Ламповые усилители. Подбор электронных ламп. Вам оно надо?
Статья про подбор ламп. А в чем собственно говоря проблема? Почему нужна эта статья? Почему возникли мысли по поводу этой темы? Вероятно потому, что накоплен некоторый опыт, освоено новое знание, произошел переход к новому качеству в понимании проблематики построения ламповых усилителей объективно высокого качества. Большинство статей, написанных мною для этого сайта имеют своей целью именно обобщение и систематизацию некоторого опыта, полученного на основе суммы знаний и последовательности действий по их реализации. Многие излагаемые результаты прошли обсуждение в узком кругу близких мне по духу специалистов. Поэтому нередко приводимые мною сведения, есть не только и не столько моя позиция, но консолидированная позиция нескольких людей, причём технарей очень непрохой квалификации. Именно поэтому многим телезрителям стоит к статьям внимательно присмотреться, а к словам прислушаться. Вреда не будет, а польза возможна.
Вначале изложения принимают несколько постулатов. А затем следует задать несколько вопросов по существу и далее попытаться ответить на них, в меру понимания проблематики при сохранении здравого смысла.
Утверждения, принимаемые без доказательства.
1.В аналоговом тракте усиления звука наиболее высокое качество обеспечивают не транзисторные, а ламповые усилители. Усилители с дискретизацией сигнала рассмотрению не подлежат по их ущербности (или запредельной классности).
2.При равенстве важнейших характеристик транзисторы уступают по качеству усиления звука лампам. Это утверждение принимается за основу, хотя при экспертной оценке результаты могут быть и не распознаны. Следовательно понятие "качество" здесь имеет больше субъективную окраску, нежели объективную.
3.Для более объективной, детализированной оценки нужно выполнять сопоставление качества лампового и транзисторного усилителей по приборам, обеспечив одинаковые входные и выходные сопротивления, нагружая на одинаковое резистивное сопротивление. Источник звука тоже одинаковый - лабораторный.
4.Экспертное сопоставление качества лампового и транзисторного усилителя нельзя выполнять при их подключении на одинаковую акустическую систему. Акустика должна быть разная и в большинстве случаев - своя. Следовательно рассматривать качество лампового усилителя раздельно от качества акустики можно лишь условно.
5.При экспертной оценке результат исследования и оценки не может быть признан абсолютным и единственно верным. Он может быть признан лишь как рекомендация. А значимость этой рекомендации следует оценивать пропорционально авторитету экспертов, весомости их ученой степени или публичной репутации.
6.Вводимое в статье понятие энергоэффективный ламповый усилитель будет истолковано, как устройство обеспечивающее предельно возможное качество усиления звука при эффективном расходовании мощности, потребляемой от источника питания. КПД по суммарной анодной мощности в нагрузке должен быть не менее 30%.
7.В аналоговом тракте усиления выходные электронные лампы выполняют функционал аналогичный выходным транзисторам в транзисторном усилителе. Поэтому транзистор назовём Т-элементом, а электронную лампу соответственно Л-элементом (силовым элементом). Двухтактные ламповые усилители аналогичны двухтактным транзисторам. Поэтому однотактных усилителей в рассмотрении быть не может, по их ущербности.
8.Любые факторы, трудно объяснимые в рамках здравого смысла в рассмотрение не принимаются. Маркетинговая словестная шелуха, расположенная за пределами достоверной количественной оценки в Евклидовом пространстве, а также расположенная за гранью технико-экономической эффективности проекта ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ признается бредом сивой кобылы.
В дальнейшем изложении нужно дать сравнительно простые, но обоснованные ответы, ответы без фанатизма, ответы на поставленные ниже вопросы.
Как показать, что подбор оконечных транзисторов в мощных усилителях нужон?
