - ich charakterystyki itp. - oraz omówione podstawowe konfiguracje wzmacniaczy lampowych. Z przyczyn omówionych w kolejnych rozdziałach we wzmacniaczach lampowych stosuje się transformatory głośnikowe (wyjściowe). Istnieje wiele typów transformatorów głośnikowych; w niniejszym opracowaniu konsekwentnie stosowane są transformatory toroidalne. Dlaczego? Z powodów które wyjaśnione są dalej. Rozdział kończy wybrany zestaw pozycji bibliograficznych dotyczących lamp i wzmacniaczy.

1.1 Co takiego specjalnego wiąże się ze wzmacniaczami lampowymi?

   Pierwsza lampa radiowa, zwana audionem, zdolna do wzmacniania została wynaleziona w 1906 roku przez Lee de Foresta. Była ona podstawą opracowania triody przez Idzerda kilka lat później. Pierwsze lampy radiowe składały się z opróżnionej z powietrza szklanej bańki zawierającej trzy elementy: rozżarzonej metalowego drucika (katody), metalowej siatki i metalowej płytki do przechwytywania elektronów (anody). Te trzy elementy wyjaśniają nazwę "trioda". W jakiś sposób to "ustrojstwo" było w stanie wzmacniać zmienne prądy, bezcenna właściwość w pionierskich latach szybkiej komunikacji długodystansowej - pomyślcie na przykład o słynnych eksperymentach Marconiego. Do tej pory fale radiowe były wytwarzane przez generatory wysokich częstotliwości - ogromne potwory przypominające generatory mocy - i odbierane za pomocą długich anten przewodowych. Ponieważ sygnały był niezmiernie słabe, dodatkowe wzmocnienie w punktach odbioru było wybawieniem. Podczas pierwszej wojny światowej lampa radiowa szybko stała się profesjonalnym i niezawodnym elementem wzmacniającym i nadal była stale ulepszana, aż do lat 70-tych ubiegłego wieku. W tym właśnie czasie produkowane były na skalę przemysłową z zachowaniem ścisłej kontroli jakości najbardziej wyrafinowane lampy, które znajdowały zastosowanie praktycznie wszędzie.

   Lata 70-te ubiegłego wieku był przełomowe w przemyśle elektronicznym. Wynaleziony dwadzieścia lat wcześniej tranzystor zaczął przenikać wszystkie obszary projektowania. Ten mały kawałek materiału półprzewodnikowego był w stanie wzmacniać znacznie efektywniej od lampy radiowej.Rynek zalany został tanimi i nie grzejącymi się wzmacniaczami tranzystorowymi i w efekcie lampy radiowe odeszły w zapomnienie. Były płacze nad "okropnym brzmieniem wzmacniaczy tranzystorowych", ale naciski rynku były wystarczające aby je ściszyć do ledwie słyszalnych pomruków. Wzmacniacze lampowe przestały być modne i to by było na tyle.

   Można by pomyśleć, że śmierć wzmacniaczy lampowych była wyjątkowym i niepowtarzalnym kaprysem historii. Tak jednak nie było. W latach 90-tych mieliśmy podobny przypadek. Tym razem ofiarą były płyty winylowe. Po stu latach od ich wynalezienia okrzepły i stały się nośnikiem niezwykle wysokiej jakości. Po debiucie płyt CD w 1983 roku płyty gramofonowe stały się przeżytkiem. Było trochę jazgotliwych ekscentryków, którzy pozostali wierni winylom twierdząc, że zapis na płytach gramofonowych jest dużo lepszym nośnikiem, ale zostali zakrzyczani przez ryk chóru marketingowców od płyt CD.

   Nie można zaprzeczyć, że inżynieria dźwiękowa traktowana jako całość została wzbogacona przez nowe impulsy wywodzące się z technologii tranzystorowych i cyfrowych, które pozwalają na uzyskiwanie zdumiewająco dobrych wyników. Jednakże pomruki tła pochodzące od tych wszystkich, którzy stale byli oporni na rozwój nowych technologii i odmawiali zmiany swych opinii zaczęły być w końcu słyszane. Wiele osób zaczęło wyciągać zakurzone stare wzmacniacze lampowe z piwnic i poddaszy, czyścić je, wstawiać nowe zestawy lamp - nadal dostępnych! - wymieniać kondensatory i poskręcane przewody, wtyczki, kable iip. Gdy te stare urządzenia były włączane wiele osób nagle ze zdumieniem zdawało sobie sprawę, że stary sprzęt lampowy grał dużo lepiej od ich ultranowoczesnych wzmacniaczy tranzystorowych. Dźwięk był znacznie przyjemniejszy w odbiorze, ciepły, łagodny i bardziej naturalny w odsłuchu. Pozwalał na swobodne cieszenie się muzyką, w odróżnieniu od zimnych tonów tranzystorów. Wspomniane odczucia dotyczyły wielu osób i był one na tyle przekonujące, że zaczęły one rozważać lampy jako istotną alternatywę. Co ważniejsze zaczęła ona również docierać do producentów. Obecnie poważne czasopisma zajmujące się zagadnieniami Hi-Fi regularnie publikują artykuły o wzmacniaczach lampowych wysokiej jakości. Nie są one tak tanie jak niegdyś. Ich ceny wzrosły o rząd wielkości od dawnego poziomu i nadal rosną. Obecnie wzmacniacze lampowe są urządzeniami wyjątkowo cennymi.

