Почему радиолампы, изобретенные в 1904 году, все еще выпускаются и в чем они превосходят транзисторы

     В современное время всеобщей миниатюризации всех электронных устройств складывается ошибочное мнение о безнадежном устаревании радиоламп и их полной непригодности. Да, конечно же сейчас радиолампы не находят такого широкого применения, как это было перед началом массового производства полупроводниковых приборов. Но, тем не менее, они не только находят применение, но и в некоторых электронных устройствах до сих пор и вовсе незаменимы.

  Устройство и принцип работы радиоламп, как и других электровакуумных приборов достаточно прост. Самая простая радиолампа (диод) состоит из герметичной стеклянной колбы, из которой откачан воздух, то есть, создан вакуум. В нее заключены два электрода – анод и катод, а также вспомогательный элемент – подогреватель. Катод во время работы лампы нагревается подогревателем до высоких температур (от 800 до 2000о С) и начинает эмитировать (испускать) электроны. Для обеспечения высокой эмиссионной способности катода, он покрывается специальным активным слоем, который при одинаковой температуре с металлом способен эмитировать гораздо большее количество электронов.

  Если на анод относительно катода подать положительное напряжение, то под воздействием электрического поля электроны устремятся к аноду, и возникнет электрический ток. Если на аноде будет присутствовать отрицательно напряжение, то электрическое поле будет отталкивать электроны от анода, и электрический ток будет отсутствовать. То есть электрический ток в одну сторону проходит, а в другую нет. Так работает электровакуумный диод. 

  Если между катодом и анодом добавить третий электрод – управляющую сетку, то появится возможность регулировать величину тока через радиолампу путем изменения напряжения на управляющей сетке, конечно же, при положительном напряжении на аноде. Если на управляющую сетку подать отрицательное напряжение, то электрическое поле сетки будет отталкивать излучаемые катодом электроны обратно к катоду, и не пропускать их к аноду. В результате чего электрический ток будет отсутствовать. Если на сетку подать положительное или «нулевое» напряжение, то электрическое поле сетки не будет отталкивать электроны, и они беспрепятственно устремятся к аноду, образуя электрический ток через радиолампу. 

  Теперь мы имеем усилительный электровакуумный прибор-триод. Название, которого само за себя говорит, что в нем используется три электрода.

Преимущества радиоламп

Радиолампы, несмотря на все свои недостатки, имеют и ряд существенных преимуществ перед полупроводниковыми приборами (транзисторами).

 Стабильность температурного режима работы

  Радиолампы имеют более высокую температурную стабильность режима работы, которая обусловлена тем, что радиолампа изначально является высокотемпературным элементом. Ее катод может разогреваться до двух тысяч градусов, другие элементы также нагреваются до температур, многократно превышающих температуру внешней среды.

 В результате этого радиолампа находится все время в одном стабильном высокотемпературном режиме работы, который не подвержен влиянию колебаний температуры окружающей среды и изменениям нагрузки на радиолампу (изменению величины тока через нее). 

  Поэтому усилительные и другие схемы собранные на радиолампах не нуждаются в отличие от транзисторных схем в цепочках термостабилизации и цепях обратной связи компенсирующих температурную нестабильность их режима работы. Схемы на радиолампах получаются более простыми и имеют меньшее количество усилительных каскадов. Обвязка усилительных каскадов более простая и имеет меньшее количество элементов.

  В транзисторных же схемах температурный режим работы транзисторов крайне нестабилен и сильно зависит от их температуры, которая в свою очередь зависит от мгновенной мощности рассеиваемой ими. Например, при усилении музыкального сигнала, в зависимости от изменения его мгновенной интенсивности и амплитуды меняется и нагрузка на транзистор, это приводит к колебаниям его температуры и колебаниям его коэффициента усиления вплоть до 30%. Этот эффект приводит к увеличению нелинейных искажений сигнала и без того немалых у транзисторных схем. 

