Jest to strona hobbystyczna, więc nie wykorzystuję ciasteczek zapisanych na Twoim komputerze.  Ale oczywiście w każdej chwili możesz je
wyłączyć w swojej przeglądarce.
 

        strona główna

                                   www.skarabo.net        

skarabo.net

audio - retro >> o lampach cz. 1.

audio-retro  >> o lampach elektronowych >  
I
o lampach cz. 1. I o lampach cz. 2. I o lampach cz. 3. I o lampach cz. 4. I o lampach cz. 5. I


Lampy elektronowe

Historia lamp wg Wikipedii:

(cytat)

  • W 1897 Joseph John Thomson zbadał oddziaływanie pola elektrycznego i magnetycznego na strumień elektronów. Jego prace doprowadziły do odkrycia elektronu i zostały nagrodzone Nagrodą Nobla z fizyki w 1906.
    W 1904 John Ambrose Fleming zbudował pierwszą lampę elektronową – diodę
  • Pierwszą lampę wzmacniającą triodę opracował w 1907 Lee De Forest
  • Irving Langmuir pracując dla General Electric w latach 1909 – 1916 udoskonalił znacznie technikę próżniową i wynalazł pompę dyfuzyjną, co umożliwiło osiąganie wysokiej próżni i poprawiło znacznie parametry lamp elektronowych. Langmuir opracował podstawy teorii lamp elektronowych, co miało duży wpływ na ich późniejszy rozwój.
  • W 1923 powstał w Caernarvon pierwszy lampowy nadajnik radiowy dużej mocy; zawierał 48 połączonych równolegle lamp o mocy 600 W każda
  • W trakcie I wojny światowej Walter Schottky zbudował w zakładach Siemens & Halske lampę z dwiema siatkami – tetrodę.
  • W 1923 i 1925 Vladimir Zworykin opatentował kineskop i ikonoskop. Były to pierwsze z jego serii patentów, które opisywały kompletne systemy telewizyjne poczynając od lamp analizujących, kończąc na odbiornikach telewizyjnych.
  • W 1927 Bernard D.H. Tellegen wynalazł lampę z trzema siatkami – pentodę.
  • Szacunkowa produkcja lamp elektronowych w 1945 roku wyniosła sto milionów sztuk.

W Polsce

  • Pierwsza informacja o produkcji lamp w Polsce (rozpoczętej 1 grudnia 1921) dotyczy warszawskiej firmy Radjopol..
  • Polskie Towarzystwo Radiotechniczne rozpoczęło w 1923 licencyjną produkcję siedmiu typów lamp odbiorczych i jednego typu nadawczego
  • W 1928 rozpoczęły produkcję odbiorczych lamp elektronowych Polskie Zakłady Philips, polski oddział firmy Marconi produkował lampy nadawcze od roku 1934, a Zjednoczone Fabryki Żarówek Tungsram rozpoczęły produkcję lamp elektronowych w 1937. W latach 1935-1939 roczna produkcja lamp elektronowych w Polsce przekraczała pół miliona sztuk.
  • W roku 1946 utworzono Państwową Wytwórnię Lamp Elektronowych w Dzierżoniowie.
  • W 1947 zakupiono w firmie Philips licencje na wytwarzanie nowoczesnych lamp odbiorczych i w latach 1948-1949 dzierżoniowską fabrykę przeniesiono do Warszawy. Wraz z częściowo ocalałymi dawnymi zakładami Tungsram weszła ona w skład Zakładów Wytwórczych Lamp Elektrycznych im. Róży Luksemburg (ZWLE). W 1951 osiągnięto poziom produkcji lamp odbiorczych z roku 1939.
  • W 1956 powołano w Warszawie Przemysłowy Instytut Elektroniki (PIE), w którym opracowywano procesy technologiczne i produkowano różnorakie lampy specjalne. Instytut utworzył wiele oddziałów filialnych, z których część się później usamodzielniła.
  • W 1957 w Piasecznie powstały Zakłady Elektronowe LAMINA, produkujące między innymi elektronowe lampy nadawcze i mikrofalowe. W latach 90 w wyniku podziału i przekształceń własnościowych powstały istniejące do dziś zakłady Thales Lamina (produkuje lampy nadawcze) i Z.E. Lamina S.A. (produkuje lampy mikrofalowe)
  • W 1961 uruchomiony został we Wrocławiu Zakład Doświadczalny Przemysłowego Instytutu Elektroniki, w którym produkowano m.in. lampy elektronowe; w 1965 zakład usamodzielnił się i zmienił nazwę na Doświadczalny Zakład Lamp Elektronowych "Dolam"; w 1977 firma zmieniła nazwę na Centrum Naukowo-Produkcyjne Podzespołów i Urządzeń Elektronicznych "Unitra-Dolam" i w 1999 na Przedsiębiorstwo Produkcyjne Podzespołów Elektronicznych "Unitra-Dolam" S.A.; zakład ten, od 2005 roku pod nazwą Przedsiębiorstwo Produkcyjne Podzespołów Elektronicznych "Dolam" S.A., istnieje do dziś i produkuje m.in. lampy mikrofalowe. (...)

Pewnego razu w Ameryce...