   Bardzo podobna sytuacja w latach 90-tych miała miejsce w przypadku konfrontacji płyt winylowych (LP) z płytami kompaktowymi (CD). Niespełna kilkanaście lat po wprowadzeniu do sprzedaży płyt CD entuzjaści muzyki zaczęli ponownie odkrywać uroki winyli. Dźwięk z płyt winylowych jest bardziej naturalny, cieplejszy i żywszy od super czystego, twardego dźwięku z płyt CD. I nie ma tutaj znaczenia co wykazują dane dotyczące stosunku sygnału do szumu, czy też jakie są poziomy zniekształceń - które są zdecydowanie gorsze w przypadku wzmacniaczy lampowych i płyt winylowych - wybór subiektywny przemawia zawsze na ich korzyść. To zjawisko narosło tak silnie w ostatnich latach, że nawet ogromna machina marketingowa stojąca za sprzedażą płyt CD nie jest w stanie go zatrzymać. Mniejsze szumy i zniekształcenia płyt CD przestały na nas oddziaływać.Doprowadziło to do ponownej oceny płyt CD i technik zapisu przy ich produkcji. Twierdzenie o wyższości technik cyfrowych nad analogowymi utraciło swą moc. Współcześni badacze mają poważny problem do rozwiązania - dlaczego dźwięk "analogowy" brzmi lepiej od "cyfrowego"? To pytanie nie jest tematem niniejszego opracowania ale należy mieć świadomość, że zagadnienie dotyczące tego co jest dla naszego ucha przyjemne jest bardzo istotne.

   Bazując na bardzo prostym przykładzie postaram się teraz wyjaśnić dlaczego wzmacniacze lampowe są tak bardzo "różne" od tranzystorowych. Zapomnijmy na chwilę o sporze pomiędzy dźwiękiem analogowym i cyfrowym i skoncentrujmy się wyłącznie na wzmacnianiu sygnałów analogowych. Największą różnicą pomiędzy lampami i tranzystorami jest ich zachowanie się w odniesieniu do zniekształceń.  Jeśli porównamy dane techniczne wzmacniaczy, to zniekształcenia wprowadzane przez wzmacniacze lampowe dla pełnej mocy wyjściowej są na poziomie kilku procent, podczas gdy w porównywalnych warunkach wzmacniacze tranzystorowe  wprowadzają zniekształcenia rzędu dziesiętnych a nawet setnych części procenta. Dane te potwierdzają marketingowe wnioski, że tranzystory są bardziej "czyste" niż lampy. Ale czy jest to prawdą? Pomijając nawet naszych sąsiadów, nie zawsze słuchamy muzyki na pełnych mocach i ogłuszających poziomach głośności. W rzeczywistości typowy program muzyczny ma niskie poziomy głośności ze sporadycznymi szczytami o dużej mocy. Średnie moce nie przekraczają zwykle kilku watów. Pozytywną cechą wzmacniaczy lampowych jest to, że zniekształcenia maleją wraz z maleniem poziomu głośności. W przypadku wzmacniaczy tranzystorowych mamy do czynienia ze zjawiskiem odwrotnym - w miarę redukcji mocy wyjściowej zniekształcenia rosną. To zjawisko nie jest odczuwalne tylko w przypadku bardzo dobrze zaprojektowanych wzmacniaczy półprzewodnikowych z naprawdę wysokiej półki. Ogólnie mówiąc wzmacniacze lampowe operują na małych sygnałach z najwyższą "starannością", podczas gdy wzmacniacze tranzystorowe w sposób szorstki i zgrubny. Pierwsza generacja wzmacniaczy tranzystorowych byłą szczególnie "uzdolniona" jeśli chodzi o generowanie znacznych zniekształceń dla małych poziomów sygnałów (głównie zniekształceń skrośnych). Dla wielu to właśnie był powód przyczepienia do wzmacniaczy łatki wzmacniaczy o twardym i zimnym brzmieniu. Co ciekawe wspomniane zachowanie się w odniesieniu do zniekształceń przypomina różnice pomiędzy winylami i płytami CD. Przykład ten ilustruje fakt, że wyniki pomiarów zniekształceń przy maksymalnej mocy wyjściowej mówią bardzo niewiele o przyjemności doznawanych wrażeń słuchowych w rzeczywistym pomieszczeniu odsłuchowym. Oczywiście takie pomiary są bardzo interesujące dla badaczy i projektantów. Odmienne zachowanie wzmacniaczy się pod kątem zniekształceń to tylko jedna z przykładowych różnic pomiędzy tranzystorami i lampami.

