1. Apie stiprintuvo ir jo apkrovimo varžas

Dažnai girdime klausiant, ar tiks tam ar kitam stiprintuvui kolonėlės, kurių varža yra, pvz. 8 omai. Ką gi tai reiškia? Kokią reikšmę turi stiprintuvo darbui apkrovimo varžos dydis? Šį dalyką galime pavaizduoti visai ne elektroniniu pavyzdžiu, kuris bus suprantamas daugeliui žmonių, net vaikams ir namų šeimininkėms. Įsivaizduokime, kad mes iriamės valtimi. Irkluotojas - tai energijos šaltinis (o stiprintuvas - taip pat energijos šaltinis). Irkluotojas traukia irklus ir tokiu būdu varo valtį į priekį. Paprastai irklas būna prie valties pritvirtintas netoli savo ilgio vidurio. O kas bus jei pritvirtinsime kitaip? Įsivaizduokime irklą, pritvirtintą taip, kad į irkluotojo pusę teks 20 cm o už borto bus ilgas gabalas - 200 cm. Žmogui bus labai sunku patraukti tokį irklą, irkluotojas nepakels tokio apkrovimo, suprakaituos visas, o valtis vos judės į priekį. Tas pats ir su stiprintuvu, apkrautu mažesne nei stiprintuvo išėjimo varža. Stiprintuvas perkaista, reikiamo galingumo atiduoti negali. Kitas variantas: irklas pritvirtintas atvirkščiai, irkluotojas laiko ilgąjį irklo petį, vandenyje gi mirksta trumpasis. Dabar irkluotojui bus irklą tampyti vieni niekai, bet vandenyje mirkstantis trumpas irklo galiukas vos judės, o valtis irgi. Čia atvejis, kai stiprintuvą, kurio išėjimo varža 2 omai, apkrauname  16 omų kolonėlėmis. Stiprintuvas lieka neapkrautas, kolonėlių garsas silpnas. Optimalus variantas - irklus padalinti per vidurį, t.y. stiprintuvo išėjimo varža lygi kolonėlių varžai. Šiuo atveju bus atiduodamas maksimalus galingumas. Tiesa, su stiprintuvais stengiamasi daryti kiek kitaip. Naudingiausia, kai stiprintuvo išėjimo varža kuo mažesnė, tokiu atveju bus geriau slopinami garsiakalbio savieji virpesiai ir bus tiksliau atkuriamas signalas. Bet čia jau kita tema.

Pavyzdys, žinoma, nėra visai tikslus, bet, manau, pakankamai iliustratyvus.