Kiedy w 1907 roku, Amerykanin Lee de Forest opatentował  lampę elektronową, triodę, a następnie rozpoczął regularne nadawanie programu radiowego, rozpoczęła się era burzliwego rozwoju elektroniki. Trioda, lampa o trzech elektrodach była pierwszym elementem wzmacniającym prąd elektryczny. Szybko znalazła zastosowanie w technice tak cywilnej jak i wojskowej. Nastała era łączności radiowej. Lampy królowały do lat siedemdziesiątych, kiedy to wyparł je wynaleziony w latach 1948-49 tranzystor (tranzystor  ostrzowy wynaleziony został przez Bardeena i W. H. Brattaina w 1948 r.,  a przez W. Shockley'a w  1949 r.  tranzystor warstwowy ). Przez wiele lat były zapomniane, bo wydawało się że tranzystory i układy scalone, a później technika cyfrowa wyprze je zupełnie. Ale okazało się że lampy mają też swoje zalety. Co bardziej osłuchani melomani z rozczarowaniem stwierdzali, że dźwięk z urządzeń tranzystorowych też jest daleki od ideału. Narzekali na suchość i metaliczność dźwięku, brak tej szczególnej atmosfery i wykończenia. Lampy mimo że wprowadzają więcej zakłóceń,  mają z reguły słabszy bas,  są mniej trwałe i kłopotliwe w użyciu  - mają niezaprzeczalną zaletę: potrafią "wyczarować" wspaniałą atmosferę, a gorąca i sugestywna średnica zadowala najbardziej wybrednego  konesera kobiecego wokalu. Oczywiście takie wspaniałe efekty uzyskamy ze wzmacniacza z najwyższej półki. Faktem też jest, że najdroższe wzmacniacze kosztują więcej niż luksusowy samochód. Ale i tańszy  wzmacniacz ukaże nam swoje niezaprzeczalne zalety.  Słuchając go możemy być pewni, że muzyka dostarczy nam wiele przyjemności. Renesans lamp znalazł swoje odzwierciedlenie w produkcji wzmacniaczy tak czysto lampowych, jak o hybryd lampowo-tranzystorowych, gdzie lampy pełnią rolę przedwzmacniacza. Ciekawostką jest, że niektóre firmy stosują lampy w przetwornikach cyfrowo-analogowych przetwarzających strumień bitów z odtwarzacza CD na sygnał analogowy.

Krótko o budowie.
Lampa elektronowa składa się ze szczelnego naczynia (najczęściej szklanego, czasem stalowego) z umieszczonymi w niej elektrodami. Z wnętrza wypompowano powietrze, dlatego nazywa się je lampami próżniowymi. W lampie elektronowej znajdują się przynajmniej dwie elektrody - anoda i katoda, pomiędzy nimi mogą przepływać swobodne elektrony. Źródłem swobodnych elektronów jest katoda. Jeżeli katoda jest podgrzewana (pośrednio lub bezpośrednio) to elektrony są emitowane na wskutek zjawiska zwanego termoemisją. Natomiast lampy z zimną katodą emitują elektrony  dzięki specjalnym materiałom (np. cez) wrażliwym na światło czy pole elektryczne.
W zależności od liczby elektrod lampy dzielimy na diody (2 elektrody), triody (3 elektrody), tetrody (4 elektrody), pentody (5 elektrod), heksody itd. W lampach o dużej mocy (powyżej 1 kW) lampy są chłodzone wodą lub powietrzem. W każdej lampie próżniowej oprócz elektrod znajduje się mała płytka z pochłaniaczem gazów (getterem). Zadaniem pochłaniacza jest poprawienie próżni przez chemiczne lub fizyczne wchłanianie resztek gazów. W lampach małej mocy pochłaniaczem jest bar, napylony na wewnętrzną ściankę bańki. Warstwa baru tworzy charakterystyczną lustrzaną plamę na ściance. Dolna część bańki zakończona jest cokołem zawierającym wyprowadzenie elektrod lampy i grzejnika. 

Dwa zdania na temat zastosowania.
Lampy są stosowane w układach prostowniczych (diody), w układach wzmacniających (triody, pentody), oraz w układach generacyjnych do wytwarzania drgań o różnych częstotliwościach. Lampy są również stosowania do przetwarzania sygnałów świetlnych na elektryczne (fotokomórki)  i elektrycznych na świetlne (chyba wszyscy znamy - lampy kineskopowe w (starych) telewizorach, monitorach komputerowych CRT czy oscyloskopach analogowych).

Diody, triody... 

Dioda.

rys. 1

Została wynaleziona w Anglii w 1904 roku przez Johna A. Fleminga. On też pierwszy skonstruował prostownik z użyciem diody próżniowej.  Jest lampą próżniową dwuelektrodową - ma katodę (K) i anodę (A) (rys.1). Katoda jest podgrzewana dodatkowym grzejnikiem (lub sam grzejnik jest katodą). Gdy żarzenie katody jest wyłączone, to dioda jest izolatorem. Między katodą a anodą jest próżnia, przez którą nie przepływa prąd. Jeżeli przez grzejnik  przepływa prąd, katoda także się rozgrzewa i następuje termoemisja elektronów
Ciekawostką jest fakt, iż Thomas Alva Edison podczas prac nad swoją żarówką (koniec lat 70 XIX wieku) zauważył zjawisko termoemisji lecz nie potrafił tego praktycznie zastosować. 
Katoda (K) jest otoczona chmurą elektronów wyrzuconych z katody w wyniku termoemisji, które, jeżeli do anody (A) przyłączymy napięcie, to w zależności od jego bieguna będą przyciągane do niej  lub odpychane. Dodatnie napięcie na anodzie powoduje przyciąganie elektronów i w konsekwencji przepływ prądu pomiędzy katodą a anodą, a ujemne blokuje ich przepływ. Wartość prądu zależy od wartości napięcia na anodzie i od wydajności prądowej katody. Wydajność prądowa diody nie jest zbyt duża (w porównaniu do półprzewodników), rzędu dziesiątek, czy setek miliamper w zależności od typu lampy.
 Z uwagi na jednokierunkowe przewodzenie prądu, diody są wykorzystywane w układach prostowniczych do zamiany prądu zmiennego na stały. 

Istnieje wiele typów diod lampowych o różnych zastosowaniach, ale w układach audio stosuje się diody do prostowania napięcia anodowego, do zasilania lamp wzmacniacza (dioda prostownicza).

Konstrukcyjnie można podzielić lampowe diody prostownicze na dwa typy: z jedną anodą w bańce lampy  lub dwiema anodami (duodioda).
Dioda obecnie nie jest powszechnie stosowana, chociaż są producenci, którzy stosują ją nawet w wysokiej klasy wzmacniaczach lampowych. 
Najczęściej zastępowana jest półprzewodnikowymi diodami prostowniczymi, które są o wiele sprawniejsze i mniej kłopotliwe w użyciu.

Na zdjęciu z prawej - duodiody prostownicze. Z tyłu, to rosyjska 5C3S z cokołem oktalowym, bliżej AZ1 z cokołem bocznostykowym. Stojąca to EZ81 z cokołem novalowym.


