Цијевни појачавачи

Цијевни појачавач је врста електронског појачавача који користи вакуум цијеви за појачање снаге и/или амплитуде сигнала на улазу. Цијевни појачавачи снаге ниске до средње фреквенције (испод фреквенције микроталаса), били су у великој мјери замијењени са појачавачима од чврстих елемената 1960-их и 1970-их година. Цијевни појачавачи се користе за дизајнирање гитарских појачала, сателитских транспондера као што су ДирецтТв и ГПС, аудиофилских стерео појачала, те у војсци код радара, као и код радио и УХФ предајника веома велике снаге.

к502 Мyстере иа21

Историјат

Поријекло

Све до проналаска транзистора 1947. године, сви реални појачавачи су били направљени помоћу термоелектронских цијеви. Најједноставнију цијев је измислио Јохн Амбросе Флеминг док је радио за компанију Марцони у Лондону 1904. године и назвао ју је диода јер је имала двије електроде. Диода је проводила струју само у једном смјеру и користила се као радио-детектор и исправљач.

Лее Де Форест је додао трећу електроду и изумио први електронски уређај за појачање – триоду, и назвао ју је Аудион. Ова додатна контрола мреже модулише струју која протиче између катоде и аноде. Веза између струје и напона се често представља као низ „карактеристичних кривих“ на дијаграму. У зависности од осталих компоненти у колу, модулисани струјни проток може се искористити да обезбиједи корисни напон или струја.

Прва примјена цијевног појачања била је у обнављању међуградских телефонских сигнала. Касније, ова врста појачања је пребачена на „wирелесс“(бежично) тржиште које је почело у раним тридесетим. Врло брзо послије тога појачавачи за музику, а касније и за телевизију, били су направљени коришћењем цијеви.

Веома доминантна топологија кола у том периоду је била једнострана триода која је радила у класи А и омогућавала добијање звука са врло добрим квалитетом (са разумним обимом изобличења), упркос крајње једноставним колима са врло мало компонената, што је било важно у то вријеме због тога што су компоненте израђиване ручно и биле су веома скупе. Тада су скоро сви цијевни појачавачи били са линеарност у потпуности зависна од линеарности саме цијеви,обично 5% изобличења у пуну снагу.

Сингле-ендед триоде

Развој

Послије Другог свјетског рата, усљед драматичног техничког прогреса и ширења потрошачког тржишта, дошло је до све више напредних дизајна цијевних појачавача на тржишту и то по приступачним цијенама. Увођење Wиллиамсоновог појачавача 1947, који је био изузетно напредан у многим аспектима укључујући и веома успјешну примјену негативне повратне спреге (НПС), било је прекретница у дизајну аудио појачавача снаге, радио у пусх-пулл излазних кола у класи АБ1 и са својим перформансама надмашујући своје савременике.

Wиллиамсонов појачавач(шема)

Wиллиамсонов појачавач

Сличне топологије са малим варијацијама (посебно различитих дјелитеља фазе и ултра-линеарних трансформаторских веза за тетроде) брзо су постале распрострањене и ови типови дизајна остају доминантна топологија за појачаваче вискоких снага до дан-данас примјењиваним у музици. У овом периоду такође је порасла употреба код радио предајника и пријемника.

Пад интересовања

Од 1970. године почела је да се повећава све више и више употреба транзистора, и аутоматски производња цијеви опада, са изузетком ЦРТс,цијеви са катодним зрацима. Популарне цијеви ниске снаге биле су двоструке триоде и ЕФ86 пентода, док су цијеви високе снаге сноп тетрода и пентода (ЕЛ84, ЕЛ34, КТ88 / 6550, 6Л6), у оба случаја са индиректним загријавањем. Овај редуковани скуп типова остаје главни метод у данашњој производњи цијеви.

Са употребом транзистора, цијеви су се у овом периоду користиле искључиво у РФ предајницима високе снаге и микроталасним рернама.

Поновна актуелизација

У аудио апликацијама, цијеви су остале и даље веома пожељне за неке кориснике, како на тржишту за кућну употребу тако и на тржишту за гитарске појачаваче. Међу стерео ентузијастима, постоји група која се залаже за употребу цијевних појачавача зато што они производе „топлији“, природнији звук.

На тржишту гитарских појачавача, неки произвођачи су наставили да користе цијевне појачаваче и данас, у фолку, блузу, року, као и у металу, гдје се цијевни појачавачи користе за већу дисторзију. Аудио инжињери сугеришу да су субјективно пријатни аспекти цијевних појачавача можда посљедица нелинеарног овердрајва (оведриве) који производе цијеви. Цијевни појачавачи реагују другачије од транзисторских појачавача када ниво сигнала дође до тачке пресјецања. У цијевним појачавачима прелаз из линеарног појачања у ограничено је мање нагао него што је код оних састављених од чврстих елемената, што резултује мање решеткастим обликом дисторзије од почетка пресјецања. Због овога, неки гитаристи преферирају звук ткз алл-тубе појачавача; естетска својства цијевних наспрам транзисторских појачавача су тема расправа у заједници гитариста.

