Лампа - транзистор: кто кого ?

Итак, лампа или транзистор, плюсы и минусы их применения в усилителях (имеются в виду линейные усилители мощности, используемые в достаточно мощных комплектах по озвучиванию концертных площадок, задача которых - простое усиление сигнала с наименьшими искажениями).
Лампа, плюсы.
1.В плане качества звучания - более высокая линейность ламп (хотя и у ламп начальный участок вольтамперной характеристики нелинеен) позволяет простыми средствами добиться относительно приличного звучания. Более "плавный" излом начальной характеристики и обуславливает небольшую величину интермодуляционных искажений двухтактного лампового выходного каскада, работающего в режиме АВ.
2.При перегрузке усилителя ограничение выходного сигнала ввиду особенностей ламповой схемотехники (меньшая глубина общей и местных ООС, и т.д.) имеет более "мягкий" характер, что обуславливает меньшее число и амплитуду гармоник.
3.В плане надежности тоже есть один плюс - ток катода имеет определенную величину максимального тока, и кратковременное уменьшение сопротивления нагрузки не ведет к его недопустимому повышению, что обуславливает достаточно высокую устойчивость ламповых усилителей к к.з. в нагрузке. Однако при к.з. нагрузки рабочая точка, как правило, вылетает далеко за область безопасных режимов, и при длительной работе в таком режиме ведет к перегреву анода и термическому разрушению лампы.
4.Простота ламповых схем - тоже преимущество, впрочем, весьма относительное и проистекающее из-за меньшей вариабельности конструкторско-технологических возможностей применения ламп. На этом, пожалуй, список их достоинств исчерпан.
Минусы.
1.Шум. Как известно, первооснова шума - тепловое движение и разогретый катод весьма неплохо это подтверждает. Второй недостаток, усугубляющий первый - высокое входное сопротивление лампы . Само по себе это очень хорошо и во многих отношениях это качество просто незаменимо, но в усилителях мощности это приводит к повышенному уровню наводок переменного тока, и борьба с ними обычно не заканчивается достижением высоких показателей, несмотря на применение всевозможных экранов и прочих средств. Поэтому получить отношение сигнал/фон+шум более 90 дБ. в ламповом усилителе практически невозможно.
2.Потеря эмиссии. При эксплуатации несколько дней в неделю по несколько часов в день максимальный срок службы выходных ламп до полной потери эмиссии - несколько лет. Далее их надо менять, а если вы хотите еще и нормальное качество звучания - их необходимо подбирать по одинаковому начальному току анода при фиксированном смещении - имеется в виду выходной каскад с несколькими параллельно включенными лампами (если, конечно, все остальное на уровне). Подскочившая в последнее время цена ламп еще более углубляет эту проблему.
3.Малая механическая прочность. Перевозить на расстояние более 10 км. в жестком отсеке нельзя - по прибытию в пункт назначения из усилителя высыпятся осколки баллонов ламп - проверено многократно. Применять ламповые усилители можно только в стационарных условиях, для выездной работы они непригодны (можно, конечно, купить соответствующий и поэтому весьма дорогой кофр, но где вы такое видели? ("Rolling Stones" не в счет)).
4. Микрофонный эффект. Уменьшить можно, построив входные каскады на ОУ или транзисторах, но тогда усилитель получается не совсем ламповый... Хотя имеет значение при построении высокочувствительных входных каскадов, в усилителях мощности внимание на себя как правило не обращает.
5. Невозможность избавиться от выходного трансформатора. Пожалуй, один из главных недостатков. Для получения нормальных характеристик трансформатор имеет достаточно сложную конструкцию, железо также должно быть наилучшего качества, (пермаллой с небольшой петлей гистерезиса), и нельзя опускать из виду плюс ко всему качество изготовления изоляции - усилитель-то не бытовой. Главные недостатки применения тр-ра - невозможность получить широкую полосу, невозможность получить высокую скорость нарастания выходного сигнала (более 10В/мкС), и фазовый сдвиг, уменьшающий устойчивость и не позволяющий использовать более глубокую ООС. Все это не позволяет достичь малого Кг, из пожалуй десятка ламповых аппаратов, которые попадали ко мне в лабораторию, ни один не имел Кг менее 0,3%.