Trioda.

 rys. 2


Konstrukcja triod różni się od diody wprowadzeniem między anodę i katodę trzeciej elektrody, zwanej siatką sterującą (S) (rys 2). 
W większości triod siatka sterująca (S) ma postać spirali otaczającej katodę. Dzięki zastosowaniu siatki prąd anody zależy nie tylko od napięcia anody, ale i od napięcia siatki. Zazwyczaj siatka ma niewielki potencjał ujemny (kilka-kilkadziesiąt woltów) względem katody, natomiast anoda ma wysoki potencjał dodatni (kilkadziesiąt, kilkaset a nawet kilka tysięcy woltów) względem katody. Siatka działa odpychająco na chmurę elektronów, otaczających katodę. Jednakże przyciągające pole elektryczne anody przenika przez zwoje siatki i wyciąga elektrony. Prąd anody zależy więc od gęstości nawinięcia siatki, od napięcia siatki i napięcia anody. Jest tym większy, im bliższe zeru jest ujemne napięcie siatki, im wyższe jest napięcie anody oraz im rzadsza jest siatka.


W triodzie małe zmiany napięcia siatki powodują duże zmiany prądu anodowego. I ta właściwość triody wykorzystywana jest do budowy wzmacniaczy.|

 Charakterystyka triody.
 Podstawową charakterystyką opisującą działanie triody jest  charakterystyka (statyczna, czyli bez obciążenia) anodowo - siatkowa (rysunek 2, powyżej) Pokazuje nam ona jak zmienia się prąd anody (Ia) przy zmianie napięcia siatki (Us) przy stałym napięciu anody. Jak widzimy jest to krzywa która wznosi się bardziej lub mniej stromo (zależy to od lampy) by po przekroczeniu napięcia siatki "zero", nieznacznie wznieść się, a potem opadać. Co możemy odczytać z tej charakterystyki? Otóż widzimy, że przy pewnym, charakterystycznym dla danej lampy, ujemnym napięciu siatki prąd anody wynosi 0 (punkt  A na krzywej). Związane jest to z hamującym działaniem siatki, która wtedy w pełni kompensuje oddziaływanie anody. Punkt ten nazywamy zatkaniem. Od punktu A do punktu B krzywa wznosi się łagodnie. Pomiędzy punktami B i C charakterystyka tworzy (prawie) prostą. Jest to tzw. liniowy odcinek charakterystyki, najczęściej wykorzystywany jako roboczy odcinek pracy wzmacniacza. Punkt D to obszar nasycenia, a opadający odcinek DE związany jest z szybkim wzrostem prądu siatki (Is), która "podkrada" elektrony pędzące do anody. Dla każdej lampy ustala się kilka charakterystyk, dla różnych napięć siatki.
Jak wspomniałem roboczym odcinkiem triody jest prostoliniowy odcinek BC.  Trioda (wzmacniacz) pracuje wtedy w klasie A. Mamy wtedy najmniejsze zniekształcenia ale i małą sprawność wzmacniacza. 

Zdjęcie z prawej - novalowe (9-nóżkowe), podwójne triody małej mocy, różnych typów i producentów. 

Charakterystyki rodzinne.
Działanie triody opisują dwie charakterystyki: siatkowa i anodowa. Charakterystyka siatkowa została opisana wyżej. Natomiast charakterystyka anodowa opisuje wpływ zmian napięcia anody (Ua) na prąd anody (Ia) mierzony przy stałym napięciu siatki (Us). Są to ważne charakterystyki, ponieważ pozwolą nam one ustalić punkt pracy wzmacniacza i dopuszczalną moc strat, której nie powinna przekroczyć lampa podczas pracy. Ponadto na podstawie charakterystyki lampy możemy ustalić wiele ważnych parametrów lampy. Dla lampy wyznacza się nie jedną charakterystykę, lecz całą rodzinę  charakterystyk tak anodowych jak i siatkowych. Na rysunkach charakterystyki (tutaj przybliżone, dokładne w katalogach lamp) podwójnej triody ECC88).

Co nam mówią charakterystyki?
 Pierwsza z lewej, siatkowa pokazuje jak zmienia się natężenie prądu anodowego (Ia) w zależności od zmian napięcia siatki (Us) dla kilku wybranych napięć anody (w tym wypadku dla 5 napięć: 60 V, 90 V itd.)  Prostoliniowa część charakterystyki jest najczęściej wykorzystywana w pracy triody jako wzmacniacza. Wstępna polaryzacja siatki (punkt P)  dla napięcia anody 60V, została ustawiona na  ok. -1V, tak że znajduje się mniej więcej w połowie prostego odcinka charakterystyki. Przez anodę płynie wtedy prąd o wartości  ok. 10 mA (przykładowo). Jeżeli zastosujemy inne napięcia zasilania anody, wstępną polaryzację siatki możemy łatwo ustalić poprzez odczytanie wykresu (np. przykładając linijkę na wykres). Polaryzację siatki ustalamy za pomocą rezystora katodowego i upływowego siatki (patrz niżej). Są to charakterystyki statyczne, czyli dla samej lampy, bez obciążenia. Jeżeli lampa pracuje w układzie, punkt pracy ustala się inaczej.

Charakterystyka anodowa, odwrotnie, mówi nam jak będzie zmieniał się prąd anody gdy będziemy zmieniać napięcie na anodzie, przy stałej wartości napięcia siatki. Hiperbola (czerwona krzywa) mocy admisyjnej (Pa) wskazuje nam jaką bezpieczną moc możemy uzyskać przy danym napięciu anody. Wartości prądu leżące powyżej hiperboli są zabronione - prowadzą do szybkiego zużycia lampy. I tak np. dla napięcia 100V wartość prądu powyżej15 mA powoduje przekroczenie dopuszczalnej mocy (1.5 W dla ECC88). Policzmy: P = U * I = 100V * 0.015A = 1.5W.

Pojemności triody.
W triodzie występują trzy pojemności międzyelektrodowe: pojemność siatka-katoda Csk, pojemność anoda-katoda Cak i pojemność anoda-siatka Cas. Pojemności międzyelektrodowe są jednym z czynników które decydują o granicznej górnej częstotliwości, na jakiej może pracować układ z triodą. Najbardziej szkodliwa jest pojemność Cas, ponieważ stanowi ona niepożądane pojemnościowe sprzężenie między obwodami siatkowym i anodowym, czasami prowadzące do sprzężeń (wzbudzeń). Wzmacniacz staje się wtedy generatorem. Pojemności te podane są w danych technicznych lamp.

