Lampar í audio rásum

Inngangur
Það er vel kunnugt að tónlistarmenn, upptöku-, stúdíó-, og áhugamenn um hljómgæði
kjósa að nota lampamagnara. Ástæðan fyrir því gæti verið minni bjögun við yfirálag
og þeirrar mýktar sem lampinn býður upp á.
Því miður eru aðeins örfáir framleiðendur sem framleiða lampa. Framleiðsla á
lömpum er hátæknileg og dýr og þess vegnar er mikið framleitt af sömu týpunni. Það
gerir það að verkum að aðeins tæplega þrjátíu gerðir lampa eru í framleiðslu í dag.
Lampar eða “Vacuum tube” eins og þeir heita á ensku, hafa langa og áhugaverða
sögu. Hér á eftir verður farið yfir helstu atriði sögu lampans.

Edison-ljósaperan
Þetta byrjaði allt saman þegar bandaríkjamaðurinn Thomas Alva Edison fann upp
ljósaperuna. Fyrstu ljósaperurnar loguðu stutt og áttu það til að verða svartar.
Þessi sverta var kölluð Edison effect .
Það var fundið út að þessi sverta orsakaðist vegna kolefnis sem lagðist á glerið.
Edison tók eftir að með því að setja auka skaut á jákvæða enda glóðarinnar í perunni
mældist lítill en mælanlegur rafeindastraumur á milli þeirra.
Hann skýrði þetta tæki Electrical indicator eða rafeindaskynjara.

Fleming-díóðan
Maður að nafni Sir John Ambrose Fleming vann að því að þróa fyrstu díóðuna og árið
1904, meðan hann vann hjá Marconi Company, fékk hann það verkefni að geta
skynjað veik þráðlaus merki.
Fleming hafði unnið með Edison’s lampa árið 1889 og ákvað að reyna að setja einn
svona lampa í oscillator rás sem innihélt straummælir. Hann hafði fundið lausnina á
því að afriða hátíðni í þráðlausum rásum.
Mynd af Fleming díóðu
Fleming gerði margar breytingar á lampanum sínum næstu árin. Sumar breytingarnar
voru t.d. tungsten glóð og innsetning skermingar inní lampann sem kemur í veg fyrir
utanaðkomandi áhrif á hann. Hann sérpantaði margar týpur af lömpum frá verksmiðju
Edisons og hélt áfram að bæta hann.
Fleming sótti um einkaleyfi á þessum uppgötvunum 25. Janúar 1908. Skömmu eftir
að lamparnir hans Flemings voru framleiddir voru þeir komnir í nokkur rafmagnstæki.
Einn af fyrstu móttökurum sem notuðu þessa díóðu-lampa voru Marconi-Fleming
lampa móttakararnir. Þetta var byrjunin á byltingu þráðlausra fjarskipta.
de Forest-tríóðan
Næsta stóra skrefið í þróun lampans tók maður að nafni Lee de Forest. Árið 1905 var
de Forest einnig að vinna við lampa og þróaði audio lampann eða Audion. Ólíkt
lampanum frá Fleming, þar sem einungis voru tvö skaut, var þriðja skautið komið á
5
lampann hjá de Forest, þetta var tríóða. Lampann var bæði hægt að nota sem magnara
eða rofa.
Margir af fyrstu útvarpssendunum voru byggðir af de Forest og í þá notaðar tríóður.
En deilur voru um hvort de Forest hafi þróað lampann út frá eigin rannsóknum eða
hvort hann hafi notað rannsóknir Flemings sér til hliðsjónar. De Forest var staðfastur á
því að hann hafi þróað audio lampann út frá eigin rannsóknum. De Forest sótti um
einkaleyfi og þann 13. Nóvember 1906 var honum veitt einkaleyfi á fyrsta audio
lampanum.
Mynd af De Forest lampa
Audio lampinn gekk í gegnum margar breytingar en aðallega vegna þess að
framleiðendurnir vildu minnka framleiðslukostnaðinn. Fram komu audio lampar með
einu filamenti, tveimur filamentum, eins vængja, tveggja vængja og fleira. Þróunin
var gífurleg. Ytra útlit lampans breyttist mikið og það hafði einnig áhrif á innri virkni
hans. Á þeim tíma var hagkvæmasta aðferðin við framleiðslu audio lampans að nota
kúlulaga gler.
Mikilvæg uppgötvun við þróun hans var að bæta við stýrigrind milli á anóðu og
katóðu. Þessi breyting gerði það að verkum að lampinn gat magnað veikt merki upp í
tiltölulega sterkt merki. Þetta er grunnurinn fyrir mögnun á audio merki.
Möguleikarnir virtust óendanlega miklir. Audio lampinn var færður símafyrirtækinu
AT&T með það fyrir augum að nota þá í endurvaka eða magnara á símalínum sem
lagðar voru langar leiðir. AT&T voru svo hrifnir að þeir keyptu sum einkaleyfin af de
Forest fyrir 50.000 dollara og gáfu Western Electric þau fyrirmæli að bæta og þróa
audio lampann enn betur. Western Electric bættu og þróuðu audio lampann þannig að
hann var hættur að vera ótraustur og orðinn traustur hágæða audio lampi. Þeir héldu
svo áfram að koma með nýjar og betri týpur á markaðinn.
Eftir þetta fóru mörg fyrirtæki út um allan heim að þróa og framleiða lampa.
Þetta ætlum við að láta nægja með sögu lampans, þessir menn sem hér hefur verið
fjallað um voru frumkvöðlar í þróun lampana sem er án efa ein af merkilegustu
uppfinningum sem hafa nokkurn tíman verið gerðar.