   Druga różnica dotyczy głębokości ujemnego sprzężenia zwrotnego stosowanego we wzmacniaczach lampowych i tranzystorowych. Wzmacniacz lampowy, w przypadku spełnienia pewnych warunków projektowych jest wewnętrznie przeźroczysty. Porównuje sygnały wejściowe i wyjściowe w sposób delikatny powstrzymując się przed przesadną korekcją. Ten barwny i poetycki opis to w istocie cecha sprzężenia zwrotnego. Z drugiej strony wzmacniacz tranzystorowy bez silnego sprzężenia zwrotnego nie jest w stanie nawet ustabilizować swój punkt pracy. Istnieją jeszcze inne różnice pomiędzy wzmacniaczami lampowymi i tranzystorowymi, ale już te dwa opisane powinny być wystarczające.

   Oczywiście różne charakterystyki prowadzą do różnic w odtwarzaniu dźwięku. Najważniejsza jest subiektywna ocena, i ta pokazuje, że większym uznaniem pod tym względem cieszą się wzmacniacze lampowe a nie ich tranzystorowe odpowiedniki. Cały czas trwają badania i formułowane są różne teorie naukowe. Niezależnie od nich faktem jest, że wzmacniacze lampowe są bardzo wysoko oceniane przez entuzjastów muzyki. To właśnie te "zagadkowe" wzmacniacze lampowe są tematem opracowania. Bazując na badaniach historycznych i wiedzy inżynieryjnej buduje ona most do dostępnej obecnie nowoczesnej technologii. Gdy stare i nowe czynniki zostaną połączone w sposób harmonijny wzmacniacze lampowe mogą poszybować na wcześniej nieosiągalne poziomy. Niniejsze opracowanie jest wielokierunkową analizą nowej-starej technologii - wzmacniaczy lampowych przeznaczonych do odtwarzania dźwięku wysokiej jakości.

1.2 Jak działają lampy elektronowe?

   Na Rys.1.1 pokazana jest w sposób obrazowy lampa wzmacniająca.

 
Rys.1.1 Lampa elektronowa - trioda próżniowa

W środku opróżnionej z powietrza szklanej bańki znajduje się katoda, mała metalowa tulejka mieszcząca w swoim wnętrzu element podgrzewający, czyli tzw. włókno żarzenia zwane często w skrócie żarzeniem. Nie wszystkie lampy są zbudowane w taki sposób, niektóre posiadają wyłącznie włókno żarzenia bez otaczającej je tulejki. Katoda jest zwykle pokrywana różnymi metalami, które zapewniają odpowiednią liczbę elektronów opuszczającą jej powierzchnię po jej podgrzaniu. Ta właściwość powinna być stabilna w dłuższym okresie czasu. Jednym z nieodłącznych problemów związanych z lampami elektronowymi  jest "zatrucie katody", które jest wynikiem tworzenia się związków chemicznych na powierzchni katody wskutek oddziaływania na katodę gazów śladowych znajdujących się wewnątrz bańki lampy. To zjawisko w poważny sposób redukuje zdolności emisyjne katody. Katodami odpornymi na szkodliwe oddziaływanie gazów śladowych są katody wykonane z czystego wolframu. To dlatego wolfram jest stosowany w lampach elektronowych dużej mocy. Jest on również stosowany w połączeniu z torem (katody wolframowe torowane), który polepsza emisję elektronów z katody, ale jest niestety nieodporny na wspomniane zjawisko zatruwania katody. Drugim, często stosowanym dodatkiem do wolframu jest bar. Ma on jednak podobną wadę co tor. Zwykle stosowaną obecnie metodą jest zastosowanie w katodzie cienkiej warstewki baru lub tlenku wapnia o grubości 10-100 mikronów. Jest rzeczą konieczną aby tego typu katoda pracowała we właściwej temperaturze. W przypadku, gdy napięcie żarzenia jest zbyt niskie wzrasta szybkość postępowania zjawiska zatruwania katody, gdy napięcie to jest za wysokie zmniejsza się czas "życia" lampy elektronowej. Bardzo ważnym jest więc stosowanie się do wartości napięcia żarzenia rekomendowanej przez producenta. Wszystkie lampy opisywane w niniejszym opracowaniu wymagają napięcia żarzenia równego 6.3Vrms, które z podanych wcześniej powodów powinno być ściśle przestrzegane.

   Podgrzanie katody powoduje emisję elektronów. Z powodu emisji  i tym samym utraty elektronów, które mają ładunki ujemne katoda uzyskuje niewielki ładunek dodatni. Ponieważ ten dodatni ładunek oddziałuje na elektrony przyciągająco ustala się pewien stan równowagi, w którym tyle samo elektronów jest emitowanych z katody co do niej powraca. Tworzy się ładunek przestrzenny -  "chmura elektronowa", która otacza katodę i pozostaje stabilna do momentu aż równowaga nie zostanie zakłócona przez zewnętrzne siły.