Zdjęcie po prawej  - rosyjska, podwójna trioda większej mocy 6N13S (6H13C), pierwotnie stosowana w stabilizatorach napięcia, obecnie chętnie stosowana we wzmacniaczach audio. 

Podstawowe parametry triody.

 1. Nachylenie charakterystyki prądu anodowego Sa (transkonduktancja, w literaturze anglojęzycznej spotyka się oznaczenie "S") - rysunek z lewej - jest ważnym parametrem, wskazuje  bowiem o ile miliamperów zmienia się prąd anodowy przy zmianie napięcia siatkowego o 1 Volt, przy stałym napięciu na anodzie. Patrząc na charakterystykę siatkową na pierwszy rzut oka możemy zorientować się o jej wartości. Jeżeli krzywe wznoszą się "stromo" transkonduktancja jest wysoka. Jeżeli wznoszą się łagodniej - mała. Trioda o dużym nachyleniu charakterystyki jest bardziej "czuła", bowiem małe zmiany napięcia  na siatce powodują duże zmiany prądu anodowego. Nachylenie opisujemy wzorem: Sa = DIa/DUs (mA/V) dla Ua = const  (grecka litera D - delta - oznacza przyrost jakiejś wartości). Lampa ECC88 ma duże nachylenie, wynosi ono 12,5 mA/V.

2. Rezystancja wewnętrzna (dynamiczna) oznaczana grecką literą r (ro), lub Ri. Pamiętamy prawo Ohma? Rezystancja (opór) jest to stosunek napięcia do prądu płynącego przez przewodnik. R = U/I. Podobnie jest z rezystancją lampy. Opór wewnętrzny lampy jest to stosunek przyrostu napięcia anody do przyrostu prądu anodowego, przy stałym napięciu siatki. ra=DUa/DIa (kiloomy). Jeżeli napięcie na siatce zmienia się, to i rezystancja lampy jest inna (stąd rezystancja dynamiczna). Rezystancja wewnętrzna maleje ze wzrostem prądu anody. Dlatego producenci lamp podają ją dla jednej lub dwóch, najczęściej używanych napięć anody i siatki.

3. Współczynnik amplifikacji
(wzmocnienia) Ka (m) wskazuje, ile razy silniej działa na prąd anodowy zmiana na napięcia na siatce, niż tak sama zmiana napięcia anodowego. Ka = DUa/DUs przy Ia =const. Współczynnik wzmocnienia można także obliczyć znając rezystancję wewnętrzną i nachylenie charakterystyki bowiem Ka = ra*Sa. Jak widzimy Ka jest tym większy, im większe jest nachylenie charakterystyki, i im większa jest rezystancja wewnętrzna. Współczynnik Ka lampy ECC88 wynosi 33, przy rezystancji wewn.2,64 kiloomów. Pośród triod małej mocy rekordowy współczynnik wzmocnienia ma lampa ECC83, wynosi on Ka = 100, przy rezystancji wewnętrznej 62.5 kiloomów. Osiągnięcie wyższych wartości jest niemożliwe, ponieważ w triodzie pole elektryczne anody oddziałuje na pole siatki i prąd anody silnie zależy od napięcia anody (zerknij na charakterystykę anodową). Wady tej nie ma pentoda. Tutaj współczynnik Ka = 6000 przy rezystancji wewnętrznej 0.5 Momów, nie jest niczym szczególnym. Istnieje jeszcze parametr, który nazywa się przechwytem (Da), będący odwrotnością współczynnika amplifikacji. Da = 1/Ka = DUa/DUa, dla Ia = const.

4. Moc admisyjna oznaczana przez Pa. Jest to moc dopuszczalna, jaka może być tracona w anodzie lampy. Po przekroczeniu wartości mocy admisyjnej anoda rozgrzewa się za bardzo i lampa ulega zniszczeniu. Dla każdej lampy producenci podają moc admisyjną, której nie możemy przekraczać. Oblicza się ją ze wzoru Pa = Ua*Ia (znamy to z lekcji fizyki). Zwróćmy uwagę na czerwona hiperbolę na charakterystyce anodowej powyżej. Dopuszczalne natężenie prądu anody Ia, dla danego napięcia anody obliczamy ze wzoru Ia = Pa/Ua, gdzie Pa to moc admisyjna podana przez producenta. Natężenie to powinno być takie, by moc obliczona przez nas znajdowała się polu poniżej hiperboli.

Równanie triody
Istnieje ścisła współzależność trzech parametrów lampy: wzmocnienia, nachylenia charakterystyki i oporu wewnętrznego. Zależność ta ujęta jest wzorem: 
Ka = ra*Sa.  Jest to tzw. równanie różniczkowe (wewnętrzne) lampy trójelektrodowej. 

Równanie triody ma także zastosowanie do dwóch triod połączonych równolegle. Jakie ma to konsekwencje w praktyce?
Otóż, wzmocnienie stopnia  Ka nie zmienia się, natomiast opór wewnętrzny ra maleje o połowę. By równanie było prawdziwe, drugi parametr powinien wzrosnąć dwukrotnie. Jest nim w naszym równaniu nachylenie charakterystyki Sa, i tak w rzeczywistości jest.
Ma to praktyczne zastosowanie - otrzymujemy korzystne obniżenie oporu wewnętrznego takiego zespołu dwóch triod i dwukrotne podniesienie nachylenia. Wraz ze zwiększeniem nachylenia może pojawić się problem, bowiem jeżeli użyjemy lampy o pierwotnym, dużym nachyleniu charakterystyki, połączone równolegle będą miały skłonność do wzbudzania się. Można próbować z tym walczyć zwiększając wartość rezystorów antyparazytowych (grid stopperów), ale w skrajnych przypadkach musimy zrezygnować z tak czułych lamp i zastosować te, o mniejszym nachyleniu charakterystyki.
Z praktyki wiem, że takie problemy w niektórych układach sprawiają popularne ECC88 (i ich odpowiedniki), które mają nachylenie ok.12,5 mA/V dla jednej triody, co po połączeniu równoległym da wynik 25 mA/V. 


Triody we wzmacniaczach.