Карактеристике

Цијеви су уређаји високог напона и ниских струја за разлику од транзистора. Могућност за рад на високим напонима прави их погодним за радио предајнике, гдје се и данас употребљавају нарочито у радио предајницима високих снага, гдје још увијек не постоји други вид технологије. Међутим, за већину апликација које захтјевају велику излазну струју, потребан је одговарајући трансформатор. Трансформатор је кључна компонента и снажно утиче на перформансе и цијену појачавача.

Много цијеви снаге у склопу имају добру линеарност али скромну транскондуктансу. Сигнали појачавача који користе цијеви су у стању да раде на веома високим фреквенцијским опсезима, чак до радио фрекфенција. Заиста, многи аудио појачавачи који садрже једностране триоде са директним гријањем, у ствари су радио предајне цијеви дизајниране за рад у опсегу мегахерца(МХз). У пракси цијевни појачавачи дизајнирају се тако што помоћу капацитивности ограничавају доњи бочни опсег,или помоћу индуктивитета са трансформатора, ограничавају горњи бочни опсег.

Предности

• Веома линеарни(нарочито триоде) – што омогућава да се користе у ниско изобличеним линеарним колима са мало или без негативне повратне спреге.
• По природи цијеви су погодне за кола високог напона.
• Могу бити конструисане тако да могу да дисипирају велике количине топлоте, због чега су једина одржива технологија за примјену у колима веома високих напона као што су радио и ТВ предајници, иако су их транзистори замијенили у већини осталих апликација.
• Веома мали дрифт (по спецификацијама) наспрам веома широком опсегу радних услова, нарочито велика снага и топлота. Полупроводници су веома осјетљиви по односу топлоте, форсирајући компромисе у дизајну транзисторских појачавача.
• У електричном смислу су врло робустни, могу толерисати оптерећења и до неколико минута која би за неколико милисекунди уништила систем са биполарним транзисторима.
• Приступачне су за тестирање или замјену – много теже је промијенити покварен транзистор.
• Мекше пресјецање врхова када дође до преоптерећења кола, зато много музичара сматра да дају пријатнији звук.

Недостаци

• Катоде захтјевају снабдијевање топлотом, а аноде високим напоном.
• Цијевни појачивачи су значајно већи од њихових транзисторских еквивалената.
• Цијеви имају краћи рок трајања него компонентне направљене од чврстог материјала због различитих недостатака механизма (као што су гријање, ломљивост, унутрашњи кратки спојеви).
• Доступне су само у јединичном поларитету, док су транзистори доступни у комплементарном поларитету (на примјер НПН/ПНП) и омогућавају израду многих конфигурација кола које није могуће реализовати са цијевима.
• Морају избјегавати буку АЦ гријача.
• Понекад су осјетљиве на звук или вибрације.

Рад

Сва појачавачка кола класификују се по класи према начину рада,као класа А, класа Б, класа АБ, класа C (које се користе за дизајнирање аналогних кола), затим класа D и Е као прекидачки склопови, и тако даље.

• Решетка (гдје је улазни сигнал представљен) треба да буде прилагођена тако да је углавном негативна у односу на катоду. Ово веома отежава повезивање пар излаза са једне цијеви на улаз сљедећих цијеви као што се нормално ради код транзистора.
• Фазе цијеви морају бити упарене помоћу неке компоненте (најчешће кондензатора, понекад спрегнутих трансформатора) које су у стању да тотално блокирају и издрже неколико стотина волти. Ове промјене у фази могу да постану проблематичне у спрегнутим колима.
• Не постоје цијеви аналогне комплементарним уређајима, који имају широку примјену у “тотем поле” излазном степену кола. Пусх-пулл топологије са цијевима обично захтјевају трансформатор.
• Веома велике излазне импедансе код цијевних (наспрам транзисторских) појачавача обично захтјевају употребу спрегнутих трансформатора да би се добила ниска импеданса оптерећења. Трансформатор се користи као оптерећење, импеданса примара трансформатора на употребној фрекфенцији је врло већа него отпора намотаја једносмјерне струје, најчешће у килоомима. Трансформатори високих перформанси захтјевају озбиљне компромисе у инжињерингу, а њихов рад је далеко од идеалног. Трансформатори знатно повећавају цијену кола са цијевним појачивачима наспрам алтернативе са транзисторима.

