Šiuolaikinės technologijos suteikia mums vis daugiau galimybių pagerinti ryšio kokybę ir mėgautis aukščiausios klasės garsu. Nuo kompaktiškų palydovinių antenų, gebančių sustiprinti signalą net 100 dB, iki sudėtingų lempinių stiprintuvų, kurių istorija siekia XX amžiaus pradžią - viskas susiję su signalo stiprinimo principų taikymu. Šiame straipsnyje nagrinėsime signalo stiprinimo technologijas, sutelkdami dėmesį į triodus ir jų panaudojimą tiek ryšių, tiek garso srityse, atskleisdami tiek praktinius, tiek teorinius aspektus.
Mobiliojo ryšio stiprintuvai: sprendimas silpno signalo problemoms
Viena iš aktualiausių signalo stiprinimo sričių yra mobiliojo ryšioGerinimas. GSM, 3G ir 4G ryšio stiprintuvai - retransliatoriai skirti vietoms, kur yra silpni mobiliojo ryšio signalai. Tokie įrenginiai užtikrina gerą signalą mobiliesiems telefonams, kas ne tik sumažina mobiliųjų telefono aparatų skleidžiamą spinduliavimą, bet ir prailgina baterijų tarnavimo laiką. Šie stiprintuvai ypač rekomenduojami patalpoms iki 1500 m².
Svarbu paminėti, kad GSM, UMTS ir LTE, 2G, 3G ir 4G dažnio ryšį stiprinančią įrangą (GSM, UMTS ir LTE ryšio stiprintuvus) įrengti gali tiktai specialią licenciją turinčios įmonės, tokios kaip mobiliojo ryšio tiekėjai (pvz., Bitė, Telia ir Tele2) arba jų įgaliotieji partneriai, veikiantys pagal tą licenciją. Prieš įsigyjant ryšio stiprinimo įrangą, būtina atsiklausti operatoriaus rekomenduojamų įmonių ir pasitikslinti, ar ji bus instaliuojama legaliai. Operatoriai rekomenduoja tik legaliai instaliuoti galinčias įmones, kurios gali įrengti stiprintuvą, užregistruoti kiekvieną konkretų objektą operatoriaus duomenų bazėje, kad klientas neturėtų problemų su radijo dažnius kontroliuojančia RRT tarnyba. Dažnai norintys sutaupyti klientai bando instaliuoti patys, tačiau tai gali sukelti teisinių problemų.
Tokie įrenginiai dažnai turi išmaniuosius LCD ekranus, rodančius visus sisteminius trijų diapazonų parametrus. Įrengimo metu veikia išmanusis gidas, padedantis paprastai ir lengvai teisingai instaliuoti įrenginį, bei automatinė įspėjimo sistema apie instaliacijos klaidas. Kai kurie modeliai pasižymi automatiniu signalo lygių išrišimo tarp antenų nustatymu ir suderinimu, taip pat AGC (automatinio stiprinimo reguliavimo) funkcija. Tai užtikrina, kad signalas nebus stiprinamas per daug, apsaugant nuo susižadinimo ir savigeneracijos. Įvykus susižadinimui ir savigeneracijai, suveikia informacinė aliarmo funkcija bei automatinis išsijungimas. Dviejuose ekranuose rodomi realūs signalų stiprumai pasirinktų stebėjimui dviejų diapazonų. Jei nei vienas telefonas patalpoje nėra aktyvus, stiprintuvas pereina į budėjimo režimą ir automatiškai išjungiamas, siunčiant signalą į stotį.
Triodai garso stiprinime: istorija ir filosofija
Signalų stiprinimas yra neatsiejamas nuo elektronikos istorijos, o triodai užima ypatingą vietą šioje istorijoje. Lempinis triodas buvo išrastas 1907 m., o vos po 5 metų buvo sukurtas pirmasis stiprintuvas. Žinoma, pirmasis triodinis buvo vientaktis (SE) A-klasės stiprintuvas. Tokiam stiprintuvui reikia labai mažai dalių, tačiau jo efektyvumas yra žemas. Vientakčių išėjimo galia būdavo keli vatai, o iškraipymai siekdavo apie 5 %.