Wzmacniacze lampowe w istotny sposób różnią się do wzmacniaczy tranzystorowych. Mają dużą impedancję wejściową (jest to zaleta, bo nie obciążają źródła) i wyjściową (to już gorzej). Wzmacniacze lampowe są sterowane napięciem, natomiast we wzmacniaczach tranzystorowych potrzebna jest moc dla sygnału wejściowego (czyli, źródło powinno dawać napięcie i prąd). Wyjątek stanowią tranzystory unipolarne które są sterowane napięciem. We wzmacniaczu lampowym amplituda sygnałów jest duża a napięcie  zasilania jest bardzo duże  (czasem ponad 1000V!).
Wzmacniacz tak lampowy jak i tranzystorowy może pracować w trzech podstawowych układach: ze wspólną katodą (dla tranzystora - wspólnym emiterem), wspólną siatką (wspólną bazą) i wspólną anodą ( wspólnym kolektorem).

UkładyWspólna katoda (WK)Wspólna siatka (WS)Wspólna anoda (WA)
Schemat
Wsp. wzmocnienia napięciowego
Ku = Uwy/Uwe (m)
duży 
-m
duży
m+1
~1 (m/1+m)
Wsp. wzmocnienia. prądowego
Ki = Iwy/Iwe
duży~1duży
Impedancja wejściowa Zwedużamała
m razy mn. niż WK
bardzo duża
(m razy niż WK)
Impedancja wyjściowa Zwydużab. dużamała
Faza sygnałuodwróconazgodnazgodna
Częstotliwość granicznaśredniabardzo dużaduża

Układ ze Wspólną Katodą.

Jest to najczęściej stosowany układ. Duże wzmocnienie napięciowe i duża impedancja wejściowa powodują że spotykamy go praktycznie w każdym stopniu wejściowym, w przedwzmacniaczach i wzmacniaczach małej mocy. Do niego odnoszą się charakterystyki - siatkowa i anodowa - w przypadku pracy bez sygnału (statyczne). Do pracy z sygnałem zmiennym wykreśla się charakterystyki dynamiczne.
 Na rysunku  przedstawiono układ wzmacniacza - stopnia wejścia. Sygnał zmienny podawany jest przez  kondensator C1 podawany jest na siatkę triody. Dla zapewnienia poprawnej pracy wzmacniacza siatka sterująca powinna być spolaryzowana ujemnym napięciem stałym. Polaryzacja powoduje że zawsze przez lampę (i tym samym rezystory R2 i R3) płynie jakiś prąd. Przy stałym napięciu anody będzie on zależał od napięcia polaryzującego siatkę. Najczęściej polaryzacja siatki sterującej jest realizowana za pomocą rezystorów R2 i R1 - jest to tzw. minus automatyczny (cathode bias). Cechuje się on dobrą stabilizacją napięcia siatki, w znacznym stopniu niezależną od zmian warunków zasilania czy starzenia się lamp. W układach wzmacniacza mocy często stosuje się polaryzację siatki stałą, ze względu na większą, możliwą do  uzyskania  moc z triody.  (zobacz poniżej - "Polaryzacja siatki")
Kondensator elektrolityczny C2 o pojemności 20-50 mikroF zwiera prąd zmienny do masy. Użycie tego kondensatora ma wpływ na pracę układu - kondensator ZWIĘKSZA współczynnik wzmocnienia, natomiast ZMNIEJSZA pasmo przenoszenia. Jeżeli usuniemy go, powstanie lokalne sprzężenie zwrotne, które poszerzy pasmo przenoszenia, zmniejszy ilość zniekształceń, lecz zmniejszy wzmocnienie. Wybór opcji zależy od konstruktora.
Sygnał małej częstotliwości po dotarciu do siatki, moduluje napięcie siatki i tym samym  zmienia się prąd anodowy. Na rezystorze obciążeniowym R3 otrzymujemy wzmocniony, modulowany sygnał.  Sygnał na wyjściu wzmacniacza (na anodzie) jest przesunięty w fazie o 1800 w stosunku do sygnału wejściowego. Sterowanie siatkowe jest sterowaniem napięciowym, dlatego w obwodzie siatki sterującej nie płynie prąd sygnału małej częstotliwości
Jest to podstawowy układ pracy triody.
Wzmacniacze, których obciążeniem jest rezystor, nazywa się wzmacniaczami oporowymi.

Podstawowe parametry układu WK dla 5 popularnych triod małej mocy, obliczone programem ECClab7. R1=470 kom, C2 = 50uF
ECC83
Ka lampy: 100 V/V,
Rwew lampy: 62,5 kom

Wzmocnienie układu: 57 V/V
Oporność wyjściowa: 35 kom
Pasmo przen. (-3dB) 1,4Hz - 67 kHz

Gdy: R2 - 1,5 k, R3 - 100 k

ECC81
Ka lampy: 60 V/V,
Rwew lampy: 11 kom

Wzmocnienie układu: 48 V/V
Oporność wyjściowa: 9 kom
Pasmo przen.(-3dB) 1,5Hz - 220 kHz

Gdy R2 = 1 k, R3 = 47 k

ECC82
Ka
lampy: 17 V/V,
Rwew lampy: 7,7 kom

Wzmocnienie układu: 14 V/V
Oporność wyjściowa: 6,5 kom
Pasmo przen. (-3dB) 1,5Hz - 900 kHz

Gdy R2 = 1k, R3 = 47 k

6N8S (6SN7)
Ka lampy: 20,5 V/V
Rwew lampy: 7,7 kom

Wzmocnienie układu: 17 V/V
Oporność wyjściowa: 6,5 kom
Pasmo przen. (-3dB) 1,5Hz - 280 kHz

Gdy: R2 = 1k, R3 = 47k

ECC88, E88CC
Ka
lampy: 33 V/V,
Rwew lampy: 2,6 kom

Wzmocnienie układu: 29 V/V
Oporność wyjściowa: 2,3 kom
Pasmo przen. (-3dB) 1,5Hz - 1500 kHz

Gdy: R2 = 0,5k, R3 = 20 k


Polaryzacja siatki

By lampa zgodnie z założeniami przewodziła prąd o odpowiedniej wartości, jej siatka sterująca musi być spolaryzowana ujemnie (najczęściej). Wartość tego napięcia zależeć będzie od rodzaju lampy i warunków w jakich lampa ma pracować (np. napięcia zasilania). Praktycznie spotyka się dwa sposoby polaryzacji siatki:
- polaryzacja stała (fixed bias),
- polaryzacja automatyczna (cathode bias, self-bias)