Все вышеперечисленное резко ограничивает сферу практического применения ламповых усилителей, и если все-таки остановиться на том, что усилитель должен только усиливать звук, а не нести отсебятины, (ведь у энтузиастов лампового звука главный аргумент - "богатое", т.е. насыщенное гармониками звучание), то необходимость применения ламповых усилителей в профессиональных системах усиления весьма спорна.
Транзисторы, минусы.
1.Самый главный в плане надежности - невозможность ограничения коллекторного тока. При спонтанном уменьшении сопротивления нагрузки, (имеется в виду выходной каскад) ток коллектора при отсутствии систем защиты от к.з. растет пропорционально (детали типа фазового сдвига ввиду комплексного характера нагрузки для упрощения учитывать не будем), и в какой-то момент рабочая точка выходит за область безопасных режимов, что приводит к местному перегреву кристалла ввиду ненулевого теплового сопротивления "кристалл-радиатор" и последующему пробою. Если быть более точным, при повышении температуры кристалла кремния выше 150С вначале происходит тепловой пробой, который обратим, если ограничить коллекторный ток, если же его не ограничивать - далее наступает электрический пробой, который, увы, необратим. Это приводит к необходимости ввода различных защитных устройств, не всегда эффективно работающих - не будем забывать, речь идет о профессиональных усилителях, где надежность превыше всего, и где тщательная проработка защиты от к.з. жизненно необходима.
2. Термозависимость. При повышении температуры кристалла выше 25С предельно допустимая мощность линейно снижается от максимальной к 0 при темп.150С, что приводит к необходимости тщательной проработки охлаждения.
3. Разброс параметров транзисторов. Проблема, более характерная для отечественных изделий. При измерении параметров "буржуйских" транзисторов Toshiba 2SC3281 и 2SA1302 разброс Н21э составил не более 5% для десятка тех и других. Видимо, эта проблема упирается в соблюдение/несоблюдение технологической чистоты производства.
4. Нелинейность коллекторной емкости. Как известно, обратносмещеный p-n или n-p переход имеет емкость, обратнопропорционально зависимую от приложенного напряжения. Это приводит к динамической неустойчивости усилителя при недостаточно тщательной коррекции ООС., а в предварительных каскадах с оэ. - к повышенному к.г..
5. Нелинейность коэффициента усиления. Все транзисторы, как правило, имеют определенную величину коллекторного тока, при которой коэффициент усиления максимален, и при увеличении/уменьшении тока он падает. Это тоже способствует общему повышению Кг.
6. Нелинейность входной характеристики. Главный недостаток с точки зрения поборников лампового звука. Действительно, входная характеристика имеет резкий излом, и использование транзистора в качестве усилителя напряжения в схеме с оэ. заведомо ограничивает получение высоких качественных характеристик. Однако достаточно исключить применение каскадов с оэ. (в крайнем случае, вместо каскада с оэ. можно использовать каскодную схему включения оэ.-об.), или применяя включение транзистора в качестве усилителя тока, и этот недостаток (и предыдущие два) сводится к минимуму.
Плюсы.
Отсутствие накала. Мгновенная готовность к работе - весьма ощутимый плюс.
Высокая механическая прочность. Надо ли говорить, как важна высокая механическая надежность усилителя для практической работы.
Низкая стоимость транзисторов. По отношению к лампам той-же суммарной мощности транзисторы стоят значительно дешевле.
Неограниченый срок службы. Потеря эмиссии у ламп - вещь крайне неприятная и, увы, неизбежная, и транзисторы здесь выглядят куда привлекательнее.
Отсутствие необходимости использовать выходной трансформатор. Отсутствие ограничений со стороны выходного трансформатора позволяет добиваться характеристик, которые для ламповых аппаратов недостижимы.
Малые размеры и вес. Тоже весьма неплохое дополнение к предыдущим плюсам.
Резюмируя вышесказанное, можно сказать следующее: в плане практического применения однозначно предпочтительнее грамотно сконструированный транзисторный аппарат. Сейчас ситуация на рынке профессиональных транзисторных отечественных усилителей значительно лучше, чем 5-10 лет назад, и усилия разработчиков по повышению общей надежности и качества явно заметны. Ламповые аппараты в составе мощных порталов уже можно воспринимать как экзотику, в настоящий момент для создания мощного концертного саунда практически не применяемую.

Сергей Сакевич
Комментарии от DZ-ONLINE