Лампові підсилювачі - це не просто ретро. Це явище, що не піддається повному поясненню цифрами. Попри розвиток транзисторної та цифрової техніки, вони й досі мають вірну аудиторію - від музикантів до аудіофілів. Їх цінують за звук, який важко назвати ідеально точним, але легко - живим, об’ємним, "теплим". Цю суб’єктивну "магію" лампового тракту часто описують метафорами: звук "дихає", "обіймає", має "душу".
У статті ми занурюємося у фізичну сутність цього феномена - розрахунок лампового каскаду. Розбираємо принцип дії, вибір режиму роботи, визначення робочих точок, взаємозв’язки між елементами схеми. Пояснюємо, чому саме анодний опір, крутизна характеристики та навантаження визначають характер звучання.
Цей текст - для тих, хто хоче не просто зібрати свій ламповий підсилювач, а й зрозуміти, чому він звучить саме так. Для тих, хто шукає баланс між технікою й емоцією, цифрою й хвилею. І хто вірить, що хороший звук — це більше, ніж просто амплітуда вольт на осцилографі.
Розрахунок
Спробуймо розібратись із розрахунком резистивного підсилювального каскаду - одного з найпоширеніших варіантів у лампових підсилювачах. Почнемо з тріода, адже на його прикладі простіше зрозуміти принципи, а згодом ці знання легко перенесуться й на пентод.
Для розрахунку нам знадобляться вольт-амперні характеристики (ВАХ) конкретної лампи. Їх можна знайти у відповідних довідниках.
Для тих, хто лише знайомиться з темою: лампа-тріод має три електроди (не рахуючи нитки накалу) - анод, катод і керуючу сітку. Якщо трохи зануритися в теорію, усе працює так:
Катод, нагріваючись, починає випромінювати електрони. Анод, маючи позитивний потенціал, притягує ці електрони до себе електричним полем. Сітка ж розташована між катодом і анодом і виконує роль керуючого елемента. Вона "дозволяє" або "забороняє" електронам летіти від катода до анода, тим самим регулюючи анодний струм - тобто кількість електронів, що потрапляють на анод за одиницю часу.
Керування струмом здійснюється за рахунок негативної напруги, прикладеної до сітки. Важливий момент - точкою відліку цього негативного потенціалу вважається катод, а не загальна земля схеми. Тобто, якщо катод має +5 В відносно землі, то це означає, що земля має –5 В відносно катода, якщо взяти катод за нульовий рівень.
Спосіб зміщення може бути різним:
- Фіксоване зміщення. Можна під’єднати катод безпосередньо до «землі», а до сітки й «землі» підключити окреме джерело живлення таким чином, щоб на сітці був негативний полюс цього джерела (між ними обов’язково ставлять резистор). Позитивний полюс джерела підключається до «землі». У такому випадку ми отримуємо фіксоване зміщення - його значення не змінюватиметься під час роботи.
- Автоматичне зміщення. Можна встановити резистор між катодом і "землею". Через цей резистор протікатиме анодний струм, і, згідно із законом Ома, на ньому виникатиме падіння напруги. У результаті на катоді з’явиться позитивна напруга відносно «землі», а «земля» відносно катода матиме негативний потенціал. Якщо тепер підключити сітку через резистор до «землі», то на сітці з’явиться негативний потенціал відносно катода. Таке зміщення називається автоматичним, і його величина залежатиме від анодного струму - змінюватиметься автоматично.
ВАХ (вольт-амперна характеристика) - це залежність одного параметра від іншого за певних умов. У нашому випадку - це залежність анодного струму від напруги при фіксованому зміщенні на сітці.
Отже, візьмемо лампу - улюблену багатьма 6Н2П - і спробуємо розрахувати на ній каскад. Її ВАХ виглядають ось так:
Наступним кроком має бути вибір напруги живлення, струму анода і розрахунок величини резистора в анодному навантаженні Ra. Значить обираємо напругу живлення 320В і струм аноду 3мА. Розраховуємо величину анодного резистора відповідно до закону Ома
На ВАХ проводимо відповідну пряму (червоним кольором). Отримана лінія називається навантажувальною і характеризує залежність напруги на аноді від анодного струму в будь-який момент роботи каскаду. Ми можемо взяти і інші значення напруги і струму і отримати іншу навантажувальну пряму (синій колір). Відповідно іншим буде і величина анодного резистора.
Тепер виберемо зміщення (заодно розрахуємо опір катодного резистора, струм спокою та напругу на аноді в режимі спокою). Щоб визначити напругу зміщення, потрібно знайти на навантажувальній прямій точку, де вона перетинається з кривою, що відповідає певному значенню напруги на сітці. Ця точка й задає струм спокою та напругу на аноді. Точка, в ідеалі має бути на середині лінійного відрізка сіточної характеристики.
Чим більше (за модулем) напруга зміщення, тим більшу амплітуду вхідного сигналу зможе витримати каскад до моменту перевантаження.. Вибраному зміщенню відповідає струм спокою приблизно 1.85 мА (фіолетова горизонтальна лінія) та напруга на аноді близько 125 В (фіолетова вертикальна лінія).
Можна розрахувати опір катодного резистора для автоматичного зміщення. У дужках вказане найближче значення з ряду стандартних резисторів - саме його можна використати. Для більшої точності іноді під’єднують послідовно два або кілька резисторів, але зазвичай у цьому немає потреби.
Розрахунок коефіцієнта підсилення каскаду за напругою
Тепер розрахуємо коефіцієнт підсилення каскаду за напругою (тобто наскільки каскад збільшує амплітуду сигналу). У цьому випадку не враховуватимемо вплив катодного конденсатора.
Коефіцієнт підсилення за напругою визначається як відношення зміни напруги на виході до зміни напруги на вході. Приймемо, що амплітуда вхідного сигналу дорівнює модулю напруги зміщення. Тоді зміна напруги на вході буде дорівнювати подвоєному значенню цієї амплітуди, тобто подвоєному модулю напруги зміщення.
Оскільки напруга зміщення у нас становить -0.5 В, то амплітуда вхідного сигналу буде:
Тоді повна зміна вхідної напруги (подвійна амплітуда) становитиме:
При позитивній півхвилі вхідного сигналу напруга на сітці зросте до 0 В:
При негативній півхвилі вона зменшиться до –1,0 В:
На графіку ВАХ знаходимо точки перетину навантажувальної прямої з кривими для зміщення 0 В та –1,0 В і опускаємо з них вертикальні лінії (позначені на графіку помаранчевим).
За умовами прикладу:
- Для 0 В зміщення анодна напруга ≈ 85 В
- Для –1,0 В зміщення анодна напруга ≈ 160 В
Тоді зміна вихідної напруги становитиме:
Коефіцієнт підсилення за напругою отримаємо як:
Підсумок
Розрахунок резистивного лампового каскаду - це не лише набір формул і побудова навантажувальних прямих, а й спосіб зрозуміти внутрішню "логіку" лампи. Розуміння ВАХ, правильний вибір режиму та уважне ставлення до деталей дозволяють прогнозовано отримати потрібний характер звучання.
І хоча сучасна електроніка пропонує безліч точних і компактних альтернатив, ламповий підсилювач продовжує жити завдяки поєднанню фізики й емоцій. Коли інженер розраховує каскад, він працює не лише з вольтами й омами - він формує почерк звучання, який неможливо зімітувати без самої лампи. Саме в цьому й полягає особливість: кожен розрахунок тут - крок до того самого "теплого" і живого звуку, який зачаровує вже понад століття.
