Lampy cz. I - dlaczego ta lampa nie świeci?

Dlaczego lampy w tym wzmacniaczu nie świecą?, dlaczego świecą tak słabo i czy to jakiś sprytny zabieg techniczny? Takie i wiele innych pytań zadawali nam niektórzy zwiedzający stoisko naszej firmy na ubiegłorocznym Audio Video Show.

Pytania potraktowałem na początku z przymrużeniem oka, ale później stwierdziłem, że faktycznie sprawa wymaga rzetelnego wyjaśnienia. Stosowane w sprzęcie audio lampy elektronowe przeżywają renesans. Wiele osób zastanawia się jak działają i dlaczego, po ponad 100 latach od momentu gdy je skonstruowano, nadal stanowią konkurencję dla wszechobecnego tranzystora. No i co to za lampy, które wbrew swej nazwie ledwie się żarzą?

Dla lepszego zobrazowania tematu, zacznijmy od małej dygresji. Zapewne wielu czytelników widziało kiedyś losowanie Lotto w TV. Jako małe dziecko, zafascynowany przyglądałem się wspaniałej maszynie losującej czekając na to, aby piłki ze skreślonymi przeze mnie na kuponie numerkami wpadły do pułapki. Niestety maszyny losujące miały i mają do dziś feler polegający na tym, że pewnych piłek za nic w świecie nie chcą wylosować. Co ciekawe co losowanie to inne piłki są na cenzurowanym – dziwnym trafem akurat te z mojego kuponu. No ale mój brak szczęścia ma też jasną stronę. Jako milioner nie grałbym zapewne w Lotto i nie mógłbym obserwować w akcji fantastycznego urządzenia jakim jest maszyna losująca. Sporej wielkości przezroczysta, pleksiglasowa sfera to jej najnowsze wcielenie. Wewnątrz plastikowe piłeczki wesoło podskakują pod wpływem doprowadzonego od spodu sprężonego powietrza. W kluczowym momencie otwierają się drzwiczki pułapki, do której wsysana zostaje szczęśliwie wylosowana piłeczka. Następnie po zjeżdżalni dociera ona do miejsca spoczynku. Cudowna zabawa.

Jak działa lampa?

Zaraz, zaraz – ale czy to nie miało być o lampach? Bez obaw – maszyna losująca Lotto świetnie nadaje się do wyjaśnienia zasady działania lampy elektronowej. Lampa też ma przezroczystą bańkę tyle, że szklaną. Ze środka wypompowano powietrze stąd jej inna nazwa – lampa próżniowa. Zamiast ponumerowanych kulek w lampie baraszkują elektrony. Zachęca je do tego nie sprężone powietrze jak w Lotto, ale wysoka temperatura rozgrzanego do czerwoności drucika, który nazywamy katodą. Elektrony dosłownie podskakują jak na rozżarzonych węglach. No i tu mamy rozwiązanie naszej tytułowej zagadki – rozpalona katoda lampy elektronowej, wprawdzie świeci, ale nieporównanie słabiej niż w żarówce, bo celem nie jest przecież emisja światła tylko rozruszanie leniwych elektronów.

Do tego nie potrzeba aż tak wysokiej temperatury. Dlatego żarnik katody zasila się niskim napięciem, najczęściej zaledwie 6,3V. Dodatkowo, żarnik w lampie elektronowej jest zasłonięty innymi elektrodami, więc pełnią uroczego, bursztynowego blasku najlepiej delektować się w ciemności. Prąd elektryczny tworzą poruszające się w jednym kierunku elektrony. Tak jak w maszynie Lotto, pod wpływem różnicy ciśnień, piłeczki wpadają do pułapki. W lampie elektronowej różnica potencjałów - czyli wysokie napięcie (od kilkudziesięciu do kilkuset woltów!) - przyłożone do elektrody nazwanej anodą sprawia, że elektrony podążają zgodnie w jej kierunku od katody. Rolę otwieranych i zamykanych drzwiczek pułapki maszyny losującej pełni w lampie tak zwana siatka, rozpięta pomiędzy anodą i katodą. Po przyłożeniu do siatki ujemnego napięcia część elektronów podążających do anody zostaje wyhamowana i zawrócona z drogi, gdyż siatka działa jak magnes odpychający. Elektronom, które rozpędziły się najbardziej udaje się pokonać siatkę i docierają szczęśliwie do celu. Regulując napięcie na siatce zwiększamy lub zmniejszamy ilość przepływających elektronów.

I tu dochodzimy do kluczowej dla wzmacniaczy audio właściwości lampy próżniowej  – lampa stanowi element wzmacniający: niewielkie zmiany napięcia przyłożonego do siatki powodują duże zmiany przepływającego przez nią prądu. Bingo! Jeśli drogi czytelniku dotarłeś do tego miejsca to być może zakołatała Ci w głowie genialna myśl skonstruowania audiofilskiego wzmacniacza z wykorzystaniem maszyn losujących Lotto? Do odważnych świat należy!

