Ogólna wiedza na temat wzmacniaczy lampowych

W pierwszych wzmacniaczach popularnych, które pojawiły się w drugiej połowie lat dwudziestych XX wieku jako radia zawierające lampy lub jako gramofony ze wzmacniaczami poważnym ograniczeniem była niewielka moc wyjściowa. Ta mała moc wynikała z rozwiązania układowego zastosowanego w stopniu wyjściowym: pierwsze wzmacniacze zawierały w stopniu końcowym tylko jedną lampę elektronową. Trioda pełniła rolę detektora i jednocześnie wzmacniacza. Obciążeniem były słuchawki, a później nie spotykane już wysokoohmowe głośniki o oporności 2000 omów.

Należy wspomnieć, że prądy anodowe w lampach są małe, rzędu kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu miliamperów, natomiast napięcia anodowe i zasilania duże – około stu lub dwustu woltów i w takich wzmacniaczach trzeba było stosować specjalne głośniki o dużej oporności. Korzystniejsze było zastosowanie głośnika o malej oporności współpracującego z transformatorem. Transformator pełnił tu bardzo ważną rolę, po pierwsze transformował impedancję i umożliwiał wykorzystanie rozpowszechnionych dziś niskoomowych głośników dynamicznych. Po drugie, obecność transformatora powodowała, że przez głośnik nie płynął prąd stały. Wynikało to z tego, że przez lampę (na jej wyjściu) musiał przepływać znaczny spoczynkowy prąd stały. Przepływał on również przez uzwojenie pierwotne transformatora.

 

Moce uzyskiwane na początku były rzędu kilkudziesięciu lub kilkuset miliwatów. Potrzebne były jednak większe moce wyjściowe. Zaczeto budowac i stosować inne lampy, pracujące na większym prądzie spoczynkowym i wyższym napięciu anodowym. Wiązało się to z problemem dostarczenia większej energii do wzmacniacza (układy w tych czasach były często zasilane bateryjnie). Konstrukcje samych lamp, które pomimo większej mocy miałyby mieć korzystne parametry. W takiej sytuacji wybrano rozwiązania w których zastosowano kilka lamp i połączenie ich równolegle.

Jednak przy równoległym połączeniu kilku lamp pojawia się problem zużycia energii i sprawności. W tej koncepcji przebieg zmienny występuje na tle stałych napięć i prądów spoczynkowych. Moc wyjściowa przebiegów zmiennych jest ograniczona właśnie wartością prądów spoczynkowych i napięcia zasilającego. Maksymalna niezniekształcona amplituda prądu przebiegu zmiennego jest równa co najwyżej wartości prądu spoczynkowego, a w szczytach wysterowania prąd zwiększa się do wartości dwa razy większej od wartości prądu spoczynkowego. Podobnie ale jakby odwrotnie jest z napięciem. Z obliczeń można łatwo wywnioskować, że maksymalna moc wyjściowa oddawana do głośnika jest znacznie mniejsza od mocy pobieranej ze źródła zasilania. Oznacza to małą sprawność. Niekorzystny jest również fakt, że niezmienny, duży prąd spoczynkowy powoduje, że pracujący wzmacniacz stale pobiera tą samą dużą moc, niezależnie od mocy oddawanej do głośnika. Dzieje się tak również przy braku sygnału wysterowania: wzmacniacz stale pobiera dużą moc ze źródła zasilania i zamienia ją w ciepło. Uznano to za wadę tego typu wzmacniaczy. Jest to właśnie charakter i warunki pracy wzmacniacza w klasie A. Rozwiązanie jest nazywane Single-Ended czyli „pojedyncze“.

