Типове лампи, характеристики и използването им, товарни прави

 

В тази статия ще разгледаме различните лампи, техните характеристики и как можем да ги използваме за аудио. Ще се опитам да обясня всичко максимално кратко и ясно, без излишни подробности, които ако се интересувате - може да намерите къде да прочетете.

Лампите общо взето са именувани според броя на електродите им - диод, триод, тетрод пентод (2, 3, 4, 5 извода) и тн. Обикновено тези след пентод са строго за високи (радио) честоти и използването им директно за аудио е силно ограничено. Има всякакви комбинации от две или повече лампи в един балон, като могат да бъдат еднакви или различни типове, (диод-триод, триод-пентод, двоен триод.....) както и примерно два или триода с различни параметри, но масовите двойни триоди са с еднакви. 

Доста от лампите имат и екран (да не се бърка с екранираща/втора решетка) - при комбинираните често е между двете части (ECC85 например), при някои е над и около анодната система (EF80), може и цялата лампа да е в метален корпус (6Ж4), или да има покритие върху балона - като EF9, а някои имат и екран само на цокъла долу, като екрана е метален около изводите или покрива цялата лампа (почти всички на локтален цокъл). Въпросният екран се свързва към катода или металното шаси/маса. 

После следват още два основни подтипа на всичките горе - директно отопляеми и индиректно отопляеми. При директноотпляемите, самото отопление на лампата носи катодното покритие като играе и ролята на катод, при индиректноотопляемите - отоплението е поставено и изолирано в тръбичка, която носи катодното покритие. Това е по-новият и развит вариант на радиолампите, които като цяло са с по-добри параметри, позволяват и ползването на радиолампите в по-широка гама схеми на свързване с общо отопление. 

1. Диоди - вършат същата работа като полупроводниковите диоди. Има директноотопляеми и индиректноотопляеми, също така единични, двойни, четворни... Най-известната вариация на двойния диод се казва кенотрон - двоен диод с общи катоди. 

После тези горе имат още два подварианта - вакуумни (стандартни, обикновени) и елекродъгови (газови). Първият вариант има почти линейна характеристика, която изглежда така заради вътрешното съпротивление на самата лампа - все едно гледаме последователно вързани идеален полупроводников диод и резистор, пример със EZ81:

Електродъговите са пълни със газ, като най-използваните са живак (живачни пари), ксенон, неон или водород. При тях има специфицирано напрежение на разряд на дъгата (arc voltage), типично между 10 и 15 волта за живачните и до 40-50 волта за другите, като поведението им е подобно на полупроводниковия диод - в доста широк диапазон на ток през диода пада почти се запазва. Обикновено при еднакви габарити, електродъговите държат на доста по-високи напрежения и токове спрямо чистите вакуумни. Колкото ми е ясно, са само и основно директноотопляеми, нямат индиректноотопляеми.

 - Предимства и недостатъци на различните типове диоди: 

- индиректноотопляемите започват да "работят" с по-голямо закъснение, което дава достатъчно време на другите лампи в устройството да загреят и им спестява студения старт, който им съкращава живота. Като параметри и възможности са някъде посредата между директноотопляемите и газоразрядните.

- директноотопляемите, чисто субективно (споделено от много хора, което си отива към обективно), като цяло, звучат по-добре. Понеже отоплението им е и катод, загряването типично става в диапазона между 2 и 5 секунди, след което вече работят.

- газоразрядните - според много хора, живачните звучат най-добре от всичко, което са тествали, и аз съм на същото мнение (но ксеоновите - не, а водородните обикновено са огромни с индустриално приложение). Недостатъците им са, че имат ограничени възможности за ток/мощност при студен старт - 500мА изправител, при стартиране студен, му дават макс товар 150 или 200мА например, след което, по една графика, дават типично между 5 и 20 минути загряване според околната температура, преди да може да се натовари на максималния ток. Живачните, ако са местени, даже искат и повече време без никакво анодно, за да се намести не-изпарения живак. Консумират повече отоплителен ток спрямо други в подобни корпуси, например RCA 83 е със същите размери, цокъл и отоплително напрежение като RCA 80, но консумира 3А спрямо 2А за 80, което може да направи невъзможно директното сравнение на двете. И още един недостатък - генерират широкоспектърен шум. Ако сложите на RIAA коректор такива изправители и са на същото шаси, а не в отделна кутия, далеч от корекцията - има шанс да ги "чувате" как работят. И въпреки всичките им недостатъци, се считат за най-доброто :)