Virkni Lampans
Allir málmar hafa lausar rafeindir. Við hitun málmsins víbra erónurnar og atómin
stöðugt. Ef málmurinn er hitaður nægilega gæti það leitt til þess að sumar lausar
rafeindir öðlist nægilega hreyfiorku til þess að færa sig og yfirstíga kraft atómsins.
Í einföldustu gerð af lampa eru tvö skaut og glóðarvaf sett saman í lofttæmt hylki.
Skautin eru annars vegar katóða sem gefur frá sér rafeindir og hins vegar anóða sem
tekur þær til sín. Til þess að rafeindirnar nái nægum hraða til að yfirvinna
yfirborðskrafta katóðunnar og katóðan fari að gefa af sér rafeindir, þarf
utanaðkomandi orku. Þessi orka er oftast í formi hita, sem er fenginn með því að
hleypa straumi á glóðarvaf.
Í lömpum er hitaði málmurinn katóðan og þegar hún er hituð upp að ákveðnu hitastigi
myndast svokallað rafeindaský inn í lampanum. Þar eru rafeindirnar neikvætt hlaðnar
og þegar komið er upp á ákveðinn punkt, stoppa rafeindirnar og jafnvægi næst .
Þegar anóða er sett nálægt katóðunni og hlaðin jákvætt, færast rafeindirnar úr
ofangreindu rafeindaskýi að anóðunni. Þá tæmist rafeindaskýið, það hættir að laða til
sín rafeindir og meiri straumur fer þá í gegnum katóðuna. Straumur getur aðeins farið
í aðra áttina því aðeins katóðan getur sent frá sér rafeindir og bara anóðan getur tekið
við þeim.
Á sama augnabliki og rafeindirnar yfirgefa rafeindaskýið í lampanum hreyfast þær
með næstum engum hraða. Þær hafa hins vegar stöðuga hröðun sem kemur til vegna
rafeindasviðs milli anóðu og katóðu. Hægt er að reikna út hröðunina á rafeindunum
með eftirfarandi formúlu:
Hröðun = v ((2V) * (Q. / Me))
Þar sem hlutfallið milli Qe og Me er hleðsla rafeindana og V er spenna milli
anóðu og katóðu.
Hér má reikna að ef að 100V er á milli anóðu og katóðu er hraði rafeindana um 6000
km/s
Lofttæmið inn í lampanum getur ekki verið fullkomið, það verða alltaf gas sameindir
milli anóðu og katóðu. Þegar rafeind nálgast anóðuna hefur hún náð sínum
hámarkshraða. Ef hún rekst á gas sameind getur hún auðveldlega losað aðra rafeind
frá sameindinni. Afleiðing þessa er að nú vantar gassameindinni rafeind svo hún
leitar til katóðunnar í stað anóðunarinnar.
Til að stjórna flæði rafeinda milli anóðu og katóðu, og mynda mögnun, er sett
stýrigrind sett þar á milli. Stýrigrindin er sett nær katóðunni því þar er hraði
rafeindana minni og auðveldara að hindra þær.
Lampar eru spennustýrðir íhlutir. Til þess að stjórna straumnum í gegnum anóðuna
þarf negatíva spennu á stýrigrindina miðað við anóðuna en pósitíva miðað við
katóðuna.
Katóðum má skipta í 2 hópa eftir því hvort þær eru beint eða óbeint hitaðar.

