Elektronkové zesilovače, jejich vlastnosti a konstrukce

Vakuové součástky, které pracují na principu emise elektronů – elektronky, byly v posledních 60 letech masivně nahrazovány polovodičovými součástkami. Princip vakuové emise se i tak ještě do nedávné doby používal pro konstrukci vakuových obrazovek, ale i ty však byly v posledních letech nahrazeny technologií kapalných krystalů a plazmatického zobrazení. Elektronky jsou však stále vyráběné v omezeném množství pro speciální účely, zejména pro konstrukci hudebních zesilovačů, a to kvůli svému nezaměnitelnému zvuku. Na trhu se objevují jak elektronkové zesilovače vysokých výkonů pro hudební skupiny, tak i zesilovače pro běžné použití. V obou případech se ale jedná se o kategorii luxusního a drahého zboží.

Vlastnosti elektronkových zesilovačů

Základním stavebním prvkem elektronkových zesilovačů je elektronka, která má schopnost zesilovat střídavý signál. Jedná se o vakuový prvek, který pracuje na principu emise elektronů ve vakuu z přímo nebo nepřímo vyhřívané katody. Elektrony dopadají na anodu a jejich tok je řízen systémem kovových mřížek umístěných mezi anodou a katodou. U elektronkových zesilovačů se používají dvě následující základní zapojení:

• Jednočinné zapojení v pracovní třídě A. V tomto případě je pracovní bod zesilovače nastaven do lineární části VA charakteristiky elektronky. Elektronka zpracovává kladnou i zápornou půlvlnu signálu. Toto zapojení se vyznačuje nízkým zkreslením. Zesilovač má nízkou účinnost, neboť elektronkou protéká vysoký klidový proud. Tímto zapojením je možno realizovat omezený výstupní výkon (asi 30 W), přičemž zapojení vyžaduje kvalitní zdroj napájecího napětí.
• Dvojčinné zapojení Push-Pull. U tohoto zapojení pracují elektronky ve třídě AB, tzn. že koncový stupeň je navržen tak, aby pří nízkých signálech zesilovaly obě elektronky ve třídě A a při vyšších signálech každá elektronka zpracovává jednu půlvlnu signálu. Elektronky musí mít zcela identické vlastnosti, zapojení vyžaduje výstupní transformátor ze zcela stejnými primárními vinutími. Toto zapojení má vždy přechodové zkreslení. Pro dosažení vyššího výstupního výkonu se někdy používá paralelní zapojení Push-Pull.

Pokud srovnáme princip činnosti tranzistorů a elektronek, je zřejmé, že elektronka pracuje s vysokým anodovým napětím a má vysokou vstupní i výstupní impedanci. Z toho vyplývá chování zesilovače při přebuzení. Obr. 1 ukazuje tvar signálu při přebuzení pro elektronkový a tranzistorový zesilovač. V případě elektronkového zesilovače dochází postupně k deformaci tvaru sinusového signálu, kdežto tranzistorový zesilovač začne od určitého okamžiku signál ořezávat. S tímto souvisí tvorba signálů vyšších harmonických signálů při provozu, které mají významný vliv na barvu a subjektivní vnímání zvuku.

Obr. 1 Tvar signálu při přebuzení [1]:
a) šedá – vstupní signál, černá – vstupní nezkreslený signál
b) výstupní signál při přebuzení u elektronkového zesilovače
c) výstupní signál při přebuzení u tranzistorového zesilovače

Předmětem diskuzí jsou úvahy o tom, co vlastně způsobuje výjimečnost zvuku u elektronkových zesilovačů. Je změřeným faktem, že se u elektronkových zesilovačů objevuje vyšší podíl harmonic-kých složek, zvuk má vyšší dynamiku, což se projevuje tím, že se jeví hlasitější.

Podle [3] mají elektronkové zesilovače harmonické složky rozloženy ve spodní hranici kmitočtového spektra, převažuje druhá harmonická na rozdíl od tranzistorových, které mají harmonické rozloženy v celé části spektra, kde je silně zastoupena třetí harmonická, která je lidskému uchu nepříjemná.