Теоретически показать и экспериментально проверить. Мощным назовём усилитель, в котором есть сравнительно мощный источник питания, который выжигает выходные транзисторы при незащищённом КЗ или при ошибках в монтаже. Это определение качественное, а количественное дать затруднительно. Ну например 10 Вт и более. Особенность транзисторов в том, что полупроводник транзистора под напряжением резко нелинейно меняет свойство пропускания электрического тока. Причём нелинейность эта по величине тока не ограничена. Именно поэтому, даже при небольшом повышении напряжения возможно чрезмерное увеличение тока, что приводит к выгоранию кремниевого кристалла внутри корпуса транзистора. Следовательно, режим по постоянному току в транзисторном усилителе должен быть жестко фиксирован. При нагреве транзисторов физические свойства полупроводника плывут. Однако в схеме должны быть приняты меры автоматической стабилизации режима, в выбранной рабочей точке. Поскольку усилители предназначены для увеличения мощности звукового сигнала переменного тока на нагрузке - громкоговорителе, то кроме режима по постоянному току тщательно настраивают режимы передачи по переменному току. В транзисторной технике наиболее выигрышным представляется двухполярное питание. Оно построено в виде двух источников небольшого напряжения, для которых опорными является плечи, противоположные по знаку. Соединяя вместе полюса (+ и -) разных источников, образуют общую точку питания единого источника, которую считают нейтральной и заземляют. Тогда положительный полюс двухполярного источника обслуживает цепи прохождения положительных полуволн звукового сигнала. А отрицательный полюс двухполярного источника подключают к цепям питания элементов, предназначенных для усиления отрицательных полуволн.
Принятое разделение источника на два симметричных полюса улучшает независимость и симметрию энергоснабжения Т-элементов при прохождении полуволн сигнала и снижает общие искажения. Однако требование симметричного усиления становится крайне важным. Именно поэтому выходные каскады, потребляющие экстремальные токи, строят обязательно из подобранных по коэффициенту передачи тока транзисторов. В куче транзисторов расхождение свойств может быть колоссальным. Кристаллы танзисторов изготавливают на далеко не идеальных технологических линиях, где настройка оборудования может быть кривой. Технология нарезки полупроводниковых структур в буржуйских условиях роботизирована, она многократно точнее и чище. Поэтому Тошиба например, делает транзисторы с минимальным расхождением параметров. Но и там разница может присутствовать, особенно между разными партиями транзисторов. Вместе с тем расхождение усилительных параметров силовых транзисторов в симметричных двухполупериодных схемах недопустимо. Поэтому и приходится подбирать Т-элементы. Причём кривизна усиления не просто некрасива повышением искажений сигнала. Главным последствием несимметрии является опасность стремительного искривления режима по току, вследствие разного нагрева плеч. А это чревато мгновенным выгоранием перегретого выходного Т-элемента, а затем и второго. Следует помнить, что транзисторный усилитель работает при малых напряжениях в каждом плече (30-60В), но зато при огромных токах (10 ампер и более). Именно большие изначально токи могут оказаться ещё больше, неуправляемо больше, ввиду малого внутреннего сопротивления источника. Именно они могут выжечь силовые транзисторы.
Нужен ли подбор Т-элементов в усилителях вообще?
Нужно побольше здравого смысла. Это почти универсальная рекомендация. Подбор Т-элементов по параметрам нужен в тех критичных узлах в которых в этом есть необходимость. Подбор непременно выполяют в транзисторных парных конструкциях, работающих в режиме сравнения сигнала. Либо применяют в таких узлах заведомо симметричные транзисторные пары. Но это слаботочные узлы. И последствие применения кривых транзисторов здесь не фатальны. Просто схема будет кривобокой, будет работат неправильно, либо работат не будет. Но если речь пойдёт о силовых цепях, обеспечивающих симметричную передачу сигнала или определенного количества энергии, то необходимость подбора будет обусловлена именно энергетическим (тепловым) режимом и его симметрией. При наличии даже незначительной несимметрии параметров силовых Т-элементов перегрев одного плеча может оказаться больше, чем другого. Средства термостабилизации могут не споймать границу, да и критическое снижение порога напряжения пробоя может быть фатальным. При этом не факт, что тепловая защита сработает по максимально перегретому узлу. А кроме того, при ошибках в конструировании или монтаже термостабильность может оказаться вовсе нарушена. Вот тогда наступают необратимые последствия в виде выгорания транзисторов. Выжигание Т-элементов характерно для высоко нагруженных устройств. В маломощных устройствах это явление встречается достаточно редко. Во всех узлах, не требующих термостабилизациии режима подбор элементов не обязателен. Важно лишь обеспечить достаточное статическое усиление кристалла для работы транзистора в конкретной схеме на конкретном месте.