2. Du skirtingi žemų dažnių atkūrimo principai

Kodėl garsiakalbis blogai veikia padėtas ant stalo, be jokios dėžės? Čia pasireiškia taip vadinamas akustinis trumpas jungimas. Jis yra aktualus žemiems dažniams, kada akustinės bangos ilgis yra gerokai didesnis už garsiakalbio difuzoriaus matmenis. Garsiakalbiui judant, jo difuzorius sukuria oro sutankėjimus - praretėjimus, kuriuos ir girdime. Pavyzdžiui, jei duotu momentu difuzorius juda pirmyn, priekinė jo pusė orą suspaudžia, o užpakalinė praretina. Bet kai bangos ilgis didelis, užpakalinis praretėjimas apgaubia garsiakalbį, apibėga aplink ir susilieja su sutankėjimu, taip vienas kitą naikindami. Boso negirdime, o tik malame orą aplink garsiakalbį. Norint išvengti akustinio trumpo jungimo, reikia kokiu nors būdu izoliuoti difuzoriaus užpakalinio paviršiaus skleidžiamą garsą. Geras variantas būtų įstatyti garsiakalbį į plokščią ekraną, tačiau jo gabaritai turi būti didesni už žemiausio atkuriamo garso bangos ilgį - apie 6 metrus :) Todėl esame priversti kišti į dėžę. O dėžė turi trūkumą: joje uždaryto oro stangrumas priešinasi garsiakalbio difuzoriaus judėjimui, dėžė turi savo akustinius rezonansus, dėl ko ne visi dažniai pradedami atkurti vienodai ir tt. Klasikiniu atveju dėžės gabaritai būna nemaži, žemų dažnių garsiakalbio difuzorius taip pat didelis. Čia būtų panašiai kaip palyginus smuiką ir kontrabosą: didesnis instrumentas, geriau atkuriami žemi dažniai. Tačiau ne visada yra galimybė pastatyti normalias, dideles kolonėles. Bet normalaus, didelio garsiakalbio negalime kišti į mažo gabarito dėžę, kadangi dėžėje esantis oras veiks kaip tamprus kūnas, savotiška spyruoklė ir smarkiai priešinsis garsiakalbio difuzoriaus judėjimui. Todėl apie 1950 metus buvo sukonstruoti taip vadinami kompresiniai garsiakalbiai. Jie skiriasi nuo klasikinių garsiakalbių tuo, kad turi palyginti nedidelį difuzorių ir didelę jo eigą. Čia jau turime nebe akustinį prietaisą, o kažką panašiau į pompą su mažu stūmokliu ir didele eiga. Juk norint išjudinti tokią pačią masę oro (išgauti tokio pat stiprumo garsą) galime elgtis dvejopai: arba judinti dideliu difuzoriumi ir nedidele jo eiga, arba mažu difuzoriumi ir didele eiga. Taigi, mažose dėžėse oro stangrumas žymiai silpniau veikia mažą difuzorių (priklauso nuo jo ploto), mažiau priešinasi ir rezultatas bus geresnis. Garsiakalbio dėžė tokioje sistemoje turi būti mechaniškai tvirta, be plyšių, per kuriuos galėtų sunktis garsiakalbio stumdomas oras ir be mechaninių rezonansų. Panašiu principu yra sukonstruotos visiems gerai žinomos kolonėlės S-30 Bet tokia mažų gabaritų sistema turi didelių trūkumų. Ji neturi laisvai judančio garsiakalbio difuzoriaus gerųjų akustinių savybių. Garsas, kaip besistengtų gamintojas bus bubnenantis. Antras didelis tokių sistemų trūkumas tai mažas jautrumas. Ši ypatybė išplaukia iš kompresinio garsiakalbio konstrukcijos. Piešinyje viršuje klasikinis garsiakalbis, apačioje kompresinis.

Viršutiniame, klasikiniame garsiakalbyje nereikalinga didelė garsiakalbio ritės eiga, kadangi jo difuzorius didelis. Kai eiga nedidelė, galima daryti ilgą magnetinį plyšį, kuriame juda ritė. Ritė neturi judėdama išeiti už plyšio ribų, kitaip sakant vijų skaičius plyšyje turi būti visą laiką vienodas, nes tuoj pat atsiras netiesiniai iškraipymai. Ilgame plyšyje turime daug vijų magnetiniame lauke, o tuo pačiu ir didelį garsiakalbio jautrumą. Apatinis garsiakalbis - kompresinis, su didele ritės eiga ir mažu difuzoriumi. Kad ritė, judėdama magnetiniame plyšyje didele amplitude neišeitų iš plyšio ribų, esame priversti trumpinti plyšį. Šio pasėkoje magnetiniame lauke turime gerokai mažiau vijų ir gerokai mažesnį garsiakalbio jautrumą. Iš dalies tą galima kompensuoti didinant magnetą (dėl to kompresiniai su dideliais magnetais), bet to, kaip taisyklė, nepakanka. Aiškiai matyti, jog didelė dalis ritės neveikia, nes jos nekerta magnetinis laukas. Taigi, jei norime gerų, efektyvių kolonėlių, turime taikstytis su dideliais gabaritais. O jei pirmoje vietoje sistemos gabaritai, teks susitaikyti su mažu jautrumu ir specifišku žemų dažnių atkūrimu.

3. Ar yra neigiamas grįžtamas ryšys lempiniame stiprintuve be grįžtamojo ryšio?

Tarp lempinių stiprintuvų vieni geriausių pagal savo skambėjimo natūralumą yra vientakčiai stiprintuvai su vakuminiais triodais galiniame laipsnyje. Paprastai jie yra konstruojami taip, kad būtų išvengta neigiamo grįžtamojo ryšio, kuris, bendru atveju, leidžia pasiekti geresnius išmatuotus stiprintuvo parametrus. Jo pagalba galime pasiekti mažesnį iškraipymų koeficientą, mažesnę stiprintuvo išėjimo varžą ir tt. Tačiau NGR pritaikyti nėra taip paprasta, kaip atrodo iš pirmo žvilgsnio, nevykusiai jį taikant, yra nemažai povandeninių akmenų, kurie gali visą reikalą pagadinti.