 

Pomysł „zwykłego“ równoległego połączenia daje korzyść podwojenia mocy, ale nic ponad to. Jednak konstruktorzy wpadli na inny pomysł. Chodziło o zmianę sposobu sterowania lampami. Postanowiono sterować dwie lampy przebiegami do siebie „odwróconymi“.Pozwalała to na uzyskanie nie tylko większej mocy, ale również zmniejszenie strat energii. Jedna lampa ma wzmacniać tylko dodatnie połówki sygnału, druga tylko ujemne. Transformator wyjściowy o trzech uzwojeniach sumuje prądy obydwu lamp przez odpowiednie przyłączenie uzwojeń. Takie rozwiązanie ma poważne zalety – chodzi o to, że podczas spoczynku przez lampy nie płynie prąd. Jest to rozwiązanie nazywane wzmacniaczem w klasie B: w spoczynku prąd nie płynie, a pojawienie się sygnału rozpoczyna przewodzenie jednej lub drugiej lampy. Im większy sygnał tym większe są wartości tego prądu. Umożliwia to uzyskanie dużo większej mocy wyjściowej oraz lepszej sprawności energetycznej od wzmacniaczy pracujących w klasie A.

Do realizacji tej idei wystarczą jedynie dwie lampy o identycznych charakterystykach i dwa transformatory z podwójnymi odpowiednio połączonymi uzwojeniami. Transformator wejściowy ma dwa jednakowe uzwojenia wtórne, które dostarczają dwa przebiegi o jednakowej wielkości. Jeden przebieg jest „normalny“, drugi „odwrócony“. We wzmacniaczu czystej klasy B w spoczynku prąd przez lampy nie płynie, a punkt pracy lampy jest ustawiony na progu przewodzenia przez odpowiednio dobrane napięcie polaryzujące siatki. Dodatnie połówki „normalnego“ przebiegu otwierają jedną lampę, natomiast dodatnie połówki przebiegu „odwróconego“ (które są ujemnymi połówkami sygnału wejściowego) otwierają drugą lampę. Prądy anodowe dwóch lamp są sumowane w transformatorze wyjściowym i na głośniku występuje wzmocniony sygnał wejściowy. Takie rozwiązanie nazywa się określeniem zaczerpniętym z języka angielskiego „push-pull“ co oznacza pchaj- ciągnij. W jeżyku polskim nazywamy to wzmacniaczem przeciwsobnym lub o przeciwsobnym stopniu wyjściowym wzmacniacza.

Wzmacniacze lampowe skonstruowane są na bazie najstarszego i bezsprzecznie najlepszego podzespołu wzmacniającego muzyczny sygnał elektryczny – lampy elektronowej. Pomimo wynalezienia tranzystora w 1956 roku i jego stopniowego przenikania do konstrukcji audio wzmacniacze lampowe zaskakują słuchaczy bardziej muzycznie wciągającym doświadczeniem słuchania. Najbardziej popularnymi lampami są pentody i triody. Są to najbardziej liniowe podzespoły wzmacniające sygnał elektryczny w dziejach techniki. Dzięki niskiej rezystancji wewnętrznej są bardzo tolerancyjne na podłączenie oraz mają niską impedancję wyjściową – idealną dla dopasowania do nich transformatora wyjściowego i działania w układzie bez sprzężenia zwrotnego. Zaletami układu single ended są przede wszystkim to, że wzmocniony sygnał na wyjściu jest bardziej wierny temu, co zostało podane na wejściu wzmacniacza, tzn. muzyka nie jest dzielona przez lampę działającą jako dzielnik i odwracacz fazy sygnału aby umożliwić działanie układu przeciwsobnego, tylko sygnał jest wzmacniany w całości. Zapewnia to mniejsze zniekształcenia, pozwala na uproszczenie układu (mniej lamp) i umożliwia zrezygnowanie ze sprzężenia zwrotnego (lub zastosowanie bardzo płytkiego). Efektem jest również lepszy współczynnik tłumienia (damping factor) wynikający ze ilorazu impedancji wewnętrznej lampy do impedancji obciążenia oraz nie kasuje parzystych harmonicznych brzmienia (które można lub nie uznać za porządane). Innymi słowy jest większa wierność odzwierciedlenia zawartości harmonicznych sygnału wejściowego i wyjściowego. Uklady push-pull eksponują nieparzyste harmoniczne i kasują parzyste. Dzięki lepiej wykonanym transformatorom wyjściowym i kondensatorom sygnałowym udało się osiągnąć większy kontrast dynamiczny, rozdzielczość dźwięku spójność muzyki. pomimo pewnych strat wynikających z mniej sprawnego układu jakim jest single end w stosunku do push-pul.