Пусх-Пулл топологија

Пусх-Пулл појачавач

Топологије

• Линерна кола за мале сигнале скоро увијек користе топологију – триоду у једносмјерном појачању фазе (у класи А), укључујући излазну фазу.
• Широкопојасни цијевни појачавачи обично користе класе А1 или АБ1.
• Модерне високо излазне снаге фазе су обично пусх-пулл, често захтјевају неку врсту фазног дјелитеља да би се добио диференцијалан/уравнотежен драјв сигнал из једносмјерног на улазу, обично прослијеђен са фазног појачања прије излаза на цијеви (на примјер СРПП – серијски регулисани пусх-пулл појачавач).
• Појачавачи снаге који доминирају у радио предајницима користе веома велике цијеви.
• Сложеније топологије (нарочито коришћење активног оптерећења) могу да побољшају линеарност и фреквентни одзив (отклањањем Милеровог ефекта капацитивности).

Излазна импеданса

Велика излазна импеданса кола са цијевима није добро упарена са оптерећењем ниске импедансе, као што су звучници или антене.

Примјена

Аудио фрекфенције(АФ) и широкопојасни појачавачи

Цијеви су остале у широкој примјени код гитарских и скупих аудио појачала с обзиром на квалитет звука који дају, а који субјективно преферирају неки корисници. Оне су у великој мјери застарјеле за већину других примјена, углавном због предности транзистора у односу на цијену и ефикасност, као и због мање тежине и ниже топлоте транзисторских појачала.

Телефонија

Телефонија је била оригинална, и много година водећа апликација за аудио појачање. Специфичан проблем за телекомуникациону индустрију је била техника мултиплексирања много (и до хиљаду) говорних линија на један кабл, на разлитичим фреквенцијама.

Предност овога је то што један цијевни појачавач појачава многе позиве одједном,што је врло исплативо. Проблем је то што појачавачи морају бити изузетно линеарни, иначе ће интермодулацијска дисторзија (ИМД) резултовати преклапањем између мултиплексираних канала. Ово стимулише развој у правцу ниске дисторзије далеко изнад номиналне потребе једног говорног канала.

Аудио

Данас је основна примјена цијеви у аудио појачавачима са високим хи-фи и музичким перформансама, које се користе за појачала електричне и бас гитаре, иако имају различите захтјеве у погледу изобличења који се јављају при различитим компромисима у дизајну, иако се исте основне технике дизајна генеришу и широко употребљавају на све широкопојасне појачаваче, не само на аудио.

Посљедна генерација цијеви снаге представљене су са КТ66, ЕЛ34 и КТ88, на мнпого начина представљају врхунац технологије и квалитета производње. Цијевни појачавачи се од тада дизајнирају од ових цијеви, са изузетаком КТ66, тако да њихова примјена у производњи траје до данас.

ЕЛ34 вакуумска цијев

ЕЛ34 вакуумске цијеви различитих произвођача

ЕЛ 34 има напон гријања од 6.3В. У сагласности са старим референтним приручницима вакуумске цијеви, пар ЕЛ34 са 800В напона могу да дају 90 вати на излазу двотактне конфигурације класе АБ1. Међутим, ова конфигурација се ријетко може наћи. Чешће се може наћи конфигурација са два ЕЛ34 у класи АБ1 са напоном од 375-450В и излазном снагом од 50 вати.

ЕЛ34 појачавач

ЕЛ34 је пентода, коју је 1953. представила компанија Пхиллипс, а коју сад производи компанија ЈЈ Елецтрониц. Неке компаније су произвеле сличну цијев ткз ЕЛ34Л која захтјева већи напон мреже, али која се може замијенити у неким конфигурацијама.

ЕЛ34 је имала широку примјену у аудио појачивачима високих снага 1960-их и 1970-их година, као што је веома популарни Дyнацо Стерео 70 и Леак Стерео 60, као и широку примјену код гитарских појачала зато што се одликују високом дисторзијом (која је пожељна у овом случају) на нижим снагама. ЕЛ34 се може наћи у многим британским појачалима.

ЕЛ34 цијевни појачавач класе А

КТ88

КТ88 је вакуумска цијев дизајнирана за производњу велике излазне снаге (кинклесс тетроде – КТ), користи се код аудио појачала. Представља једну од највећих у својој класи и може подњети веома високе напоне – и до 800 V. Пар оваквих у класи АБ1 на излазу дају снагу и до 100 вата са 2,5% изобличења хармоника.

КТ88 појачавач снаге - топологија

КТ88 појачавач снаге марке "Мусиц Ангел"

Спољашње везе

• [1]- Валве амплифиер
• [2] - Аудио валве амплифиер
• [3] - ЕЛ34 тубес
• [4] - Тубе Поwер Амплифиер
• [5] - Дифферент киндс ЕЛ34 тубес
• [6] Архивирано на сајту Wayback Machine (25. новембар 2009) - "Music Angel" Tube Power Amplifier