Výsledky měření

Obr. 2 Spektrální analýza pro tranzistorový a elektronkový zesilovač (výkon 0,4 W)

Dále budou uvedeny výsledky měření [1] pro jeden kanál elektronkového zesilovače se sinusovým výkonem 5 W, který pracuje ve třídě A v porovnání s tranzistorovým zesilovačem Pioneer A-307R. Oba zesilovače pracovaly při stejném výstupním výkonu 0,4 W. Z obrázku je patrno zastoupení druhé harmonické složky, která dává elektronkovému zesilovači jeho charakteristický „elektronkový“ zvuk. Na obrázku 3 je provedena spektrální analýza pro výstupní výkon 1,8 W, kde je patrno navýšení složek harmonických signálů v nižší části spektra. Měření bylo prováděno na přístroji AGILENT 4395A.

Obr. 3 Spektrální analýza pro elektronkový zesilovač (výkon 1,8 W)

Provedení zesilovačů a zvláštnosti pro konstrukci

Konstrukce elektronkových zesilovačů bývá odlišná od konstrukce současných elektronických zařízení. V důsledku nutnosti použít rozměrné transformátory je nezbytné použít klasické kovové šasi, nejlépe z nemagnetického materiálu. Je třeba počítat s tím, že se celé zařízení zahřívá. Musí být zajištěno dostatečné chlazení systému a použity materiály, které snesou zvýšenou teplotu. Pro napájení se používá podstatně vyšší anodové napětí, typicky asi 250 V, které omezuje použití SMD součástek. Při návrhu plošného spoje je třeba zajistit větší izolační mezery a je téměř nezbytná nepájivá maska. Z důvodů vyššího proudového i mechanického zatížení se výhradně používá tloušťka mědi 70 μm. Při konstrukci je třeba dbát na elektrickou bezpečnost, zvláště výstupní transformátory a vazební kondenzátory musí mít dostatečnou izolační pevnost.

Při návrhu je třeba věnovat značnou pozornost odstranění síťového brumu. Významnou roli hraje vzájemná orientace síťového a výstupního transformátoru, zvláště u stereofonních verzí, přičemž jeho jádra by měla být předimenzovaná z důvodu menšího magnetického sycení.

Kvalitu zvuku zásadně ovlivňuje konstrukce výstupního transformátoru. Pokud jej chceme navrhnout kvalitní, je třeba při jeho konstrukci dodržet celou řadu zásad. Z důvodů dosažení nízké parazitní kapacity je třeba použít prokládáné vinutí a tenké transformátorové plechy s velkou permeabilitou. Podrobné úvahy týkající se vhodné konstrukce, vlivu zpětné vazby a provedení reproduktorových sestav na kvalitu zvuku jsou podrobně uvedeny v [5].

Elektronkové zesilovače se „vylepšují“ moderními elektronickými obvody (Blue- Tooth modul, automatické vypínání zesilovače, pokud není signál, omezení žhavicího proudu při zapnutí termistory NTC apod.). Zesilovače jsou téměř vždy konstruovány tak, aby bylo vidět atraktivní vzhled svítících elektronek a někdy se doplňují fluorescenčním indikátorem (magické oko).

Na obrázku 4a je uvedeno možné provedení elektronkového zesilovače s označením ELZES2x5a, který pracuje ve třídě A s výstupním výkonem 2 × 5 W a je umístěný ve dřevěné skříni. Efektní vzhled zesilovače při provozu „vylepšuje“ skleněná přední stěna, jako indikátor výstupního výkonu je použito páskové fluorescenční „magické oko“. Zesilovač je vybaven modulem BlueTooth. Nejčastěji používané je provedení s odkrytými elektronkami. Příklad tohoto řešení je na obrázku 4b.

Obr. 4 Možná provedení elektronkového zesilovače [2] vlevo a [4] vpravo

Závěr

V současné době obliba elektronkových zesilovačů roste, objevuje se celá řada výrobců elektronkových zařízení, hlavně zesilovačů, kteří využívají zásoby dříve vyrobených součástek, zvláště elektronek. Některé elektronky se začaly znovu vyrábět. Pokud se někdo rozhodne realizovat elektronkové zařízení, je třeba počítat s tím, že staré originální součástky (hlavně patice, přepínače) mohou mít sníženou spolehlivost, některé se vůbec použít nedají (např. elektrolytické kondenzátory). Podrobné údaje o vlastnostech a hlavně konstrukci elektronkových zařízení včetně zesilovačů je možno získat ve starších časopisech a knihách.

sandera@feec.vutbr.cz

www.smtplus.cz