Wiemy już jak działa lampa i dlaczego światła daje niewiele. Wiemy dlaczego nadaje się do budowy wzmacniaczy. Pozostaje kwestia wyższości lampy nad tranzystorem lub odwrotnie. Tranzystor ma własności wzmacniające podobne do lampy, tyle, że w jego przypadku nie ma koniczności stosowania wysokiego napięcia. Tranzystor jest mały i poręczny – niestety nie świeci, co najwyżej raz błyśnie na pożegnanie. Czytając recenzje urządzeń lampowych często napotykamy na komplementy typu „ciepły dźwięk”, „słodka średnica”, „łagodna góra”. Zwolennicy wzmacniaczy tranzystorowych – przeciwnicy lamp - określą to nieco inaczej: „dźwięk misiowaty”, „podbarwiona średnica i góra”. O co tu chodzi ? Kto ma rację ? Czy wzmacniacze lampowe nie są tylko przejawem chwilowej mody i zwykłej ekstrawagancji?

Wzmacniacz McIntosh 240 (produkowany w latach 60-tych XX wieku
Zdjęcie dzięku uprzejmości sklepu NOMOS

Przenieśmy się na chwilę w przeszłość. Po wynalezieniu i wyprodukowaniu pierwszych tranzystorów, konstruktorzy z entuzjazmem zabrali się do budowy wzmacniaczy. Zamiast nieporęcznych i kłopotliwych szklanych baniek, zaczęli stosować tanie, zgrabne krzemowe koraliki. Efekty okazały się znakomite. Duża sprawność, możliwość uzyskania znacznych mocy przy stosunkowo niewielkich wymiarach i cenie, doskonałe parametry elektryczne. Wszystko to sprawiło, że wzmacniacze lampowe bardzo szybko zaczęły znikać ze sklepowych półek. I tu do akcji wkroczyli nieznośni audiofile, którzy zaczęli kontestować jakość dźwięku wydobywającego się z głośników podłączonych do nowoczesnych cudeniek. Niby wszystko jest ok: niskie szumy, brak przydźwięków, szerokie pasmo przenoszenia, ekstremalnie niskie zniekształcenia harmoniczne, dobra współpraca z różnymi zestawami głośnikowymi. A jednak ucho ludzkie – najdoskonalszy instrument audio na świecie wychwytuje w brzmieniu tranzystorowym pewną przykrą suchość i chłód metalu.

Problemem tym w roku 1973 zajął się fiński inżynier Dr. Matti Otala. Odkrył on, że przyczyną niezadowolenia audiofilów jest powszechnie stosowane w układach tranzystorowych duże ujemne sprzężenie zwrotne. Sprzężenie zwrotne to nic innego jak sygnał dostarczeny na wejście wzmacniacza z jego wyjścia. Doskonałe własności elektryczne wzmacniaczy tranzystorowych są właśnie funkcją sprzężenia zwrotnego. Im większe sprzężenie zwrotne, tym szersze pasmo przenoszonych częstotliwości, niższe szumy i zniekształcenia harmoniczne. Pogorszeniu ulega tylko jeden parametr -  wzmocnienie, ale akurat tego, w przeciwieństwie do konstrukcji lampowych, jest duży zapas. O co zatem chodzi? Tak jak piłka wylosowana w Lotto potrzebuje chwili czasu, aby zjechać po zjeżdżalni na dół, tak elektrony z wyjścia wzmacniacza, trafiają poprzez obwód sprzężenia zwrotnego na jego wejście z nieznacznym opóźnieniem. I to powoduje powstanie zaburzeń sygnału, które swym charakterem różni się od mierzonych do tej pory zniekształceń harmonicznych. Co najważniejsze, te nowe zniekształcenia nazwane Intermodulacyjnymi (TIM – Transient Intermodulation) w ogóle nie objawiają się przy tradycyjnym pomiarze. Dopiero Otala opracował metodę ich mierzenia. Od tego momentu wszystko stało się jasne. Okazało się, że główne zalety układów tranzystorowych są okupione poważną wadą. Konstruktorzy musieli zatem wrócić do pracy aby doskonalić swoje konstrukcje. Pojawiła się też druga szansa dla lamp – podczas gdy jedni walczyli ze zniekształceniami TIM w tranzystorach, inni poprawiali układy lampowe tak, aby zniwelować szumy i zniekształcenia harmoniczne.

Sytuacja ta zdaje się trwać aż do dziś. Na rynku mamy znakomite flagowe konstrukcje obu nurtów i tylko ucho audiofila w ostatecznym rozrachunku decyduje o tym, które urządzenie brzmi przyjemniej.

Wzmacniacz lampowy Audio Innovation seria 1000
Zdjęcie dzięku uprzejmości sklepu NOMOS 

CZĘŚĆ II - Słodka średnica lampy elektronowej