Изправителните лампи имат и една вариация на газовите - тиратрон, обикновено ксенонови. Също, като тиристор, са управляеми - може да им се сложи праг на сработване или да се използва управляващия електрод за включване/изключване. Понеже носят на голям ток, са ги използвани за управление на релета и защити, днес почти никой не ги ползва за нищо.

Сещам се и за още един вариант - "студен катод" - те нямат отоплителна намотка, но са със особени параметри като цяло сравнително - малък ток, сравнително малък диапазон на работно напрежение, кратък живот. Например, 0Z4G иска минимум 300 волта напрежение, за да запали (газова е). 

 - Използване - имат анод и катод и се ползват по същият начин, като обикновените диоди :) , но с някои особености. Директноотопляемите имат общо отопление и катод, много от другите - ползват за катод единия от изводите на отоплението за общ с катода, например GZ34:

причината - на самия катод излиза положителното (анодното) захранване, а индиректнотопляемите лампи имат специфицирано макс. напрежение между катод и отопление, което е от порядъка на 100-200 волта, а превишаването му води до пробив и късо. Затова и отоплителната намотка за изправителите трябва да е отделна и с добра изолация спрямо съседните, понеже в някои ситуации потенциала между нея и съседната може да стигне до 3х напрежението на анодната намотка. 

После има няколко ограничения - максимален пиков ток, максимален среден ток (RMS), максимално обратно напрежение. Максималния среден ток е този, който консумираме постоянно, делен на две ако са два или четири диодите. А пиковия зависи от импеданса на цялата верига намотка-диод-кондензатор или намотка-диод-дросел, когато се ползва първи дросел. В документацията на кенотроните ще видите подобни графики, за единичните диоди обикновено ще трябва сами да си ги сметнете или симулирате. Целта е цялата верига да е така оразмерена, че да не надвишава максималния пиков ток. В случая долу е са дали при първи кондензатор след кенотрона 60 микрофарада и различни напрежения АС на намотката (по вертикала), колко волта изправено ще излезе и колко е минималната стойност на Rdc на намотката на трафа... ако е по-малко, последователно на анодите трябва да се добавят съпротивления до достигане на въпросната стойност. Най-лесният вариант е, да използвате "PSU Designer II" - достатъчно добър симулатор, там може да въведете различни стойности на всичко налично и да си направите проекта така, че да не претоварите лампата, за което ще ви е много благодарна :)

2. Стабилитрони - или иначе казано - газови стабилитрони. Това следващите най-разпространени лампи с по два електрода. Лампов ценер - имат няколко варианта на напрежение на стабилизация. Особеното за тях е, че имат напрежение на "залапване", обикновено 20-30 волта над работното. Имат и военни варианти, с радиоактивен елемент вътре, който спомага за по-бързо запалване с по-ниско пренапрежение. Използват си се както се използват полупроводниковите ценери. Другата особеност е, че ако се сложи голям кондензатор паралелно на тях, започват да осцилират, обикновено байпасващия трява да е под 100 нанофарада, за да избегнем този проблем.