  Для уменьшения этого негативного эффекта инженеры вынуждены использовать в транзисторных схемах различные цепочки термостабилизации и отрицательных обратных связей (ООС), что усложняет схемы и увеличивает количество используемых в них элементов.

Низкие нелинейные искажения

  Схемы, выполненные на радиолампах, обладают меньшими гармоническими искажениями сигнала по сравнению со схемами на полевых и биполярных транзисторах. Даже, несмотря на применение в последних, различных схемотехнических решений направленных на уменьшение искажений. Дело в том, что усилительные свойства радиоламп и транзисторов определяются их крутизной характеристики. В случае с радиолампами это будет зависимость изменения анодного тока от изменения напряжения управляющей сетки при неизменных напряжениях на остальных электродах. А в случае, например с биполярными транзисторами это будет зависимость изменения тока коллектора от изменения напряжения между базой и эмиттером при неизменном напряжении на коллекторе.

  Важным параметром крутизны характеристики является ее линейность. Именно от этого параметра и зависит, насколько сильно будут происходить нелинейные искажения сигнала.

  У радиоламп крутизна характеристики более линейная, чем у полевых и тем более чем у биполярных транзисторов, у которых из трех перечисленных приборов она является самой нелинейной. Поэтому радиолампы обеспечивают наименьшие искажения сигналов. Нелинейность их крутизны характеристики пропорциональна корню третьей степени из величины тока анода. У полевых транзисторов  нелинейность крутизны характеристики пропорциональна квадратному корню из величины тока стока, что уже сходу больше, чем кубический корень у радиоламп. А у биполярных транзисторов так и вообще нелинейность прямо пропорциональна току коллектора, что делает их крутизну самой нелинейной. 

   А кроме этого еще и питание радиоламп составляет порядка 300 В, против 30 В питания транзисторов (что в 10 раз больше). Это приводит к тому, что при равной усилительной мощности этих двух схем усилителей анодный ток радиолампы и его амплитуда колебаний будут в 10 раз меньше чем значение и амплитуда колебаний коллекторного тока транзистора. Благодаря этому колебания анодного тока радиолампы умещаются на небольшом линейном участке вольт-амперной характеристики (ВАХ), и не «достают» нелинейных участков, располагающихся по краям характеристики, как это может происходить у транзисторов. 

 Всем этим в совокупности и обуславливаются минимальные нелинейные искажения сигналов радиолампами.

  Для того, чтобы в транзиторных усилителях уменьшить искажения применят общую ООС и большое количество местных ООС. Глубина этих ООС достигает немалых 60 дБ. И только так в транзисторных усилителях можно добиться значительного уменьшения искажений. 

  Но цепи ООС имеют инерционность, и не могут мгновенно реагировать на входящие воздействия (сигналы). Это приводит к тому, что каждая начальная часть сигнала (например, музыкального инструмента) в начальном периоде времени не будет успевать обрабатываться цепью ООС, и на выходе усилителя будет кратковременное 100% искажение сигнала, что на слух будет очень отчетливо восприниматься слушателем с хорошим «музыкальным» слухом.

  В ламповых же усилителях цепи ООС либо не используются вовсе, либо их глубина обратной связи значительно ниже чем у транзисторных схем и не превышает 20 дБ.

Где используются радиолампы

  Разработчики высококачественной (Hi-Fi) звуковой аппаратуры прекрасно знают о всех недостатках транзисторных схем и о преимуществах схем на радиолампах. Поэтому в звуковой аппаратуре Hi-Fi класса часто используют радиолампы. На сегодняшний день существует немало моделей высококачественных звуковых усилителей на радиолампах.

 Однако, в комплекте с котом они работают намного лучше

Так же в самых качественных микрофонах используются исключительно ламповые усилители. 

Микрофон студийный ламповый МКЛ-4000 и Brauner VMA

  Надеюсь, моя статья была для вас интересна. Пишите в комментариях, как вы считаете, намного ли звук лампового звукового усилителя лучше, чем транзисторного. И стоит ли ради этого использовать усилители на радиолампах со всеми присущими им недостатками.