Polaryzacja stała
 (fixed bias)

Najprostszym sposobem polaryzację stałą można uzyskać włączając pomiędzy siatkę a masę układu odpowiednią ilość ogniw stałych. Ze zrozumiałych względów nie praktykuje się tego. W praktyce właściwą, ujemną wartość polaryzacji uzyskuje się z oddzielnego uzwojenia transformatora zasilającego i prostownika. 
Zalety takiej polaryzacji to:
- możliwość  uzyskania dokładnej i odpowiednio niskiej wartości napięcia ujemnego bowiem niektóre lampy, szczególnie w stopniach mocy, wymagają napięcia siatki nawet do -200 V,
-  w układach z triodą w stopniu mocy, większa jest (czasem dwukrotnie) sprawność wzmacniacza w porównaniu do polaryzacji automatycznej, ze względu na brak strat mocy na rezystorze katodowym, którego w tym układzie po prostu nie ma. 
Dodatkową zaletą jest brak kondensatora elektrolitycznego blokującego rezystor katodowy (jak w układzie auto bias), który zawsze wnosi jakieś przesunięcia fazowe sygnału, dlatego użycie go w torze audio traktuje się jak zło konieczne.
W trybie automatycznej polaryzacji siatki, by uzyskać wysokie ujemne napięcie siatki niezbędne do wysterowania triody w stopniu mocy, rezystor katodowy musi mieć dużą wartość, a tym samym tracona jest na nim duża moc (zob. temat poniżej
"Polaryzacja automatyczna"). Stąd  lepszym rozwiązaniem jest użycie polaryzacji stałej.

W stopniach małej mocy (np. przedwzmacniacze, inwertery itp.) stałą polaryzację siatki uzyskuje się nie z zewnętrznego źródła (zasilacza), ale pobierając napięcie z poprzedniego stopnia (jak w przykładzie nieco niżej - temat "Bez polaryzacji?"), lub uzyskując ją z dzielnika rezystorowego.

Producenci lamp, w kartach katalogowych lamp mocy, często podają moc wyjściową lampy (wzmacniacza) z podziałem na układ z polaryzacją stałą i automatyczną. I tak, w przypadku układu z triodą, moc wyjściowa (power output) jest przykładowo o 50% wyższa od mocy w układzie z polaryzacją automatyczną. W przypadku pentod i tetrod różnice są znacznie mniejsze. Zobaczcie na karty katalogowe lamp mocy, np.  triody 2A3 czy tetrody, np 6L6, by się o tym przekonać.
Karty katalogowe setek lamp różnych producentów są podane  na stronie  Franka Philipse'a: http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/frank/index.html (polski mirror)

Wadą polaryzacji stałej, oprócz nieco większych kosztów, jest skłonność do wystąpienia dryftu prądu anodowego lampy związanego ze starzeniem się lamp czy tp., co prowadzi do niestabilności punktu pracy. Tak więc, takie układy wymagają okresowej kontroli i regulacji napięcia.

Polaryzacja automatyczna (self-bias, cathode bias, autobias)

Częściej spotykanym rozwiązaniem jest polaryzacja automatyczna. Spotyka się ją tak w lampach przedwzmacniacza jak i w stopniach mocy, tak we wzmacniaczach single ended jak i push pull. 
Jak to działa? Zobaczmy na rysunek obok:
Napięcie zasilające, +Uz, podawane jest na anodę lampy. Płynący  prąd anodowy Ia, od plusa (umownie) zasilania wywołuje spadki napięcia na trzech elementach obwodu: na rezystorze R3, na rezystancji lampy (RL) i na rezystorze katodowym R2. Spadki napięć te zależne będą wyłącznie od wartości rezystancji poszczególnych elementów obwodu anodowego, z tego  względu, że prąd płynący przez te elementy jest jednakowy. Spadek napięcia na rezystorze katodowym R2 powoduje, że katoda ma napięcie dodatnie (+UR2) w stosunku do masy. Z tego wynika, że masa ma napięcie niższe niż katoda - czyli jeszcze inaczej, masa ma napięcie (bardziej) ujemne w stosunku do katody
Jedno już ustaliliśmy - masa ma wprawdzie potencjał 0 (zero), ale liczony względem "samej siebie", natomiast liczony względem katody - ma potencjał niższy, czyli napięcie jest ujemne.  Punkt odniesienia możemy bowiem sobie dowolnie ustalać i mierzyć względem niego potencjały - umownie przyjęto że masa ma potencjał zero.
Pozostaje do wyjaśnienia rola rezystora R1. Jak wspomniałem kilkanaście wierszy powyżej ("Układ ze wspólną katodą"), w obwodzie siatki nie płynie prąd (no, prawie). Siatka jest sterowana tylko napięciem. 
Jeżeli w jakimś obwodzie nie płynie prąd, to dowolne  punkty połączone  rezystorem (o dowolnie dużej wartości) mają takie same potencjały (nie płynie prąd, więc nie ma spadku napięcia na rezystorze). Z tego wynika, że jeżeli siatkę połączymy rezystorem o dużej nawet wartości z masą układu, to jej potencjał będzie wynosił zero. Jak wiemy, potencjał zero jest bardziej ujemny względem katody lampy o wartość UR2, więc jest tak, jakbyśmy siatkę zasilali napięciem ujemnym -UR2. Proste? 
Zalety:
- prostota i taniość układu,
- dobra stabilizacja napięcia siatki. Gdy z jakiegoś powodu (np. zmiana napięcia anodowego, starzenie się lampy) prąd anodowy ulegnie zwiększeniu, to spadek napięcia na rezystorze katodowym zwiększy się, (i tym samym na siatce), co spowoduje ograniczenie prądu anodowego - i odwrotnie. Jak widzimy daje to efekt stabilizacji - sprawdź na charakterystyce siatkowej tę zależność (powyżej). 
Wady:
- strata mocy na rezystorze katodowym. Nie jest to dokuczliwe w lampach małej mocy, natomiast lampy mocy mają duży prąd anodowy i z reguły wymagają dużych, ujemnych napięć siatki (triody), co powoduje znaczne straty na tych rezystorach - czasem kilkadziesiąt wat.
- zmienne napięcie (wzmacniany sygnał użyteczny) jest osłabiane na rezystorze katodowym, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia stopnia. Z tych powodów R2 musi być zablokowany kondensatorem o dość dużej pojemności, by przenosić bez strat niskie częstotliwości (zob. rysunek powyżej "Układ ze wspólną katodą"). Każdy kondensator, a elektrolityczny w szczególności, w torze sygnałowym jest złem koniecznym ze względu na przesunięcia fazowe i zniekształcenia sygnału. 