   W niewielkiej odległości od katody znajduje się metalowa siatka - elektroda, do której można podłączyć określone napięcie. Jeżeli na siatkę podamy potencjał ujemny w stosunku do katody, chmura elektronów będzie odpychana z powrotem w kierunku katody. Im mniejsze będzie napięcie ujemne tym chmura będzie się powiększała i odwrotnie - im większy minus tym chmura mniejsza. Jeśli potencjał siatki stanie się dodatni w stosunku do katody, elektrony będą przyspieszane w kierunki siatki i przez nią przechwytywane. W efekcie zacznie płynąć tzw. prąd siatki. Żaden ze wzmacniaczy lampowych opisanych w niniejszym opracowaniu nie wykorzystuje dodatniego potencjału siatki, tak więc potencjalne zjawiska związane z prądem siatki mogą być pominięte.

   Oprócz katody i siatki w lampie wzmacniającej jest jeszcze dodatkowa metalowa płytka. Ta płytka - anoda - nie jest podgrzewana i dlatego nie emituje swobodnych elektronów. Do anody podłącza się napięcie dodatnie w stosunku do katody, które wytwarza siłę przyciągającą swobodne elektrony tworzące chmurę elektronową w pobliżu katody. Im wyższe jest napięcie przyłożone do anody tym siła ta jest większa. Na drodze elektronów znajduje się jednak siatka, która jest znacznie bliżej chmury elektronów i katody niż anoda. To właśnie dlatego niewielkie ujemne napięcie siatki jest w stanie łatwo skompensować przyciągające oddziaływanie anody. Oczywiście, gdy siła odpychająca pochodząca od siatki maleje, czyli gdy napięcie na siatce staje się mniej ujemne, przyciąganie elektronów przez dodatnią anodę przezwycięża odpychanie siatki.

  Jest to w istocie najważniejsza charakterystyczna cecha lampy wzmacniającej. Przez zmianę napięcia na siatce na bardziej lub mniej ujemne możemy sterować przepływem swobodnych elektronów do anody. Na Rys.1.2 pokazane jest schematycznie to zjawisko.


Rys.1.2 Wpływ potencjału siatki na przepływ elektronów pomiędzy katodą i anodą

 Jak takie sterowanie działa można wyjaśnić odnosząc się bezpośrednio do tzw. charakterystyk lampy wzmacniającej. Na Rys.1.3 pokazany jest prosty układ, który może być wykorzystany do pomiaru takich charakterystyk.


Rys.1.3 Układ do pomiaru charakterystyk lampy elektronowej (triody)

Pomiędzy siatkę i katodę  podłączone jest napięcie o zmiennej wartości, które polaryzuje siatkę ujemnie w stosunku do katody. Napięcie to (Vgk) jest mierzone za pomocą woltomierza. Drugie regulowane napięcie (Vak) jest podłączane pomiędzy anodą i katodą w taki sposób, że anoda jest dodatnia względem katody. Również to napięcie jest mierzone za pomocą woltomierza. Przepływ elektronów emitowanych przez katodę i docierających do anody (Ia) jest mierzony za pomocą amperomierza.

   Pomiar charakterystyk lampy elektronowej przebiega następująco: wartość napięcia na siatce jest ustalana wstępnie na 0V, natomiast wartość napięcia pomiędzy katodą i anodą jest stopniowo powoli zwiększana. Dla kolejnych wartości napięcia Vak mierzona jest wartość prądu Ia. Zmierzone wartości prezentowane są w formie wykresu - jest to krzywa przedstawiona z lewej strony na Rys.1.4.


Rys.1.4 Przykładowy zestaw charakterystyk (rodzina charakterystyk) dla lampy ECC88

Następnie  napięcie na siatce jest redukowane do wartości -1V i pomiary są powtarzane - ponownie napięcie pomiędzy katodą i anodą jest zwiększane począwszy od 0V i mierzone są wartości prądu Ia dla kolejnych wartości Vak. W ten sposób otrzymujemy drugą licząc od lewej krzywą pokazaną na Rys.1.4. Warto zwrócić uwagę, że każda krzywa jest oznaczona odpowiednią wartością napięcia na siatce (Vgk). Jeżeli wykonamy te same pomiary dla wielu różnych wartości napięcia Vgk i przedstawimy wyniki pomiarów w formie krzywych otrzymamy rodzinę charakterystyk lampy elektronowej w całej okazałości.

   Charakterystyki lampowe (Rys.1.4) są dla projektanta podstawowym narzędziem pracy - w całym tego słowa znaczeniu. Za pomocą tych charakterystyk można dokładnie określić jakie wzmocnienie zapewni lampa elektronowa i jakie są najlepsze punkty pracy zapewniające  najmniejsze zniekształcenia i największe napięcia zmienne na wyjściu. Wszystkie te szczegóły są przedstawione w dalszej części opracowania, obecnie ważne jest aby zrozumieć co lampy są w stanie robić.