Pentodiniuose stiprintuvuose, dėl pentodų charakteristikos didoko netiesiškumo, NGR nepavyksta išvengti. Tačiau triodiniai puikiai skamba ir be jo. Triodo voltamperinė charakteristika yra žymiai tiesiškesnė, nei pentodo. Kame čia reikalas?

1 pav. Lempos viduje elektronai juda iš katodo link anodo veikiami elektrinio lauko. Neigiamus elektronus traukia teigiamas anodas. Jei didinsime valdančiojo tinklelio įtampą, elektronų sriautas didės, srovė per lempą didės, o įtampa ant anodo mažės (kris ant apkrovos). Taigi, valdančiojo tinklelio ir anodo kintamosios įtampos bus priešingos fazės. Kad anodo lauko pokytis neveiktų tinklelio sukuriamo lauko, pentode yra įvestas ekraninis tinklelis, kuris pagal kintamą įtampą yra įžemintas per kondensatorių C1. Žodžiu, anodo ir tinklelio laukai yra atskirti. Dėl to pentodas turi didelį stiprinimo koeficientą ir specifinę charakteristiką. Jokio grįžtamojo ryšio tarp anodo ir valdančiojo tinklelio nėra.

2 pav. Pabandykime paduoti kiek išėjimo signalo į ekraninį tinklelį. Tam jį pajunkime prie transformatoriaus atšakos. Dabar turėsime schemą su neigiamu grįžtamu ryšiu - ant ekraninio tinklelio turėsime priešingos fazės signalą nei ant valdančiojo. Tokia schema yra vadinama ultralinijine ir yra plačiai paplitusi. Ji turi gerų pentodo savybių (didelis stiprinimas) ir gan mažus iškraipymus. Trūkumas - parametrai smarkiai priklauso nuo apkrovimo varžos.

3 pav. Eikime toliau šiuo keliu. Slenkame transformatoriaus atšaką žemyn iki anodo. Faktiškai gauname triodą. Ekraninis tinklelis yra anodo dalis. Šiame pseudo triode yra maksimalus anodo lauko poveikis į valdančiojo tinklelio sukuriamą lauką. Iš esmės turime stiproką grįžtamajį ryšį - juk anodo sukurtasis kintamas laukas bus priešingos fazės, nei valdančiojo tinklelio sukuriamas laukas. Bet kuris vakuminis triodas turi šį paslėptą NGR. Dėl šios priežasties lempiniai stiprintuvai su vakuminiais triodais ir yra vieni geriausių pagal savo skambesį. Šis NGR nėra schemotechnikos pasekmė, bet tai yra vakuminio triodo prigimtinė savybė.

4.Kaip veikia vakuminė radiolempa?

Šis klausimas dažnai kyla žmogui, kiek primiršusiam fizikos kursą ir sumaniusiam pasigaminti kokį lempinį stiprintuvą. Viena paprastesnių radiolempų, skirta stiprinti signalui, vadinama triodu. Ji padaryta šitaip: stiklinėje kolboje, iš kurios ištrauktas oras, yra įtaisyta keletas elektrodų. Piešinuke apačioje horizontaliu brūkšniu pavaizduotas elektrodas, vadinamas katodu. Po juo - kaitinimo siūlas, skirtas katodui įkaitinti iki maždaug 800 laipsnių temperatūros. Esant tokiai temperatūrai, lempos katodas pradeda spinduliuoti elektronus, aplink katodą atsiranda visas elektronų debesėlis. Kaip žinome, elektronas yra neigiamo krūvio dalelė. Viršutinėje kolbos dalyje brūkšniu pavaizduotas kitas elektrodas, vadinamas anodu. Jei prie anodo prijungsime teigiamą baterijos polių, o prie katodo neigiamą, atsiradęs elektrinis laukas pradės traukti neigiamo krūvio elektronus prie teigiamo potencialo anodo ir grandinėje baterija - katodas - anodas pradės tekėti srovė. Srovė tekės vakuumu, nešama elektronų. Srovės dydis priklausys nuo keleto veiksnių: nuo katodo spinduliavimo intensyvumo, nuo įtampos anodo grandinėje, nuo atstumo tarp anodo ir katodo, t.y. lempos konstrukcijos.