Dar po dešimtmečio buvo atrastas iškraipymų mažinimo būdas - neigiamas grįžtamasis ryšys (NGR). Šis metodas, nors ir sumažina iškraipymus, taip pat mažina ir stiprinimą, todėl triodinėse schemose jis paprastai nenaudojamas. SE stiprintuvuose su triodais vyrauja lyginės iškraipymų harmonikos, kurias žmogaus klausa toleruoja geriau nei nelygines. Tai sukuria viliojantį derinį - paprasčiausią schemą ir ausims malonų garsą. Kadangi vientakčiai dirba A-klasėje, o lempų volt-amperinės charakteristikos nėra tiesinės, SE stiprintuvuose be NGR išėjime signalas bus iškraipytas. Tokių stiprintuvų parametrai (garsas) priklauso nuo darbo taško parinkimo, lempos parametrų ir išėjimo transformatoriaus. Lempų parametrai dažnai yra išsibarstę, nuolat kinta ir degraduoja, todėl garsas iš SE stiprintuvo taip pat gali būti kintantis. Vientakčiuose vyrauja antroji harmonika, o aukštesniųjų yra nedaug. Kadangi garsą labiau gadina aukštesnės harmonikos, šiuo požiūriu SE stiprintuvai turi pranašumų. Lempinių stiprintuvų išėjimo varža paprastai yra didelė, todėl elektrinis slopinimas (DF) yra labai žemas.
Dvitakčiai (PP - Push-Pull) stiprintuvai, palyginti su SE, turi didesnę galią, mažesnius iškraipymus, geresnį elektrinį slopinimą ir kokybiškesnį žemųjų dažnių atkūrimą. Nors tai buvo reikšmingas išradimas, dvitakčiai yra sudėtingesni ir reikalauja signalo fazės apgręžėjo. Reikiamą fazę galima gauti transformatoriumi arba suformuoti lempomis.
Aukščiausios klasės garso filosofija ir praktika: Audio Note Ongaku ir kiti
Aukščiausios klasės garso (Hi-End) pasaulyje lempiniai vientakčiai stiprintuvai užima ypatingą vietą, nors neretai jų kaina yra astronominė. Vienas iš tokių pavyzdžių - Audio Note Ongaku. Šis stiprintuvas pasižymi "Pure Class A operation", "Zero Negative Feedback", "Single Ended Output Stage", "Valve Rectification", "Directly Heated Triode operation" principais. Nors jo iškraipymai ir maža galia (apie 20 W) gali neleisti pilnai atkurti muzikos, lyginės harmonikos, vyraujančios iškraipymuose, praplečia garso spektrą, suteikdamos ypatingą skambesį.
Ongaku schema yra klasikinė, kilusi iš XX amžiaus trečiojo dešimtmečio stiprintuvų eros. Analogiškas su 211 lempomis yra šiuolaikinis AN Jinro, bet be sidabro ir keturis kartus pigesnis. Ongaku kilęs iš Japonijos Audio Note-Kondo, gaminamas nuo 1989-ųjų.
Angliškoji Audio Note buvo įkurta 1991 m., kai japoniškas Audio Note suskilo į du. Įmonės įkūrėjas Peter Qvortrup, būdamas patyręs pardavėjas, sugebėjo surinkti rinkoje išsibarsčiusias sėkmingas konstrukcijas ir įsilieti į prabangos prekių segmentą. P. Qvortrup atėjo į rinką vėliau, kai ji jau buvo įsisotinusi ir perpildyta. Tuomet prasidėjo legendos apie laidų svarbą, maitinimo tinklo švarinimą ir kitus, galimai, mažareikšmius dalykus. Internetas buvo pilnas informacijos apie šiltą lempų garsą ir teiginių, kad 1 W galios pakanka muzikai namuose atkurti.
Pardavėjams super-kaina už primityvų Hi-End aparatą patinka, nes tai suteikia erdvės parduoti egzotinius laidus, maitinimo filtrus, aukso saugiklius ir kitus priedus. Hi-End sąvoka nėra vienareikšmė. Mažaserijinė gamyba savaime brangi, daug reikia reklamai, naudojami brangūs metalai, todėl mažai komponentų turinčio lempinio vientakčio stiprintuvo savikaina gali susilyginti su moderniausio tranzistorinio stiprintuvo savikaina. High-end sąvoka gali būti taikoma ir kitose technikos srityse, pavyzdžiui, kuriant šešių tonų automobilį su reaktyviniu varikliu Bloodhound, skirtą skrieti žeme garso greičiu.