Rezystor R1 ma zwykle wartość od 100 k do1 M. Mniejsza wartość będzie obciążać źródło sygnału, zbyt duża powoduje, że będą słyszalne szumy termiczne rezystora. 
Rezystor katodowy R2 ma wartość od kilkudziesięciu omów do kilku kiloomów. W lampach małej mocy ma małą moc, natomiast w lampach mocy, gdzie prądy są duże, jego moc może wynosić od kilku do nawet kilkudziesięciu wat.

Bez polaryzacji?

Na rysunku obok widzimy układ w którym brak jest rezystorów polaryzujących siatki lamp L1 i L2. Czy aby na pewno? Polaryzacja lampy L1 jest zapewniona przez  rezystor R2 i potencjometr P. 
A jak jest spolaryzowana siatka lampy L2?  Prosto - rezystor katodowy drugiej lampy (R4) ma dużo większą wartość  (np. 40 k) niż rezystor katodowy (R2) lampy pierwszej (np. 1 k), na tyle dużą by powstały na nim spadek napięcia był większy od sumy spadków napięć powstałych na rezystorze R2 i oporze wewnętrznym lampy L1. Na rysunku widzimy, że rezystor katodowy R2 daje spadek napięcia +4 V, a lampa L1 + 50 V, co na wyjściu (anodzie) tej lampy daje napięcie +54  V względem masy. Rezystor R4 ma taką wartość, że powstały na nim spadek napięcia jest większy niż na anodzie lampy L1 o 6 V (w tym wypadku jest to +60 V). Ponieważ siatka lampy L2 jest zasilana bezpośrednio z anody L1, różnica napięć pomiędzy katodą a siatką L2 wynosi -6 V (60-54=6 V), co właśnie spełnia wymagania zasilania ujemnym napięciem tego typu lamp.

 

Układ ze wspólną siatką. 



Układy ze wspólną siatką, charakteryzuje się niską impedancją wejściową i wysoką wyjściową. Kondensator C3 uziemia siatkę (dla prądów zmiennych). Uziemiona siatka izoluje anodę od katody, co uzasadnia do stosowania w układach wysokiej częstotliwości.  
Mimo ograniczeń (niska impedancja wejścia, wysoka wyjścia) układ ze wspólną siatką można spotkać także we wzmacniaczach małej częstotliwości jako odwracacz fazy lub w układzie zwanym katodyną. 

Rys. z prawej - układ z uziemioną siatką. Siatka spolaryzowana za pomocą rezystorów R3 i R4.



Układ ze wspólną anodą (wtórnik)

Układ ze wspólną anodą nazywany jest przekornie wtórnikiem katodowym. W układzie tym anoda jest dla składowych zmiennych zwarta poprzez źródło zasilania do masy. Współczynnik wzmocnienia wtórnika jest nieco mniejszy od jedności. Faza sygnału wyjściowego jest zgodna z fazą sygnału wejściowego. Impedancja wejściowa wtórnika jest duża, praktycznie równa R1. Rezystory R1 i R2, podobnie jak w poprzednim układzie,  służą do ustalania punktu pracy wtórnika (napięcia polaryzacji siatki). Aby poprawić pracę wtórnika  przy ujemnych impulsach stosuje się czasami przesunięcie punktu pracy w kierunku dodatnich napięć, poprzez np. włączenie rezystora pomiędzy siatkę a zasilanie anody. Natomiast impedancja wyjściowa jest bardzo mała i wynosi: Rwy = 1/Sa  (np. dla  lampy ECC88, która ma Sa = 12.5 mA/V, rezystancja wyjściowa wynosi 80 omów). W ten sposób wtórnik katodowy stanowi jak gdyby transformator impedancji z wysokiej na niską. Współczynnik wzmocnienia prądowego wtórnika jest bardzo duży. Ze względu na swoje właściwości wtórnik katodowy znalazł zastosowanie jako wzmacniacz wstępny, separator  i wzmacniacz mocy. 
Na rysunku brak kondensatora elektrolitycznego zwierającego R2, co świadczy o zastosowaniu lokalnego sprzężenia zwrotnego. Zastosowanie tego kondensatora da efekty jak w układzie ze wspólną katodą, ale wzmocnienie i tak nie będzie większe niż 1.

Trioda w stopniu mocy.

T
riody mogą pracować tak w stopniach przedwzmacniaczy jak i w stopniach mocy. Wprawdzie w stopniach mocy popularniejsze są tetrody i pentody, ale triodowe wzmacniacze  single ended czy przeciwsobne,  pracujące w czystej klasie A są chętnie nabywane nie tylko przez audiofilów. 
Ze względu na pracę na liniowej części charakterystyki, mimo niskiej sprawności takich układów, wzmacniacze takie oferują czysty dźwięk o niskich zniekształceniach. 

(Na rysunku - układ triody mocy, Single Ended, z obciążeniem transformatorowym. Siatka spolaryzowana automatycznie)



Wielka, mała czwórka czyli triody małej mocy.