   Znacznie łatwiej jest wyjaśnić jak lampy wzmacniają sygnał korzystając z konkretnego układu niż z charakterystyk lampy. Na rys.1.5 pokazany jest elementarny stopień wzmacniający składający się z triody, zasilacza wysokiego napięcia i rezystora anodowego Ra. Zasilacz dostarcza napięcia 200V, zaś rezystor anodowy ma wartość 100KΩ.


Rys.1.5 Jak wzmacnia trioda

 Na Rys.1.5 przedstawione są trzy sytuacje, w których napięcie na siatce ma wartość -3V, -2V i -1V. Tym wartościom napięć odpowiadają prądy anodowe odpowiednio 0,25mA, 0,5mA i 0,75mA. Ponieważ prąd anodowy przepływa przez rezystor anodowy Ra, napięcia na anodzie będą wynosić odpowiednio: (200-0,25x100)=175V, (200-0.5x100)=150V i (200-0,75x100)=125V.

   Jak widać w wyniku zmiany napięcia na siatce od -3V do -1V (różnica wartości wynosi 2V) napięcie na anodzie zmienia się od 175V do 125V (różnica wartości jest równa 50V). Stąd zmiana 2VAC na siatce przenosi się na zmianę 50VAC na anodzie. Jak widać układ ten naprawdę wzmacnia; współczynnik wzmocnienia ma wartość 50/2=25. I to jest istota zjawiska wzmacniania przez lampę; małe zmienne napięcia są zamieniane na duże napięcia zmienne. Wzmacniacz audio działa dokładnie na tej samej zasadzie. Niewielkie napięcia generowane przez wkładkę gramofonową lub odtwarzacz CD są wzmacniane do poziomów zdolnych do wprawiania w drgania membrany głośnikowej, która z kolei wytwarza słyszalne drgania ośrodka propagacji zwane dźwiękiem. Ponieważ siatka jest bardzo blisko katody, jej napięcie może być wykorzystane do sterowania strumieniem elektronów płynącym przez lampę; zmiany tego strumienia - czyli zmiany prądu anodowego powodują wzmocnienie.

   Czy to już wszystko, co musimy wiedzieć o wzmacniaczach lampowych aby rozpocząć projektowanie własnych wzmacniaczy? Nie! Musimy wiedzieć więcej. Możemy to osiągnąć korzystając z książek wymienionych na końcu rozdziału. Odnośnik [1] jest przeznaczony dla osób z dobrą znajomością matematyki. Jest to wyczerpująca książka zawierająca bardzo wiele  użytecznych informacji i została napisana przez weterana lampowych technologii. Menno van der Veen miał przyjemność jakiś czas temu być uczestnikiem klasy, w której nauczał Autor wspomnianej książki. Pozycje bibliograficzne [2-4] to seria książek  opartych na wiedzy bardziej ogólnej i zawierających przykłady DIY, które umożliwiają budowanie własnych wzmacniaczy poprzez sukcesywne nabieranie doświadczenia w tym zakresie. Przedstawione metody są podobne do niniejszego opracowania - nauczanie za pomocą przykładów stanowiących zamknięte konstrukcje, które można skopiować w całości. Pozycja [5] zawiera wiele informacji związanych z historią rozwoju technologii lamp elektronowych. Niestety jest ona dostępna tylko w języku francuskim. Jest jednak szansa, że pojawi się angielskie tłumaczenie. Pozycja [6] jest podręcznikiem uniwersyteckim, dosyć trudnym choć wyczerpującym jeśli chodzi o zawartość. Pozycje [7], [8] i [9] zawierają informacje natury ogólnej. Pozycja [8] zawiera dodatkowo nieco informacji natury teoretycznej.

1.3 Jakie mamy typy lamp elektronowych?

   Nie potrzebujemy dużych lamp do wzmacniania małych prądów i napięć. To wynika z faktu, że elektrody takich lamp są po prostu małe, jeśli chodzi o gabaryty. W miarę wzrostu wartości prądu, strumień elektronów staje się na tyle znaczący, że zarówno katoda jak i anoda muszą mieć odpowiednio duże powierzchnie. Katoda musi być duża aby emitować niezbędną liczbę elektronów.  Ponieważ elektrony są przyspieszane przez dodatni potencjał anody, uderzają w jej powierzchnię z dużą prędkością i powodują jej nagrzewanie się. To jest niekorzystne zjawisko, które nie jest dozwolone ponieważ anoda staje się tak gorąca, że sama wysyła elektrony, które poruszają się w kierunku przeciwnym do strumienia elektronów. Dlatego anoda musi być wystarczająco duża aby wypromieniowywać ciepło i pozostać dostatecznie chłodną. To zrozumiałe, że lampy mocy są wystarczająco duże aby pomieścić elektrody o sporych rozmiarach: obudowa typowej lampy przedwzmacniacza ma średnicę około 1,5 do 3 cm, podczas gdy rozmiary lamp mocy mogą mieć 4 na 12 cm lub nawet większe.