Как доказать, что структура схемы электропитания лампового усилителя существенно отличается от транзисторного?
Достаточно глянуть на типовые схемы. Имея начальные навыки анализа попытаться разобраться в схемотехнике лампового усилителя, ведь она банальна. На картинке схемы практически любого лампового усилителя есть только один положительный полюс источника питания. Вторым полюсом служит единый отрицательный полюс, он же - земля. Электрический ток условно следует от плюса к минусу совершая по пути работу. Поскольку звуковые сигналы знакопеременные, то их обработка требует наличия некоего условно положительного и условно отрицательного плеча в схеме. Между ними и расположена нулевая (нейтральная) точка для знакопеременного сигнала. Эта нейтральная тока и находится где-то посередине между положительным и отрицательным полюсами источника питания. Каждое такое плечо обслуживает своя лампа двухтактного каскада. В традиционной трансформаторной ламповой схеме земля соединена с отрицательным полюсом источника питания. Но для знакопеременного электрического сигнала эта "земля" не является нейтральной точкой. Сигнальный ноль изолирован от земли и плавает между положительным полюсом источника питания и землёй. Нулевой потенциал по постоянному току и нулевой потенциал по переменному току в традиционной ламповой схеме никогда не совпадают. В транзисторной схеме с двухполярным питанием нулевой потенциал только один и совпадает для режимов по постоянному току и по переменному току.
Любое обсуждение проблемы симметрии (подбора) ламп следует проводить только в ключе обеспечения высокого качества усиления сигнала, причём акцент должен быть сделан преимущественно на энергоэффективные усилители. Нужно помнить, что до 50% мощности усилителя съедают цепи накала. Остальное расходуется на нагрев по силовым цепям, включая аноды, а также отбирается в нагрузку. Именно поэтому для усилителей с эквивалентным КПД в 5-10% обсуждать тему подбора параметров выходных ламп вообще БЕССМЫСЛЕННО!
Как доказать, что режим электропитания лампового усилителя существенно отличается от транзисторного?
Достаточно применить закон Ома. В ламповом усилителе довольно большие напряжения (положительного полюса), предназначенные для анодного питания. А поскольку выходные мощности ламповых усилителей не велики, то токи, потребляемые от источника питания тоже сравнительно не велики. Потребляемые от источника токи это десятки или сотни миллиампер. А раз токи малы, то и причина выгорания силовых элементов отсутствует. Когда напряжения огромные, а токи маленькие, тогда внутреннее сопротивление источника питания велико. Опасность повреждения силовых элементов минимальная.
Почему подобранные по параметрам лампы выходного каскада предпочтительнее?