Beint hitaðar katóður
Það eru til tvær gerðir glóðarkatóðna, annars vegar úr hreinum málmi svo sem
tungsten og hins vegar úr thorium eða oxíð-húðuðum málmi, þar sem thorium eða
oxíðhúðin bæta útgeislun rafeinda. Í fyrri hópnum er tungsten algengast en tantalum
og molybdenum er stundum notað. Í dag finnast finnast katóður úr hreinu tungsten
aðeins í stórum háspennu-, sendi-, afriðunar-, og röntgenlömpum. Þar eru þær notaðar
vegna hæfni þeirra til að þola hátt hitastig og háar spennur. Í svona tækjum duga þær
lengur en aðrar tegundir katóðna. Tungsten er ekki lengur notað í lampa í
lágspenntum tækjum vegna þess hve mikla orku þarf til að hita katóðuna.
Thorium tungsten katóður eru gerðar úr tungsten sem hefur verið dópað með thorium
oxíði. Þegar þær eru rétt gerðar verður eftir lag af thorium sem er eitt atóm á þykkt
utan á tungsteninu. Þetta veldur því að ekki þarf að hita katóðuna eins mikið til að hún
fari að gefa af sér rafeindir. Thorium tungsten katóður eru notaðar í low og medium
power sendilampa auk sérhæfðra lampa.
Oxíðhúðaðar katóður eru vanalega gerðar úr blöndu af barium og strontium oxíði
eða öðrum alkaískum málmum sem eru notaðir sem húð utan á vír eða borða úr
nikkelblöndu. Borðinn er notaður þegar við viljum auka yfirborð katóðunnar.
Oxíðhúðaðar katóður vinna ágætlega á 700-800°C og gefa nóg af rafeindum af sér.
Þessar katóður eru oft notaðar í lömpum fyrir viðtæki.
Óbeint hitaða katóðan
Óbeint hitaða katóðan var oft notuð í lömpum fyrir viðtæki. Þessi katóða var
málmhólkur sem var húðuð með barium eða strontium að utan. Inni í hólknum var
síðan tungsten glóð sem hitaði katóðuna með hitaleiðni og geislun. Útgeislun
rafeindanna á sér stað í oxíðhúðinni á málmhólknum. Hægt er að nota annaðhvort AC
eða DC spennu á glóðina.
Af því að það er engin rafleiðni á milli glóðarinnar og katóðunnar þá er ekkert
vandamál að nota AC spenna á glóðina. Annar kostur við þessa tegund katóða er að
hægt er að hita margar lampa með sömu veitunni, þó að spennumunur sé á milli
katóðanna. En á móti kemur að katóðurnar eru mun lengur að hitna þegar þessi aðferð
er notuð.
Eins og áður hefur komið fram er lampinn lofttæmdur. Þetta þarf að gera til að
glóðarþráðurinn brenni ekki upp og einnig hafa óæskilegar lofttegundir veruleg áhrif á
virkni lampans. Þetta er gert með því að dæla fyrst eins miklu lofti út og loftdælur
ráða við og koma síðan fyrir málmi eins og magnesium eða barium í lampanum.
Lampinn er síðan hitaður þannig að málmurinn verður að lofttegund og bindur allt gas
sem hefur verið eftir í lampanum og eftir verður “silfurhúð” sem sest innan á gler
lampans. Svona er meirihluti lampa byggður en einnig eru til lampar sem eru
gasfylltir eftir að þeir eru lofttæmdir. Þetta gas er undir mjög litlum þrýstingi, mun
minni heldur en þrýstingur andrúmsloftsins. Það þarf aðeins örlítið af gasi til að
breyta kennistuðlum lampans verulega.
Lampar eru til í mörgum mismunandi gerðum og stærðum. Hér fyrir neðan er fjallað
um nokkrar mismunandi gerðir þeirra.