Podwójne triody małej mocy serii ECC zdobyły dużą popularność w układach audio. Najbardziej znane to ECC 81, 82, 83. Ich odpowiednikami amerykańskimi są 12AT7, 12AU7, i 12AX7. Posiadają wersje specjalne, militarne, o różnych wyprowadzeniach, napięciach żarzenia i oznaczeniach. Wspólne są charakterystyki siatkowe i anodowe. 
ECC81. 
Mała szklana bańka, wyprowadzenia typu noval (9 nóżek). Napięcie żarzenia 6.3V lub 12.6V przy połączeniu szeregowym. Posiada wysoki współczynnik wzmocnienia (ok. 60), może być zastosowana jako wtórnik katodowy. Ma dość niski poziom szumów i lepiej niż ECC83 przenosi wysokie częstotliwości. Jest dość łatwa do wysterowania. Nie ma dobrej liniowości. Jej brzmienie jest jasne, czasem metaliczne, chociaż ciepłe. Zbliżony charakter posiada ECC85, która ma jednak inne wyprowadzenia.
Odpowiedniki to: 12AT7, B152, 6201, E81CC i inne.
ECC82.  
 Różni się od poprzedniczki innymi odległościami pomiędzy elektrodami i skokiem siatki, w celu uzyskania innej charakterystyki. Może pracować jako stopień sterujący (driver) o małej impedancji. W pojedynczym stopniu osiąga wzmocnienie ok. 17 razy. Dostarcza stosunkowo duży prąd przy niskim napięciu anodowym. Chętnie wykorzystywana jako wtórnik katodowy w sytuacji, gdy potrzebna jest  moc do wysterowania stopnia wyjściowego. Brzmienie jest pozbawione podkolorowań, nieco beznamiętne.
Lampa ta powstała jako zminiaturyzowany odpowiednik lampy 6SN7,  o zmniejszonym mikrofonowaniu w porównaniu do pierwowzoru. Cokół 9-nóżkowy (noval).
Novalowe odpowiedniki to: 12 AU7, 6189, B329, CV491, E82CC i inne.
ECC83.  
Najczęściej używana trioda małej mocy. Ma duży współczynnik wzmocnienia (70 - 100) Doskonale nadaje się do stopni, gdzie wymagane jest duże wzmocnienie. Dobrze nadaje się do rozdzielania fazy o sprzężeniu katodowym, zapewnia dobrą równowagę faz. Ma dobrą liniowość i dość dużą impedancję wewnętrzną (62,5 kiloomów). ECC83 brzmią ciepło i gładko, są synonimem brzmienia lampowego. Odpowiedniki: 12AX7, 6N2P (rosyjska), 7025, 6CC41, B339, E83CC i inne.
6SN7
Obok ECC83 najbardziej popularna lampa stosowana w układach audio. Posiada szklaną bańkę oprawioną w cokole i 8 wyprowadzeń (oktal). Jest starszą konstrukcją. Ma umiarkowane wzmocnienie (20), lecz najbardziej liniową charakterystykę. Doskonale nadaje się do wzmacniaczy pracujących w klasie A. Ma małe szumy i stosunkowo niewielką skłonność do mikrofonowania. Dźwięk jest doskonały, ciepły, czysty i miękki.

Zdjęcie z prawej - rosyjski odpowiednik słynnej 6SN7, czyli lampa 6N8S (6H8C) . Posiada zbliżone parametry i wygląd. Cokół oktalowy.

Poniżej podaję zestawienie najważniejszych parametrów podwójnych triod małej mocy. Te parametry mogą się nieco różnić, w zależności od producenta lampy. Dokładne charakterystyki wielu lamp znajdziecie na stronie www.mif.pg.gda.pl/homepages/frank/index.html.

 

Typ lampyECC81ECC82ECC83ECC85ECC88ECC86

 6SN7
(6N8S)

6N1P6N6P
Napięcie żarzenia (V)6,3/12,66,3/12,66,3/12,66,36,36,36,36,36,3
Prąd żarzenia (A)0,3/0150,3/0150,3/0,150,450,3650,30,60,60,75
Napięcie anody (typowe) Ua250V250V250V250V90V6,3V250V250V120V
Prąd anody Ia (mA)1010,51,210150,99ok.828
Napięcie siatki Us (V)-2-8,5-2,0-2,7-1,3-0,4-8-5-2
Wsp. wzmocnienia m5517100583314203522
Nachylenie Ka (mA/V)5,52,21,66,112,52,62,5ok.511
Rezystancja wewnętrzna Ra (kiloomy)107,762,59,72,657,7ok. 71,8
Moc anodowa (W)    1,8   4,8

Triody mocy
Triody w stopniu końcowym mimo gorszych osiągów niż pentody, często są stosowane. Wzmacniacze triodowe mają opinie lepiej grających. Wzmacniacze triodowe nie muszą być słabowite, chociaż okupione jest to z reguły większym skomplikowaniem konstrukcji, ponieważ dla zwiększenia mocy łączy się wiele lamp równolegle, znacznie podnosi napięcie zasilania, lub stosuje mocne (i drogie) lampy. Stosuje się też, mimo pewnych wad, polaryzację stałą triody,  ponieważ daje ona większą moc wyjściową (mniejsze straty mocy na grzanie rezystorów katodowych) w porównaniu do polaryzacji automatycznej.
 

"Klasyczne" triody stosowane we wzmacniaczach audio mają żarzenie bezpośrednie i do ich wysterowania potrzeba sygnału sterującego siatkę rzędu setek V i wyższych napięć anodowych. Konstrukcja dobrego wzmacniacza na triodach wymaga pewnego doświadczenia, mimo pozornie, prostego schematu.
Znane triody to: 2A3, 211, 300B, 6B46, 6S4S, 845. 

Wśród hobbystów popularnością cieszą się konstrukcje wykonane na mniej wymagających, niskonapięciowych triodach, pierwotnie stosowanych w stabilizatorach napięcia, ale dobrze sprawdzających się we wzmacniaczach audio. Najbardziej chyba znane, to: podwójna trioda 6GAS7G, 6080, czy rosyjska 6N5S lub 6N13S (zdjęcie powyżej). 
Pojedyncza, rosyjska  trioda 6S33S (6C33C), ze względu na swój wygląd zwana "diabełkiem", ma liczne grono zwolenników. Jest to wybitnie prądowa (do 500 mA)  trudna do ustabilizowania, lampa, ale dobrze skonstruowany wzmacniacz na tych lampach cieszy ucho łagodnym i szczegółowym dźwiękiem. 
Wadą jest wydzielanie dużych ilości ciepła, ale za to zimą nie musimy dogrzewać pokoju w którym słuchamy muzyki... :).


audio-retro  >> o lampach elektronowych  >  
I
o lampach cz. 1. I o lampach cz. 2. I o lampach cz. 3. I o lampach cz. 4. I o lampach cz. 5. I


powrót do góry >

I strona główna I audio-retro I moje projekty I w wolnym czasie I warto odwiedzić I  

©  2000 - 2012 | Projekt strony: S.C.  |  Wszelkie prawa zastrzeżone