Ответ на этот вопрос зависит от уровня претензий создателя, причём преимущественно к самому себе. Сказанное легко пояснить. Уровень требовательности и честолюбие человека здесь служат приоритетом. Поскольку для усилителя средней мощности острой необходимости в подборе ламп нету, то заставить заниматься подбором могут например, внутренняя культура или избыточное честолюбие. Это СУБЪЕКТИВНЫЕ мотивы. Но всё это разумно при достаточном количестве ресурсов (лампочек и времени), а также при наличии оборудования. Подобранные лампочки позволяют легче настраивать усилитель, поскольку напряжения и токи проще симметрировать. Настройка усилителя при симметрии ламп комфортнее, результат настройки усилителя с высокосимметричным трансформатором точнее, а звучание ЛУМЗЧ с подобранными лампами красивее. Почти всегда доступными оказываются предельные эксплуатационные режимы и конские мощности. При наличии интереса и возможностей регулирования источника питания удаётся загонять лампы в передельные режимы и даже превышать их. При этом работа усилителя остаётся устойчивой, а качество исключительно высоким. Достижение высоких показателей энергоэффективности лампового усилителя, есть ОБЪЕКТИВНЫЙ мотив повышения трудозатрат или инвестиций на подбор лампочек выходного двухтактного каскада, в этом и есть предпочтение.
В каком случае и по каким причинам, подбор выходных усилительных элементов можно игнорировать?
При невысокой требовательности к результату многие процессы можно упростить. Это касается не только железок. В большинстве случаев под парадным фасадом из импортного сайдинга прячется убогое строение из шпалы или кривого кирпича и бетонной заливки. Если в усилителе заложены достаточно мощные лампы и большенький трансформатор, но при этом не планируется использование лампового усилителя в передельных режимах, если бюджет проекта изготовления лампового усилителя ограничен по причинам здравого смысла, а не бедности, если требовательность человека не зашкаливает ограничения того же здравого смысла, то подбором выходных ламп можно перенебречь. Если проект "Ламповый усилитель" задуман как дешёвый и лишён понтов, то подбор выходных ламп также можно игнорировать.
В каком случае подбор параметров выходных силовых элементов лампового усилителя жизненно необходим?
Подбор выходных ламп двухтактного каскада жизненно необходим, если неминуема долговременная работа усилителя в предельных режимах. Это обязательное техническое ограничение. Возможно и другое важное ограничение, например маркетинговое. Если изделие запланировано к продаже за большие деньги, зеленые бумажки или деревянные, то лампы выходного каскада должны быть непременно подобраны. В стоимости изделия не должны быть одни лишь понты или 90% капитализации известного Брэнда. В стоимости качественного изделия должна быть заложена стоимость комплектующих, стоимость интеллектуальная и реальные трудозатраты, оцениваемые по нормачасам разработчика и его квалификации. Сбалансированная оценка перечисленных составляющих не может вывести стоимость любого лампового усилителя в область безумных чисел, расположенную выше 100 тысяч деревянных денег. Стоимости таких железок современного или винтажного аннонсирования (винтаж-старьё), позиционируемые от 500 тысяч рублей - это скотство. Именно указанные в тексте числа следует расценивать как индикатор пререхода за грань здравого смысла. Если такие деньги за подобные изделия готовы платить персоны, считающие себя элитой, то это их проблема. В России элита была давно и практически истреблена большевиками. То, что претендует на наименование "элита" сейчас - большей частью дерьмо. Зарубежная элита со специфическими фамилиями типа Рокфеллеры, Ротшильды, Варбурги и проч. это обыкновенные умные бандиты, сгруппированные в невидимую власть по финансовому и национальному признаку. Для меня они равны Меиру Лански и Лепке Бухальтеру, только легализованные. В связи с изложенным с персонами, компаниями и фамилиями, оперирующими подобными изделиями и суммами, больше указанных, в мирное время никаких дел иметь не нужно. В другое же время, например на этапе социальной революции, будет вполне разумно их выпотрошить.
Как доказать, что ламповые УМЗЧ более устойчивы к повреждениям по причине отклонения режимов?