   Podczas projektowania lamp mocy stało się jasne, że do sterowania przepływem elektronów potrzebna jest więcej niż jedna siatka. Na chmurę elektronów w otoczeniu katody oddziałuje wysokie napięcie anodowe i ten efekt wpływa niekorzystnie na wzmocnienie. Aby temu przeciwdziałać wprowadzono drugą siatkę zwaną siatką ekranującą (G2). Jest ona umieszczona pomiędzy siatką pierwszą (G1) i anodą i zwykle zasilana stałym napięciem dodatnim. Chmura elektronów "widzi" teraz głównie stałe napięcie na siatce ekranującej i nie podlega oddziaływaniu zmian napięcia na anodzie. Ten typ lampy nazywany jest tertrodą. Jej konstrukcja jest schematycznie pokazana na Rys.1.6a.

 
Rys.1.7 Różne typy lamp elektronowych
(a) tetroda (b) tetroda strumieniowa (c) pentoda

   Mimo siatki ekranującej prędkość elektronów docierających do anody może być nadal na tyle duża aby powodować emisją wtórną, czyli wybijanie elektronów z materiału anody i w ten sposób wpływać niekorzystnie na wzmocnienie lampy. Problem ten rozwiązano na dwa sposoby. Pierwszy to tetroda strumieniowa umożliwiająca sterowanie przepływem strumienia elektronów w taki sposób aby docierały one do anody w ściśle określonych miejscach. Dodanie wzdłuż strumienia elektronów zestawu metalowych osłon pozwala na eliminację zjawiska emisji wtórnej. Ten typ konstrukcji jest zwykle spotykany w lampach produkcji amerykańskiej.

   Drugie rozwiązanie polega na dodaniu trzeciej siatki, tzw. siatki tłumiącej (G3), która jest bardzo rzadko nawinięta i znajduje się blisko anody. Potencjał tej siatki jest niski i zbliżony do potencjału katody. Elektrony opuszczające anodę są natychmiast zawracane przez siatkę tłumiącą i nie są w stanie zakłócić rozkładu pola elektrycznego w lampie. Taki tym lampy nazywany jest pentodą ponieważ lampa zawiera pięć elementów aktywnych. Jest ona często stosowana w opisach w niniejszym opracowaniu. W odróżnieniu od tetrod strumieniowych korzenie pentod powiązane są z producentami europejskimi.

   Oczywiście wszystkie trzy siatki wpływają na charakterystyki lampy. Przykładowo, charakterystyki triody są stromo nachylone podczas gdy charakterystyki tetrod i pentod są prawie poziome. Takie zachowanie wpływa bezpośrednio na "obraz dźwiękowy" wzmacniacza lampowego. Triody wytwarzają mniej zniekształceń i mają większy współczynnik tłumienia. Tetrody i pentody pozwalają na uzyskiwanie większych mocy wyjściowych - zwykle dwa razy większej od porównywalnej triody - kosztem większych zniekształceń i mniejszego współczynnika tłumienia przejawiającego się w dźwięku bardziej zaokrąglonym dźwiękiem z gorzej definiowanym basem. Wady i zalety wzmacniacza triodowego w stosunku do wzmacniacza pentodowego stanowią temat gorących dyskusji. Zważywszy na różne charakterystyki triod i pentod jest całkowicie zrozumiałe, że wzmacniacze brzmią inaczej. dodatkowym czynnikiem są preferencje słuchaczy. I mama uwaga: jakość reprodukcji dźwięku przez wzmacniacz - pod względem "tonu" i "przestrzeni" można często wydedukować analizując jego konfigurację ( i nie chodzi tutaj o dane dotyczące zniekształceń itp.). Nie ma w tym żadnych czarów. Zachowanie się wzmacniacza można wyjaśnić z przewidywalnymi skutkami.

1.4 Dlaczego potrzebujemy transformatora głośnikowego?

    Lampy mocy są zwykle podłączone do transformatora głośnikowego (zwanego również transformatorem wyjściowym). Jest to element przetwarzający niebezpiecznie wysokie napięcie po jego stronie pierwotnej na bezpieczne niskie napięcie po stronie wtórnej. Transformacji podlegają również małe prądy lamp (mierzone w miliamperach) na znaczne prądy wyjściowe (rzędu amperów), które są w stanie wysterować nowoczesne zestawy głośnikowe. Transformator głośnikowy jest podstawowym tematem opracowania i jest omawiany w kolejnych rozdziałach. Jest on bardzo trudnym elementem do zaprojektowania i musi posiadać określone właściwości, które wymagają bardzo starannej konstrukcji. Bardzo duża część prac badań prowadzonych w Ir. buro Vanderveen poświęcona jest optymalizacji transformatorów głośnikowych. Doprowadziły one do opracowania specjalnej konstrukcji transformatorów toroidalnych. W kolejnych rozdziałach omówiono szczegółowo dlaczego te toroidalne transformatory  tak dobrze nadają się  do wykorzystania jako transformatory głośnikowe. W tym momencie można  stwierdzić, że konstrukcja transformatorów toroidalnych gwarantuje dużą efektywność dla dużych mocy związaną z małymi stratami wewnętrznymi, małe rozproszenie pola magnetycznego i duży zakres częstotliwości pracy.