Díóðan
Einfaldasta form lampans er díóðan. Hún hefur tvö skaut, anóðu og katóðu.
Þegar jákvæð spenna er sett á anóðuna og neikvæð á katóðuna fer að renna straumur í
lampanum. Straumurinn fer eftir því hitastigi katóðunar og spennumuninum á milli
skautana. Ef við síðan umpólum lampanum þá gerist ekki neitt. Það er vegna þess að
þegar anóðan er pósitív miðað við katóðuna þá dregur hún til sín rafeindir frá
katóðunni en ef spennunni er snúið við þá fer hún að hrinda frá sér rafeindunum.
Díóðan leiðir því bara í aðra áttina. Ef spennan á anóðunni er nógu há, þá getur hún
dregið til sín allar rafeindirnar frá katóðunni og díóðan fer í mettun. Eina leiðin til að
auka strauminn er að hækka spennuna á glóðinni og gefur katóðan þá frá sér fleiri
rafeindir.
Þessar lampadíóður voru aðallega notaðar í afriðlum í spennugjöfum og sem skynjarar
eða afmótarar í viðtækjum.

Tríóðan
Tríóða er þriggja skauta lampi sem hefur anóðu og katóðu eins og díóðan, að viðbættri
stýrigrind. Það að bæta stýrigrindinni við gefur okkur mjög næman íhlut sem nota má
sem magnara eða sem mjög næman skynjara fyrir útvarpsmerki.
Við sáum í díóðunni að anóðustraumnum mátti stjórna með því að breyta spennunni á
henni. Til þess að þurfa ekki að breyta anóðuspennunni var stýrigrindinni bætt við.
Stýrigrindin er gerð úr undnum vír með góðu bili á milli vafninga og er henni komið
fyrir á milli anóðunnar og katóðunnar. Inn á hana er vanalega sett negatív spenna og
dregur þess vegna ekki til sín rafeindir, þvert á móti þá fælir hún rafeindirnar frá
þannig að aðeins hluti rafeindanna kemst að anóðunni. Því negatívari sem spennan er,
því færri rafeindir komast framhjá stýrigrindinni. Þetta er hægt að sjá á kennilínuritinu
her fyrir neðan.