Это можно обосновать элементарно. Иногда пытливому телезрителю достаточно взять в руки стеклянный баллон электронной лампы. Сразу станет понятным, что все междуэлектродные промежутки заполнены вовсе не кремнием. Вакуум между электродами. Внутри колбы нету молекул и атомов, нету газа, нету там проводящего вещества. А раз нету, то все промежутки между электродами обладают предельно возможной изоляцией. А управление потоком электронов осуществляется электрическим полем. Электрическое поле это вольты, отнесённые к метрам. Метры неизменны, поэтому регулирование напряжения на лампе - это регулирование тока через лампу. Применив жесткое ограничение напряжений на лампе, а также использовав автоматические средства контроля и удержания напряжений в заданных пределах можно оградить лампу от чрезмерного увеличения тока. Нету в лампе полупроводникового материала, следовательно нету неуправляемых реакций его проводимости, обусловленных перегревом материала. А кроме того, при сравнительно большом напряжении питания налицо довольно маленькие токи потребления. Следовательно внуреннее сопротивление источника питания довольно велико. Это значит, что даже в экстремальных режимах внутреннее сопротивление источника питания может служить реальным ограничением неуправляемого увеличения тока. А именно ток есть причина выхода из строя силовых элементов выходного каскада.
Почему информацию об идентичности режимных параметров Л-элементов из одной партии следует считать мифом?
Ответом на этот вопрос послужит утверждение, основанное на многолетнем опыте и значительном количестве времени, потраченного на поиск ответа. Именно это время в своей жизни умному человеку можно съэкономить и освободить для более интерезных и полезных занятий. Технология производства лампочек конвейерная. Но точность расстановки электродов и размещения внутренностей лампочек в значительной мере зависит от человеческих ручек. Как оказалось, внутри запечатанной коробки с лампочками довольно трудно найти идентичные экземпляры. По результатам перебора стеклянных баллонов из многих коробок можно с уверенностью заключить, что для лампочек разброс параметров несколько меньше, чем для транзисторов. По-видимому станки и оснастка конвейерного производства для ламп настроены не особенно хорошо, возможно они находятся в ветхом состоянии. Впрочем как и оборудование для нарезки кристаллов полупроводника. Результат практической многочасовой работы по подбору ламповых пар оказался в прямом смысле неудачным. Фраза по "лампы из одной партии" это обыкновенная маркетинговая фишка. Это рекламный слоган, предназначенный для обоснования повышения стоимости товара, продаваемого малоквалифицированной публике. Это скорее замануха для дилетантов. Совершенно ответственно утверждаю, что лампы из одной партии совдеп-экземпляров имеют сравнительно большой разброс параметров, например 50%. Однако он меньше чем у совдеп-транзисторов из одной партии, который реально может быть 500%. Факт в том, что параметры "обныковенных" транзисторов легко могут отличаться в 10 раз. Следовательно определяющим является фактор меры. Кто знает подробности про разницу между применением транзисторов и применением ламп, тот поймёт, на каких дебилов рассчитан этот рекламный слоган.
Измерения нескольких партий наиболее распространенных типов ламп показали, что разброс по токам анодов в 30-40% это норма. При этом очень разной оказывается крутизна и токи по второй сетке. Поэтому добиться идентичности параметров в рамках 10% из 30-40 ламп просто не реально. Даже если есть сотня штук однотипных стеклянных баллонов, то по соображениям здравого смысла нужно просто умерить аппетит и ограничить себя на уровне 20%. В большинстве случаев этого вполне достаточно. Слишком затратным окажется подход с приобретением сотни лампочек, чтобы выбрать две пары в 5-10 процентном диапазоне. И это если не ценить своего времени. В практическом перебирании кучи совдеп-ламп есть один очевидный плюс. Он заключается в возможности отбраковки до 10% ламп по причинам банальных неисправностей, обрыва цепей накала, разгерметизированных баллонов и банальной потери устойчивости. Еще до 10% ламп можно отбраковать по недопустимому уровню изоляции катод-накал. Зато оставшиеся лампы будут вполне в рамках доказательства тезиса о смелом их применении в конструкциях среднего уровня качества и энергоэффективности. Разброс параметров в 40% вполне пригоден для построения нормального лампового усилителя. Причём значительную часть кривизны в двухтактном усилителе удастся выправить при настройке и балансировке.