3. Триоди - това е първият вариант на усилвателна лампа, като първите разбира се, са били директноотопляеми, а по-късно са измислили и индиректноотопляемите. Освен анод и катод, вече има и трети електрод - решетка (управляваща решетка). Тя стои между катода и анода и с отрицателно напрежение управлява потока електрони към анода, колкото е по-отрицателно, толкова по-малко ток протича. Когато достигне нулата или започне да става положително, през нея започва да тече ток и да играе ролята на анод... и все едно имаме диод, с анод на мястото на първа решетка - това вече отива към авариен режим на работа на лампата. Мощните лампи (типично над 100W анодна мощност) носят на положително напрежение на решетката, което води до още по-голям ток през анода, но и решетката консумира ток и иска съответната схема на управление, която може да го даде. Освен това си имат и ограничение на мощността, която може да влезне там (в решетката). Използването на такива лампи в такъв режим иска по-сериозно познаване на материята и схемотехниката и засега няма да го разглеждаме в тази статия.

- Използване:  има четири основни варианта за използване на лампата - общ анод (буфер, катоден повторител), общ катод и обща решетка - съответния "общ" извод е вързан към твърд потенциал и четвъртия - обърнат триод - разменени са решетката и анода. като лампата се ползва за измерване на много малки токове, това няма да го разглеждаме.

Основното, за да работи една лампа, е да има работна точка вътре във волт-амперната характеристика (ВАХ):

За схема общ катод - в случая лампата е ЕСС82, а работната точка е Ua=125V (анодно напрежение), Ia=3,65mA (аноден ток) и -Ug=4,4V (преднапрежение) - мястото, където съм пресякъл трите линии. 

Освен това, трябва да не превишаваме максимално допустимите параметри. Във ВАХ обикновено е дадена само максималната анодна мощност - в случая 2,75 вата, но имат и максимален ток и максимално анодно напрежение.

След като сме сложили лампата в работна точка, въпросната работна точка има още три основни параметъра - усилване µ (Мю, също така често белязано с малко "u"), вътрешно съпротивление Ri и стръмност S, които са вързани един за друг (µ=Ri*S) и могат да бъдат свалени от ВАХ по следния начин:

Понеже лампата има висок импеданс, крайното усилване зависи не само от усилването Мю, но и от анодния товар Ra; ECC82 има средно Ri=7K, и ако сложим аноден товар 47К, получаваме делител, който се смята по формулата и схемата на резистивен делител и накрая от средно µ=18 получаваме усилване на стъпалото 15.6 пъти; ако натоварим стъпалото със 7К (колкото е вътрешното съпротивление), ще получим 9 пъти (половината) усилване; за този режим ще ни трябва катоден резистор Rk=1,2К (4,4V/3,65mA), а резистора Rg се явява входен; кондензатора, паралелно на Rk е нужен, за да блокира променливото напрежение в катода, иначе получаваме обратна връзка катод-решетка, което води до по-ниско усилване и по-висок изходен импеданс, съответно и по-различни сметки от горните :)

Следващата схема - катоден повторител / общ анод. Усилването е под 1, понеже отново имаме вътрешно съпротивление, което се включва в сметките, но този път зависи изцяло и само от стръмността S, като Rik=1/S, т.е. при ECC82 със стръмност 3mA/V, Rik=1/0.003 => Rik=333 ома. Ако отново натоварим схемата със 47К, то 47К >>333 ома, така че е незначителна разликата и няма нужда от смятане на усилването; А общият изходен импеданс е товара и вътрешното съпротивление в паралел. Особеното в случая е, че за същият режим, решетката няма да е с потенциал 0 волта, а напрежението на Rk минус това за преднапрежението, или по-точно казано 47к*3,65мА = 171.55V-4.4V = 167.15V; Разбира се, в реални условия няма да гоним абсолютно точни напрежения, хващаме най-близките стойности резистори, с които да направим делителя и правим каквото се получи. 