Palyginimui, verta pažvelgti į tranzistorinius stiprintuvus. Nelson Pass prieš 27 metus sukonstruotas tranzistorinis Aleph 3, nors ir paprastas detalių skaičiumi, panašus į lempinius SE stiprintuvus. Garso signalo kelias per abu taip pat bus panašaus ilgumo. Dar vienas ypatumas - lempų ir lauko tranzistorių darbinės charakteristikos turi daug panašumų. Aleph 3 naudoja lauko tranzistorius ir turi 20 dB gylio neigiamą grįžtamąjį ryšį stabilumui ir parametrams pagerinti. Jis gali dirbti į 4 ar 2 Omų apkrovimą, o galia tuomet padvigubėja iki 60W. Tranzistoriniams nereikalingas išėjimo transformatorius, todėl signalas iškraipomas mažiau ir jie pigiau pagaminami. Gamintojas teigia, kad stiprintuvas patikimai dirba 10-50 metų be jokio aptarnavimo.
Triodų ir pentodų skirtumai bei jų įtaka garsui
Nors straipsnio pradžioje minėjome palydovinės technikos stebuklus, verta grįžti prie triodų ir jų skirtumų nuo kitų lempų tipų, pavyzdžiui, pentodų. 6F3P ir 6F5P pentodai yra panašūs, tačiau triodai skiriasi. Terminas "cмещение" (rus. poslinkis) tiesiogiai turėtų būti verčiamas kaip "poslinkis" ar "postūmis", o labiau tinkamas terminas lietuvių kalba yra "priešįtampis".
Automatinis priešįtampis nebūtinai yra blogas garsui, tačiau jam reikalingi pakankamos talpos ir kokybės šuntuojantys katodo varžos kondensatoriai. Pasitaiko schemų, kur šuntuojantis kondensatorius yra tik 50-100 µF, kas gali sukelti problemas 20 Hz dažniui. Automatinis priešįtampis dažnai yra vietinis grįžtamasis ryšys, kuris daugeliu atvejų sugadina garsą, nepaisant kondensatorių kokybės.
Kalbant apie maitinimą, elektroninis droselis maitinime gali pagerinti garsą, nes kai yra fiksuotas priešįtampis, anodinė įtampa taip pat pageidautina, kad būtų stabili, nes nuo jos vertės srovė per triodą priklauso 3/2 laipsniu. Tokiam atvejui elektroninis droselis yra pranašesnis - jis lengvai gali būti pervestas į stabilizatorių arba tiesiog gali "nuimti" įtampos perteklių. Kai kam labiau prie dūšios vielinis droselis ir automatinis priešįtampis, kartais net su nešuntuota katodine varža, sprendžiant pagal garsą ir atlikus skaičiavimus. Tačiau daugiau patirties įgyta su PP plius UL stiprintuvais, nes vientakčių (SE) su triodais gerbėjų nėra tiek daug.
Pavyzdžiui, jei 6F3P lempa veikia su 45 mA srove (Ia~45mA), keturioms tokioms lempoms reikėtų 4 x 45 = 180 mA. Jei turimi transformatoriai yra 137V, 160V, arba 140+70V su ~300 mA, tai maitinimo lempoms gali nepakakti. Naudojant daugintuvą (dvigubintuvą), srovė per apviją bus daugiau nei 2 kartus didesnė, tačiau bendri vatai išlieka tie patys.
Įdomus, bet mažai paplitęs variantas yra po lygintuvo LC filtras, prasidedantis "grynu" droseliu be C į žemę. Tokiam lygintuvui Uiš=0,8 U~, tačiau jam reikalingas tikras vielinis droselis.
Daugiajuosčių kolonėlių ir stiprintuvų sąveika
Kalbant apie signalo stiprinimą, svarbu suprasti, kaip jis sąveikauja su garso atkūrimo sistema, ypač su kolonėlėmis. Didelio jautrio aktyvinių garso sistemų vartotojams patarti lengviau, nes ruporiniams kolonėlių moduliams reikia labai mažai galios. Čia svarbu, kad stiprintuvo iškraipymai išliktų maži prie ypatingai mažos galios, todėl 20-30 W A-klasės galios stiprintuvas ruporams tinka geriausiai.
Lentyninės kolonėlės dažnai turi nedidelius garsiakalbius. Silpni motorai gali kompresuoti garsą, tačiau garsiakalbiams su "guminėmis" pakabomis reikalingas stiprintuvas su aukštu DF. Šis parametras tampriai susijęs su stiprintuvo galia, todėl dažnas ieško galingo stiprintuvo. Daugiajuosčių kolonėlių žemų dažnių (ŽD) moduliai atlaiko daug galios, bet efektyvumas išlieka žemas. Daugiajuosčių filtrai dažniausiai būna selektyvūs, nominali kolonėlių varža - nedidelė, o kompleksinė varža svyruoja plačiame diapazone, todėl reikalavimai stiprintuvui dar išauga. Jei kolonėlės jautris yra 88 dB/W/m, atstumas iki kolonėlių - 3 metrai, o muzika klausoma iš CD, stereo sistemos efektyvinis garsumas bus 92 dB. Nevertinant kolonėlių galios kompresavimo, pikinis garsumas gali siekti 105 dB.