Вместе с тем, для клиентов с повышенным уровнем требовательности, условие сравнительно точного подбора ламп можно выполнить, увеличив количество привлечённых ресурсов и трудозатраты. Это вполне может послужить основанием для повышения ценника изделия при его продаже. Но здесь придётся сильно напрячь красноречие, вложиться в рекламу. Поэтому результирующий доход может оказаться весьма скромным, поскольку часть денег будет просто отдана сетевым коммерсантам. А стимулирование этой отрасли - большой грех.
Каким образом проблему подбора параметров выходных Л-элементов в ламповом усилителе можно обойти?
Довольно просто. Взвесить меру необходимости и отбросить понты. Везде необходимо побольше здравого смысла. Нужно просто снизить уровень требовательности. Это позволит использовать маломощные двухтактные усилители безо всякого подбора ламп, без опасений за режимы работы и без осбого ухудшения качества звука. Одним из радикальных решений служит сознательный переход к применению однотактных ламповых усилителей малой мощности. Для однотактных ЛУМЗЧ этой проблемы нету в принципе.
Почему приобретение подобранных пар Л-элементов для усилителя высокой верности воспроизведения следует считать более предпочтительным, нежели заниматься подбором самому?
Ответом на вопрос снова может послужить жизненный опыт. Результаты испытаний показали, что из коробки ламп (50-100 шт) можно за пару дней подобрать две три пары. Но сотню лампочек нужно вначале купить, да и прибор достать или изготовить не просто, даже одолжить, или взять в аренду. При дешевой покупке 100 ламп = 3000-5000 рублей. Нормальный прибор =9000-10000 рублей, плюс потраченное время. Можно попробовать сделать вывод: Если гарантированно подобранную пару удастся купить за 1000 деревянных денег, то это довольно выгодно. А вот покупка пары EL-34 из "импортного вакуума" за 10 тысяч деревянных денег меня уже останавливает. Дело в том, что отбить такие инвестиции в стекляшки в будущем довольно проблематично. Население этой богатой страны довольно бедное, покупательская способность не высока. Можно согласиться с юмористом, что Родина у нас замечательная, а вот государство - чудовищное. Опыт показывает, что накапливать складские запасы не особенно выгодно и довольно дорого. Поэтому каждый решает эту проблему самостоятельно. Могу лишь рекомендовать идти к цели коротким и прямым путём.
Ну и в завершение статьи несколько слов следует сказать про дураков. В первую очередь это касается любителей импортного вакуума, примеры которого показаны ниже. Уровень ценовых претензий производителей этого стекла рассчитан именно на дебилов. И печально, что дебилов таких на нашей земле ещё довольно много. В очередной раз повторю, что позолоченные буковки, напечатанные на стекле, не стоят таких денег как ниже написано, пусть даже деревянных рублей.
Если же деньги, что в карманах носите, вы просто украли, то тогда купить это говно вам можно. Только имейте ввиду, что в этом случае вы просто меняетесь местами, с тем, кого вы не так давно нахлобучили. В нашем случае откровенно и бесстыдно "имеют" вас. К слову сказать, добротные совдеповские экземпляры аналогичных ламп, вполне пригодных для работы лампового усилителя, стоят в 20-50 раз дешевле. Характеристики совдеп-ламп могут несколько отличаться, но результат их применения в нормально собранном и настроенном усилителе будет превосходным, а отличия в звучании никем и никогда не будут замечены, поскольку их нет :)))
Изложенные сведения - подарок, отдаю бесплатно, цените своё время, не тратьте напрасно свою жизнь. При прочтении текстов на этом сайте просто попробуйте понять, что время значительно дороже денег. Время утекает необратимо, а деньги в большинстве случаев это просто бумага. Реже - деньги дают возможность удовлетворить какую нибудь необходимость. Хуже - когда деньги становятся средством удовлетворения глупого честолюбия. Есть еще более плохие, злые примеры применения денег. А время не может быть лукавым или подлым.
Евгений Борник, Красноярск, Россия, май 2016