1.5 Jak skonstruowany jest wzmacniacz lampowy?

    Bazując na dotychczas przedstawionych informacjach możliwe jest opisanie w sposób ogólny jak działa wzmacniacz lampowy. Na Rys.1.7 przedstawiony jest nieco uproszczony schemat wzmacniacza zbalansowanego zwanego również wzmacniaczem przeciwsobnym lub wzmacniaczem Push-Pull.


Rys.1.7 Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza przeciwsobnego

Zawiera on cztery lampy elektronowe. Pierwsza B1a jest przedwzmacniaczem, stopniem który wzmacnia sygnał wejściowy do poziomu wystarczającego aby był przetwarzany przez pozostałe stopnie wzmacniacza. Stopień na drugiej lampie B1b ma dwa wyjścia. To wymaga pewnego wyjaśnienia:  lampy mocy pracujące w konfiguracji przeciwsobnej wymagają sterowania napięciami o przeciwnych fazach. Gdy napięcie na siatce pierwszej lampy rośnie, napięcie na siatce drugiej lampy musi maleć o taką samą wartość i vice versa.  Funkcją lampy B1b jest właśnie wytworzenie proporcjonalnych i odwróconych w fazie napięć sterujących. Taką lampę nazywany inwerterem fazy - jest temu poświęcony oddzielny rozdział opracowania. Wyjścia lampy B1b podłączone są do lamp sterujących B2a i B2b, które wzmacniają dostarczone sygnały zarówno napięciowo jak i prądowo i dostarczają tak wzmocnione sygnały do lamp mocy B3 i B4. Te z kolei dostarczają moc wyjściową do transformatora, który przetwarza wysokie napięcia i małe prądy na małe napięcia i duże prądy zdolne do sterowania zestawem głośnikowym. Na zamieszczonym schemacie nie przedstawiono zasilacza. Powinien on dostarczyć napięcia ustalające warunki pracy wzmacniacza. Zostały ona oznaczone jako V0, V2 i V3 i mają wartość odpowiednio 400V, 350V i 200V. Przepływ sygnału w układzie wzmacniacza przeciwsobnego można opisać następująco: przedwzmacniacz, inwerter fazy, kolejny przedwzmacniacz (stopień sterujący), stopień mocy, transformator głośnikowy i na końcu zestaw głośnikowy.

   Konfiguracja typowego wzmacniacza niesymetrycznego (SE) jest inna. Wzmocnienie mocy jest realizowana przez pojedynczą triodę mocy podłączoną do transformatora głośnikowego. Należy zaznaczyć, że właściwości tego transformatora głośnikowego są całkowicie inne od transformatora stosowanego w układach przeciwsobnych. Niezbędne wzmocnienie napięciowe jest dostarczane przez jedną lub więcej lamp przedwzmacniacza. Ogólny schemat wzmacniacza niesymetrycznego z triodą jako lampą wyjściową i jedną triodą w stopniu przedwzmacniacza jest pokazany na Rys.1.8.


Rys.1.8 Ogólna konfiguracja wzmacniacza niesymetrycznego

 1.6 Jak wygląda struktura opracowania?

   W opracowaniu zawarto materiały wynikające z wielu lat badań wykonanych w Ir. buro Vandeveen. Ponieważ badania te są stale prowadzone zawartość opracowania można traktować jako swego rodzaju ilustrację stanu aktualnego, który ulega zmianom. Struktura opracowania wymaga pewnego objaśnienia, które przedstawione jest niżej.

   Niniejszy rozdział (Rozdział 1) zawiera ogólne wprowadzenie do tematyki wzmacniaczy lampowych. Wyjaśnia on co w nich jest takiego specyficznego i opisuje ich rolę w gwałtownie rozwijającym się świecie elektroniki.

   Rozdziały 2, 3 i 4 zawierają szczegółowe omówienie  zagadnień związanych z transformatorami głośnikowymi. Podstawą omówienia, jak zostało już wcześniej wspomniane są nowoczesne transformatory toroidalne. W rozdziałach tych wyjaśniono m.in. dlaczego transformatory toroidalne tak bardzo różnią się od standardowych transformatorów z rdzeniami na kształtkach EI.