Tetróðan
Tetróðan er fjögurra skauta lampi og hefur meiri mögnun en tríóðan. Hún hefur sömu
skaut og tríóðan að viðbættri skermgrind. Skermgrindin er svipað uppbyggð og
stýrigrindin og er staðsett á milli stýrigrindarinnar og anóðunnar. Það er gert til þess
að minnka rýmdina á milli þeirra og gerir kleyft að ná fram mikilli mögnun án þess að
óstöðugleiki verði vandamál.
Skermgrindin er höfð pósitív miðað við katóðuna en ekki eins pósitív og anóðan. Þess
vegna dregur hún að sér rafeindir sem koma frá katóðuni, en af því að vafningarnir
eru gisnir fer meirihluti rafeindana fram hjá skermgrindinni og lenda á anóðunni.
Stór ókostur við tetróðuna er svokallað secondary emission. Það er þegar árekstar
rafeindanna við anóðuna valda því að rafeindir losna af yfirborði anóðunar. Þetta er til
staðar í öllum lömpum, en í díóðum og tríóðum gerir það ekkert til því það er aðeins
eitt jákvætt skaut og rafeindirnar dragast því aftur að því. Í tetróðum er skermgrindin
jákvæð og því dregst mikið af rafeindunum þangað. Þetta á sérstaklega við ef spennan
á anóðuni sveiflast niður fyrir spennuna á skermgrindinni. Það er því nauðsynlegt að
takmarka spennusveiflur á anóðunni, því tetróðan verður mjög óstöðug þegar
anóðuspennan lækkar.

Pentóðan
Til þess að reyna að minnka áhrif secondary emission í tetróðunni var bætt í hana
einni grind í viðbót. Við þetta urðu skautin fimm og íhluturinn var kallaður Pentóða.
Þessi grind er kölluð surpressor-grind og er staðsett á milli skermgrindarinnar og
anóðunnar. Surpressor-grindin er venjulega tengd við katóðuna og er þess vegna
negatív miðað við anóðuna, þannig hún hrindir frá sér öllum rafeindum sem kastast af
anóðunni og fara þær þá aftur á anóðuna. Þegar þessarri grind er bætt við minnkar
rýmdin á milli anóðu og stýrigrindarinnar enn meira og mögnunin eykst.
Mynd af pentóðu

Lampi vs. transistor
Sá sem hlustar vel á grammafónplötur heyrir að lampar hljóma öðruvísi en
transistorar. Að skilgreina þennan mun er þó flókið hljómfræðilegt vandamál og það
er hlutverk hlustandans að greina á milli. Hljómfræðilega skilgreina tónlistarmenn
þennan mun á annan hátt en tæknimenn. Þó að tónlistarmenn noti ekki jafn tæknilegar
aðferðir og tæknimennirnir, þ.e.a.s. noti tóneyrað, eru þeirra aðferðir marktækar, en
þó þarf að taka með í reikninginn að eyrað metur hljóðið öðruvísi en sveiflusjá.
Þegar rætt er við tónlistarmenn um muninn á lömpum og transistorum í tónlist segja
þeir til dæmis að upptökur með transistorum séu mjög hreinar en vanti alla þá fyllingu
sem upptökur með lömpum hafi. Einnig segja þeir að transistor upptökur hljómi
heftar, líkt og þær séu undir teppi, það vanti allan kraft í þær.
Þegar gerðar eru tilraunir til að finna mun á transistormögnurum og lampamögnurum
sýna þær að í venjulegri keyrslu er lítill munur. Rannsóknir sýna að allir magnarar
bjagast þegar að yfirkeyrslu er komið. Þær sýndu lika að magnarar geta farið, upp að
vissu marki, inn á yfirkeyrslusvæðið án þess þó að bjögunin sé sýnileg. Hægt er að
draga þá ályktun að þessar heyranlegu yfirsveiflur í byrjun yfirkeyrslunnar geti valdið
muninum á transistormögnurum og lampamögnurum.
Megineinkenni lampamagnara er að þeir hafa sterka aðra og þriðju yfirsveiflu.
Yfirsveiflur hærri en sú fimmta eru mjög litlar þangað til yfirkeyrslan er orðin meiri
en 12 dB. Sá munur sem getur orðið á lampamögnurum er innbyrðis skipting á
staðsetningu á milli annarrar og þriðju yfirsveiflu.
Megineinkenni transistormagnara er sterk þriðja yfirsveifla þar sem allar hinar
yfirsveiflurnar eru til staðar en með miklu minni styrk. Þegar komið er í yfirkeyrslu
fer styrkur hærri yfirsveiflanna að aukast.
Eftir að hafa skipt mögnurum í tvo hópa eftir bjögunareinkennum er næsta skref að
ákveða hvernig yfirsveiflur heyrast. Það eru náin tengsl á milli rafeindaskekkju og
tónstigans. Þetta eru aðaleinkenni þess að transistor- og lampamagnarar hljóma
mismunandi.
Þeir sem mestu þekkinguna hafa á þessu eru þeir sem smíða hljóðfæri. Eftir margra
ára þróunarvinnu hafa þessir listamenn séð hvernig mismunandi yfirsveiflur tengjast
tónum hljóðfærisins.
Ein áttund hljóðfæris er ákveðin eftir styrk fyrstu yfirsveiflanna. Hver og ein af lægri
yfirsveiflunum býr til sín eigin einkenni þegar sú sveifla er ráðandi.
Lampamagnarar eru frábrugðnir transistormögnurum því að þeir geta unnið á
yfirkeyrslusvæðinu án sýnilegrar bjögunar. Innan 15-20 dB öruggs yfirkeyrslusvæðis,
eykst útgangur lampamagnarans aðeins um 2-4 dB, starfar eins og limiter.
Lampar hljóma hærra og hafa betra signal to noise hlutfall vegna meira rýmis þeirra
miðað við transistora. Lampar gefa einnig meiri kraft í hljóminn vegna góðra
yfirkeyrslu einkenna sinna. Tilfinningin fyrir meiri bassa er beintengd hinum sterku
annarri og þriðju yfirsveiflum sem styrkja hinn náttúrulega bassa.