Ползването на такъв буфер се налага когато искаме да клатим нисък импеданс със съответната лампа - примерно нискоимпедансен трансформатор, слушалки или мощна крайна лампа. Хубавото е, че може да се върже директно към предното стъпало, без допълнителен делител или прехвърлящ кондензатор, ето така, като не е задължително двете лампи да са еднакви, а първата може да е с по-голямо усилване, а втората - с по-голяма стръмност и да носи на по-голям ток:

Третият варант - обща решетка - 

Сметките са почти като в общ катод, само усилването е Мю+1, а входния импеданс е катодното съпротивление в паралел на катодния импеданс, който вече заради наличието на аноден резистор е Rik=(Ra+Ri)/(µ+1); в случая - Rik=(47+3)/(18+1) = 2.63K; в паралел на 1,2К получаваме 824 ома;

Тази схема е доста подходяща за I/V конвертор след дак с токов изход, например след мултибитов на Burr Brown (PCM56P, PCM58P, PCM61P, PCM63P) или TDA1541 / TDA1541A. Разбира се, може да бъде изпълнена и с други лампи, при съответните сметки, като съобразим стойността на катодния резистор и режима на лампата с желаното усилване в изхода.

Директноотопляемите лампи се използват по същият начин, но с една особеност - катода е едновременно и отопление, което налага използването на отделни намотки за всички лампи, или ако е обща - всички са с катод на общ потенциал. Има и още малко подробности - някои от тях имат среден извод на отоплението, където се закача извода на катода, други нямат - при тях е или от средна намотка на трансформатора, или се прави резистивен делител между двата извода, от където се хваща извода за катода, а някои имат определен единия от двата извода на отоплението. При захранване с променливо напрежение, делителя може да се наложи да е тример или да има тример в паралел, за финна донастройка на нивото на брум, което излиза в изхода. 

Товарна права - много важна част от избора на работен режим, особено когато искаме да изцедим максимума от дадена лампа. При избор на режим на крайна лампа е задължителна и неизбежна част проверката и смятането.

Товарната права показва къде се движи сигнала при работа по графиката. В повечето случаи началната и крайната точка са извън самите ВАХ, но е важно да се начертае правилно - може да се наложи ползването на тъп чертожен софтуер като PAINT или да се разпечата и да се чертае на ръка, ако ви е сложно. 

Наклона на самата графика зависи изцяло от импеданса на товара, а началната и крайната точка - от работната точка, която сме избрали;

 

Взимам ВАХ на EML 300b, понеже има добри характеристики; започваме:

избирам си товар Ra=3,5К, Ua=450 волта анодно и аноден ток Ia=80мА

- начална точка Io: намира се на 0 волта, отляво, смята се:

Io = Ia+(Ua/Ra) -> Io = 0.08+(450/3500) -> Io = 0.209A = 209mA;

Uo = Ua+(Ia*Ra) -> Uo = 450+(0.08*3500) -> 730V; 

Взимам ВАХ, хващам Paint, поставям двете точки където им е мястото и поставям товарната права между тях и се получава това:

Доначертах още две криви, на око, да се вижда докрай какво се случва върху товарната права. И какво гледаме сега:

Начертах още две прави - оранжевите, където ни е работната точка и зелените, където е нулевата, понеже не можем да идем над нея (обясних по-назад защо)

Първо, гледаме в двете посоки по товарната права, по колко волта можем да размахаме в едната и другата - наляво 6 линии - от работната точка -90 волта до 0 волта; надясно - също - супер, улучили сме добър режим; Ако вземем примерно 2,5К траф за същия режим, получаваме това:

Io=260mA; Uo=650V - синята линия

Вече виждаме, че надясно се движим 5 криви, наляво - 6; т.е. сигнала ще клипва в едната посока и без клипинг ще можем да размахаме сигнал общо между 10 линии (спрямо 12 в с другия товар). 

Засега избираме 3,5К с червената графика и правим следващите проверки, колко мощност ще размахаме по ток и по напрежение; 

Напрежението, което размахваме, е между зелената линия (вертикално надолу от пресечната точка на ВАХ при 0 волта на първа решетка), което са от около 140 волта до 730 волта или 590 волта връх до връх, което обърнато към RMS е 590/2,82=209V RMS; в 3.5К товар, това са (209*209) / 3500 = 12,5 W

Pu=((Upp/2.82)^2)/Ra = ((590/2.82)^2)/3500 = 12.5W

Тока, който размахваме е от 0 до хоризонталната зелена линия - от 0 до 170мА връх до връх, което е 60мА RMS, върху 3,5К;