   Rozdziały 5, 6 i 7 nie unikają (niestety) złożonych obliczeń. Niektórzy Czytelnicy mogą uznać te rozdziały za zbyt teoretyczne. I rzeczywiście jest w nich dużo teorii, ale ta teoria jest niezbędna do zrozumienia zasad konstruowania nowoczesnych transformatorów głośnikowych i wzmacniaczy lampowych. Rozdziały te można pominąć, w szczególności jeśli ktoś po prostu chce zbudować sobie wzmacniacz lampowy. Taka osób musi jednak zdawać sobie sprawę, że chcąc dogłębnie poznać i zrozumieć zagadnienia stosowania transformatorów toroidalnych we wzmacniaczach lampowych znajdzie odpowiednią wiedzę właśnie w tych rozdziałach.

   Rozdziały 8 i 9 zawierają modele teoretyczne do obliczania i konstruowania profesjonalnych specjalizowanych wzmacniaczy i wzmacniaczy niesymetrycznych. Przedstawiono w nich  nowe konfiguracje zwane "super pentodą" i "super triodą" i dokładne obliczenia dla wzmacniaczy niesymetrycznych. Modele i obliczenia bazują na linii nowoczesnych transformatorów toroidalnych i ilustrują możliwości projektowe Ir. buro Vanderveen.

   Przechodząc do rozdziałów od 10-go do 15-go warto rozgrzać lutownicę, ponieważ zawierają one praktyczne rozwiązania konstrukcyjne i wskazówki do budowy wzmacniaczy lampowych o mocach od 10W do 100W. Kluczową rolę odgrywają w nich oczywiście toroidalne transformatory głośnikowe. W rozdziale 13 przedstawiono porady natury inżynierskiej i konstruktorskiej. Rozdział 14 dotyczy wzmacniacza wykonanego na płytkach drukowanych. Ponieważ zasadą jest, że we wzmacniaczach stosuje się jakąś formę sprzężenia zwrotnego więc w rozdziale 15 przedstawiono jak to sprzężenie stosować w prawidłowy sposób.

   Końcowe rozdziały od 16-go do 20-go zawierają opisy projektów nieco bardziej nietypowych wzmacniaczy lampowych. Przykładowo w rozdziale 16-tym opisano zestaw o nazwie UL40-S, zaś w rozdziale 17-tym niezwykły wzmacniacz gitarowy. W rozdziale 18-tym znajduje się opis 100 watowego wzmacniacza z możliwością zmiany konfiguracji i biasu. W rozdziale 19-tym przedstawiono projekt wzmacniacza wykorzystującego konfigurację "super-pentody". W ostatnim rozdziale opisany jest 7 watowy wzmacniacz stereofoniczny na dosyć niespotykanej lampie mocy 6AS7. Rozdział ten przygotowany został z perspektywy osoby, która buduje go od podstaw i nie dysponuje dużym zapleczem badawczym i pomiarowym. Nie ma więc tutaj wyników pomiarów, natomiast pokazany jest krok p0o kroku proces budowy i uruchamiania.

   Ostatnie fragmenty opracowania zawierają informacje jak pozyskać trudne do zdobycie elementy, takie jak lampy i transformatory. Podane są w nich adresy fizyczne i internetowe dostawców części.

1.7 Gdzie można zdobyć dodatkową wiedzę?

   Warto zap0oznać się z poniższymi pozycjami bibliograficznymi, które pozwolą na dalsze pogłębianie wiedzy dotyczącej lamp i wzmacniaczy lampowych.

  1.  Dr. H. de Waard, Electronica, fourth edition 1966. W. de Haan, Hilversum (teoretyczna; bardzo dobra książka wydana przez University of Groningen; po holendersku)
  2. R. zur Linde, Build your Own Audio Valve Amplifiers. Elektor, ISBN 0-905705-39-4 (teoria i praktyka; książka dostępna również w języku holenderskim i niemieckim)
  3. Audio-en Gitaarschakelingen met buizen, voor een zo goed als nieuw  geluid. Elektuur, ISBN 90-70160-78 (teoria; książka dostępna w języku holenderskim i niemieckim)
  4. Audio en HiFi-buizen, gegevens - karakteristieken - schema's, Elektuur, ISBN 90-5381-076-5 (dane lamp elektronowych; po holendersku)
  5. Jean Hiraga, Initiation aux Amplis a Tubes. Eyrolles. 61, bld Saint Germain; 75240 Paris Cedex 05 (rozwój historyczny, przykładowe projekty, dużo uwagi poświęcone układom SE; po francusku)
  6. John D. Ryder, Ph.D., Engineering Electronics. McGraw-Hill, 1957 (teoria; wiele szczegółów, szeroki zakres tematyczny, zawartość wysokiej jakości merytorycznej)
  7. Gerald F. J. Tyne, Saga of the vacuum tube. ISBN 0-672-21470-9 (rozwój historyczny lamp radiowych; po angielsku)
  8. Morgan Jones, Valve amplifiers. ISBN 0-7506-2337-3 (podstawy teoretyczne, przykładowe wzmacniacze)
  9. Gerald Weber, A desktop reference of hip vintage quitar amps. ISBN 0-7935-6368-2 (rozwój historyczny i współczesny profesjonalnych wzmacniaczy gitarowych)