Lokaorð
Þó að lampar séu minna notaðir nú en áður var, hafa þeir sannað notagildi sitt.
Í framtíðinni mun koma fleiri og betri gerðir af ýmsum FET transistorum, og nefni ég
sem dæmi Lateral MOSFET sem er aðallega notaður í stúdíóum Hi-Fi græjum og
einstaka bílmögnurum.
Í audio rásum getur lampinn gegnt mörgum hlutverkum. Hann er hægt að nota sem
fasabreyti, preamplifier, radda magnara og kraft magnara svo eitthvað sé nefnt.
Það sem hindrar lampann í að ná meiri útbreiðslu en hann hefur nú, fyrirferð hans,
framboð og há spennuþörf.
Lamparnir eru hins vegar ennþá notaðir í stórum sendum og röntgentækjum, en í
audio rásum eru þeir að mestu notaðir af áhugamönnum, sérvitringum og stúdíóum og
munu eflaust vera notaðir í þeim tilgangi áfram um ókominn tíma.

Heimildaskrá
Loftskeytamenn og fjarskipti: gefin út 1987. Fyrra bindi, ritstjóri Ólafur K. Björnsson
The Radio Manual: 4. Útgáfa, gefin út 1960 Eftir: George E. Sterling og Robert B. Monroe
Radio Handbook: 16. Útgága, gefin út 1962 Eftir: William I Orr
Electronic Communinication: 5. Útgáfa, gefin út 1988 Eftir: Robert L. Shrader
Television Electronics: 8. Útgáfa, gefin út 1983 Eftir: Milton Kiver og Milton Kaufman
www.milbert.com/tstxt.htm
2

Iðnskólinn í Reykjavík RTV-306C

Þetta er tekið af: heimasíðu iðnskólans
til að nálgast skjalið beint: http://www.ir.is/%7Evgv/Lampar.pdf

Höfundar:
Friðrik Ásmundsson
Hörður Sævar Harðarson
Ingimar Guðmundsson
Sigurður Björnson
Valdemar G. Valdemarsson