Dabar įtaisykime tarp katodo ir anodo dar vieną elektrodą, konstruktyviai tinklelio pavidalo. Tinklelį patalpinkime arčiau katodo nei anodo ir paduokime į jį nedidelę neigiamą įtampą. Kas gausis? Dalis elektronų, išspinduliuotų katodo, bus tinklelio stumiami atgal, priveriant jiems kelią iki anodo (neigiamas tinklelis atstums neigiamus elektronus). Dalis gi pro tinklelio tarpus vistik pasibraus iki anodo, bet srovė per lempą bus sumažėjusi. Keisdami tinklelio potencialą, galėsime keisti ir srovę per lempą, o tinklelio nedideli įtampos pokyčiai gan stipriai keis lempos srovę, kadangi tinklelis yra arčiau katodo, ir jo lauko poveikis gerokai stipresnis nei anodo sukuriamo lauko. Jei lempos anodo grandinėje įjungsime rezistorių, tai srovės pokyčiai per jį duos gan nemažus įtampos pokyčius, gerokai didesnius nei įtampos pokyčiai tinklelio grandinėje. Faktiškai gausime sustiprintą tinklelio signalą.

5. Kodėl akustinėse sistemose dažnai perdega aukštų dažnių garsiakalbiai?

Iš pirmo žvilgsnio šis fenomenas atrodo keistokai. Juk muzikiniame signale aukšti dažniai pagal savo energiją sudaro visai mažą dalį, todėl jei į kolonėlę paduosime per daug galios, atrodytų jog turi pirmiausia neatlaikyti žemų dažnių garsiakalbis. Signalo spektre pagal galią būtent žemiems dažniams tenka liūto dalis. Bet, kaip taisyklė, neatlaiko mažiukas aukštadažnis. Kodėl taip yra?

Tai paaiškinama gan paprastai. Jei perkrauname stiprintuvą, įeiname į taip vadinamą klipingą, kai pradedamas riboti signalas. Ribojant signalą įsotinami galiniai tranzistoriai ir kerpamos signalo viršūnės, sinusoidė savo forma artėja prie stačiakampio su plokščia viršūne. Matematiškai galima parodyti (išskleidus Furje eilute) jog šiuo atveju signale staigiai didėja aukštųjų harmonikų kiekis. Kitaip sakant, signale atsiranda to, ko pradžioje nebuvo ir būtent spektro aukštojoje dalyje. Spektras smarkiai plečiasi net į ultragarsinę zoną, bet mes to jau negirdime. Tačiau aukštų dažnių garsiakalbiukui tenka visai nenumatytas papildomas krūvis. Tas aukštadažnis, mums dažnai negirdimas triukšmas puikiai praeina per kolonėlių filtrus būtent tik į aukštadažnį garsiakalbį ir jį paprasčiausiai sudegina. Vaizdumo dėlei galima pasakyti, jog jei turime 1000Hz sinusinį signalą, tai tik jį ir turime. Bet jei turime 1000Hz stačiakampį (kuris de facto yra smarkiai iškraipyta sinusoidė), tai kartu turime begalinę seką harmonikų, kur kiekvienos aukštesnės harmonikos amplitudė yra vis mažesnė.

Įdomu, kad kolonėles dažniau degina mažo galingumo stiprintuvai, kadangi žymiai lengviau įeina į perkrovos režimą. Dar įdomiau, kad lempiniai stiprintuvai su transformatoriniu išėjimu apskritai nedegina kolonėlių, kadangi net perkrovos metu lempa dirba "minkštu" režimu, todėl papildomų harmonikų kiekis nedidelis, signalo ribojimas užapvalintas, be staigių perėjimų. Lempinio klipingą girdime daugiau kaip tembro pasikeitimą ir tiek.

Kaip matome, yra daug sudėtingų dalykų, kuriuos galime paaiškinti visai nesunkiai, naudodami gyvenimiškas analogijas. Tokie paaiškinimai dažnai nėra visai tikslūs, bet iliustratyvūs, juos nesunkiai gali suvokti ir žmogus, nesimokęs aukštųjų matematikų :)