PP stiprintuvų sudėtingumas ir sprendimai
Dvitakčiai (PP) stiprintuvai iš pirmo žvilgsnio turi daug privalumų prieš vientakčius (SE): geresni energetiniai parametrai, lengviau pasiekti didelius galingumus, jiems negresia geležies įsisotinimas ir gali būti paprastesni. Tačiau PP stiprintuvai turi ir didelį trūkumą: teoriškai neįmanoma pagaminti simetriško fazoinvertoriaus, nenaudojant fazei versti transformatoriaus.
Dažnai naudojamas fazoinvertorius, kurio schemoje matome paprasčiausią ir dažniausiai naudojamą sprendimą. Tačiau pažvelgus atidžiau, paaiškėja, kad tokio fazoinvertoriaus pečių išėjimo varžos kardinaliai skiriasi (iki dešimčių kartų). Be to, fazoinvertorius turi apkrovą, kuri turi nemažos įtakos jo anodo išėjimui. Millerio talpumas, kuris gali siekti kelis šimtus pikofaradų, gali apriboti pralaidumo juostą aukštesniuose dažniuose. Dėl šios priežasties tokia schema praktiškai nenaudojama, jei galiniame laipsnyje stovi triodai; paprastai statomi didelio stiprinimo pentodai.
Kitas sprendimas yra diferencialinis stiprintuvas, turintis du įėjimus ir du išėjimus. Vienas išėjimų yra invertuojantis, kitas neinvertuojantis. Nors tai atrodo gražu, viena lempa dirba su įžemintu katodu, kita su įžemintu tinkleliu, o tai reiškia, kad jų charakteristikos yra visai skirtingos. Laipsnio su įžemintu tinkleliu išėjimo varža yra labai didelė, skiriasi ir abiejų laipsnių stiprinimas. Nors jį galima suvienodinti parenkant rezistorių dydžius, schemos balansas priklauso nuo bendros katodinės varžos dydžio.
Transformatorinis stiprintuvas iš pažiūros yra pats paprasčiausias ir turi mažiausiai detalių. Tačiau gerą transformatorių pagaminti nelengva, o jo kaina yra nemaža. Transformatoriniame fazoinvertoriuje galima pasiekti idealų pečių balansą, kadangi nėra teorinių kliūčių tai padaryti. Transformatorius be kitų gerų savybių dar gali būti aukštinantis, tuo padidindamas bendrą stiprinimą. Svarbiausia PP transformatoriams yra išgauti kuo didesnę apvijų simetriją.
Vienas populiariausių visų laikų PP stiprintuvų buvo sukurtas Williamsono 1947 metais. Jo schema apima dvitaktį stiprintuvą su neigiamu grįžtamuoju ryšiu bei paskirstytos apkrovos fazoinvertoriumi. Kadangi NGR sumažino bendrą stiprinimą, prireikė papildomo laipsnio. Ši konstrukcija pasižymi puikiu skambesiu ir buvo daugelį kartų kopijuojama.
Kitas įdomus ir gerai skambantis aparatas yra Quad II. Jo įėjime panaudotas taip vadinamas parafazinis stiprintuvas su dviem pentodais, o apvijos grįžtamajam ryšiui galinių lempų katodo grandinėse leidžia smarkiai lateralizuoti galinio laipsnio charakteristikas. Šis stiprintuvas taip pat turi bendrą NGR.
Išvados
Signalų stiprinimas su triodais ir kitomis lempomis, nors ir turi savo specifiką ir kelia iššūkių, išlieka aktualus tiek ryšių technologijose, tiek aukščiausios klasės garso entuziastų tarpe. Nuo praktinių sprendimų, kaip pagerinti mobiliojo ryšio signalą, iki sudėtingų garso stiprintuvų konstrukcijų, kurių ištakos siekia praėjusį šimtmetį, triodai ir juos supanti technologija toliau žavi savo galimybėmis ir unikaliu skambesiu. Svarbu atsiminti teisinius aspektus, ypač įrengiant ryšio stiprintuvus, ir suprasti technologijų kainą bei kokybę, ypač Hi-End pasaulyje.
tags: #signalu #stiprinimas #triodas