Pi=Ipp^2*R => Pi=12.6W - повече идеално сме улучили товара и режима... ама не съвсем :)

Идва една друга дребна подробност - имаме някаква загуба във вътрешното съпротивление на лампата, същото онова, което споменах по-горе, което зависи от отношението между него и товара в анода, но с добавено омичното съпротивление на трансформатора към него; от което следва, че ще изкараме по-ниска мощност по напрежение. Може да се наложи да се промени малко режима или товара, за да ги изравним, но в реалния свят има и други проблеми, като импеданса на колоните. Масово колоните около резонанса падат по-ниско от номиналния им импеданс, което товари допълнително усилвателя... и така ни се налага да имаме повече мощност по ток, за да компенсираме, така че всичко е точно. 

Какво още трябва да гледаме по ВАХ? 

За да е по-видимо, ще хвана друга крайна лампа - в случая 807 в триоден режим;

450V/50mA/3.5K, съответно точките са Uo=625V и Io=180mA

Сега виждаме, че въпреки, че наляво и надясно минаваме през еднакъв брой линии, двете страни са неравни и несиметрични - наляво линията е доста по-дълга отколкото надясно, като тези в двата края имат поне два пъти разлика. Това директно се прожектира върху формата на сигнала - в едната полувълна ще усилва повече отколкото в другата и вече имаме втори хармоник, и то не малко; завъртял съм товарната права вертикално и съм сложил линии между пресечните точки с отделните криви, като начертах какво точно ще се получи. А вертикалната черна посредата е с еднаква дължина и в двете полувълни, да се види какво точно се губи от цялата работа. Но имайте предвид, че това е при пълна мощност. При нормално слушане на такъв усилвател, на 1-2 вата, несиметрията и изкривяванията ще са доста по-малки. Така на око, е около 1/4 разлика спрямо какво трябва да е, което е 25% втори хармоник или изкривяване на втори хармоник с -12дБ. Което както и да го погледнем, е много :)

Същото с товарната права важи с пълна сила и за драйверните лампи. Колкото е по-малък товара (повече килооми), товарната права е толкова по-хоризонтална. Това ни позволява да изберем работна точка и режим, които са далеч от коляното на кривите, където се сбиват близко една до друга. При драйверните лампи работната точка е типично по-отляво на графиката и не стигаме до кривата част, но при много по-малък ток от максималния допустим за съответната лампа може да се озовем там. Хубавото е, че повечето лампи започват да "сгъват" прогресивно, т.е. имат и линейна използваема част. В тези с по-подробна документация има графика на усилването Мю спрямо тока и/или анодните напрежения, например това на D3a в триоден режим, вижда се как между 15 и 30мА спада усилването с някаква скорост, а от 2 до 15 е с постоянна промяна; това показва, че тази лампа е хубаво да се използва с начален ток около 20мА;

Или 6SL7, която е доста по-линейна, трансферната характеристика показва същото:

При някои лампи нелинейността е желан ефект и са проектирани така, ползват се за компресори, регулатори на усилване и във ВЧ техниката. Когато това е желан ефект, лампата се води с удължена характеристика или "remote cut-off". Линейните са "sharp cut-off". Пример със PCC189. Обърнете внимание, че напреженията в лявата половина са през половин волт, а в дясната - първо през 1 волт, после през 2

4. Тетроди/лъчеви тетроди/пентоди - при тетродите е добавен още един електрод - втора решетка g2, съответно управляващата вече се казва първа g1; при пентодите е добавена и трета решетка g3, а при лъчевите тетроди - трети електрод - лъчеобразуващи пластини, които представляват прозорец, насочващ потока електрони. Физически и на схематичния символ, решетките се броят от катода нататък - катод, първа решетка, втора и тн. 

Втората решетка (g2) или екранираща решетка (screen grid) има функцията да отдели анода от първа решетка, което намалява драстично обратния динамичен капацитет от анода към първа решетка, при което лампата може да има много повече усилване и много по-нисък входен капацитет, което помага особено много при високите (радио) честоти (по-нисък входен импеданс). Работи на положителен потенциал, в повечето случаи на същият като на анода или по-нисък. В редки случаи може да е на по-високо напрежение от анодното, най-вече при лъчеви тетроди. От нейното напрежение зависят усилването, стръмността и максималния ток, който може да протече през лампата. Десетина години по-късно след измислянето на тетрода, намират решение на един от проблемите на му - пропадане на характеристиката в началото (ВАХ по-долу) заради т.нар. динатронен ефект - обратна емисия от анода към втора решетка от избити обратно електрони (вторична емисия); това решение е третата решетка и лампата става пентод. Самата трета решетка се връзва на еднакъв потенциал с катода и спира обратно излъчените електрони от анода към втора решетка, като прави характеристиките по-линейни, без чупки и намалява тока на втора решетка.

Но е патентована от Филипс и другите се налага да търсят заобиколно решение, което намират няколко години по-късно с лъчеобразуващите пластини. Със всичките тези подобрения, идват и недостатъците. Типично тетродите и пентодите са с доста високо усилване, но и доста нелинейни (линиите започват да се сбиват в единия край), видно от типична ВАХ на тетрод, в случая на 6L6G:

Но при някои може да изглежда и по-добре, особено при драйверните и да имаме достатъчно голяма използваема част. EF86 например при -1,5 до -2 волта на първа решетка има използваема линейна част в пентоден режим, където ще има и много усилване:

И още нещо - крайните, понеже имат висок изходен импеданс, когато им се закачат колони с техния си крив импеданс, лампите започват да го следват и да стават неприятни ефекти и нелинейно АЧХ. Това налага използването на обратна връзка, която да коригира всичко, но вече усилвателят има други недостатъци. За предимствата на тетроди и пентоди - ако погледнем къде се намира нулата на кривите виждаме, че е доста по-наляво - т.е. имаме още използваема площ по ВАХ, съответно и по-високо КПД, което значи повече изходна мощност при по-малко разсейвана анодна. 807, която споменах по-горе, е 1:1 със 6L6G по характеристики, но носи на по-високо напрежение. Може да видите същата лампа в триоден режим колко е по-линейна, но нулата започва след още 100 волта.

Триоден режим/триодно свързване - тетродите и пентодите могат да бъдат свързани така, че да станат триоди - съответно получават характеристики като на триод, със всичките им предимства и недостатъци. Пример - с по-горната графика на 807 в триоден режим. И така лампите вече могат да се използват като триоди. За тази цел втората решетка се връзва към анода, може да се наложи да е през токоограничаващо съпротивление, по-рядко директно, а третата - към катода или анода, като има лека разлика - някои лампи са по-линейни със свързана към катода, при други няма разлика в линейността, но стават по-стръмни, когато е вързана към анода. 

Това нещо обаче има съответните ограничения - някои имат много ниско напрежение на втора решетка, доста по-ниско от анодното, което в комбинация с максималния катоден ток не позволява използването на максималната анодна мощност. За което има две възможни причини - едната е, че втора решетка е много близо до първа, което ще доведе до пробив. Другата възможна е, че някои лампи в тетроден и пентоден режим започват да осцилират или да се саморазгряват при по-високо напрежение на втора решетка, което води до прегряване на лампата и съответно дефект. В този случай можем без притеснения да претоварим лампата по напрежение на втората решетка без последствия, като проверим в триоден режим дали не се случва това. Претоварената втора решетка започва да свети и е видимо през отворите на анодната система :)

5. Лампи с повече електроди - те вече имат строго приложение за радио/ВЧ/ВЧ смесители, честотни конвертори и подобни схеми, които са си направо отделна наука в електрониката. Някои от тях могат да бъдат вързани в триоден режим и да се използват като триоди, даже дават и задоволително линейни ВАХ, но при наличието на подходящи за аудио лампи, това упражнение се обезсмисля.

В следващата статия ще разгледаме основните схеми на усилватели и усилвателни стъпала, кое как и кога се използва и какви съображения да имаме при избора.