Theo thời gian, với nhu cầu tăng âm trong các không gian lớn, ampli chuyên dụng ra đời với công suất lớn hơn: từ vài chục W đến kW. Khi kỹ thuật bán dẫn phát triển, ampli đèn dần rơi vào quên lãng do kích thước lớn, nặng nề, chi phí cao và hiệu suất thấp. Tuy nhiên, khoảng 10 năm trở lại đây, trào lưu chơi ampli đèn lại được khơi dậy và phát triển mạnh mẽ. Bởi sau thời gian trải nghiệm, các audiophile đều cảm nhận được ở ampli đèn vẻ đẹp của âm thanh rất đặc trưng mà ampli bán dẫn không thể tái hiện.

ĐÈN ĐIỆN TỬ LÀ GÌ ?

Đèn điện tử xuất hiện không lâu sau sự ra đời của bóng đèn chiếu sáng chân không do nhu cầu thu phát các dao động điện tử cao tần vào không gian để truyền tin. Kết cấu điển hình của bóng điện tử là 3 cục đặt trong vỏ thủy tinh đã rút không khí (gần) hết ra ngoài. Việc tạo môi trường chân không để các cục không bị oxy hóa khi đèn hoạt động ở nhiệt độ cao và tránh hiện tượng các phân tử khí va chạm với các chùm điện tử chuyển động trong đèn. Cực đầu tiên và quan trọng nhất là catot. Nó phát xạ ra các điện tử chạy qua đèn. Năng lực phát xạ điện tử của catốt được tăng cường nhờ lớp phủ bề mặt làm bằng các hợp chất của họ, nguyên tố gọi là đất hiếm. Ở trạng thái hoạt động, catốt được nung nóng bằng sợi nung điện di chuyển trong lòng cực này. Việc nung nóng có mục đích đã tăng khả năng phát xạ điện tử của cực, khiến các điện tử dễ bút ra. Cực thứ hai là anốt có nhiệm vụ thu gom các điện tử phát ra từ catốt. Để hút các điện tử từ catốt, anốt phải được đặt một điện thế dương so với catốt. Với 2 cực như vậy, khi hoạt động sẽ có dòng điện tử bay qua khoảng chân không trong đèn từ catốt đến anốt. Độ lớn của dòng điện tử phụ thuộc vào độ chênh điện áp anốt – catốt, nhiệt độ nung catốt, chất lượng lớp phủ bề mặt catốt, diện tích bề mặt catốt (và anốt tương ứng). Nếu 3 yếu tố sau đã cố định, thì độ lớn dòng chỉ phụ thuộc vào mức chênh điện áp anốt - catốt.

Trước đây, đèn điện tử 3 cực thường dùng để chỉnh lưu hoặc tách sóng gọi là đèn van. Về bản chất, chỉnh lưu và tách sóng như nhau: khi có điện áp xoay chiều đặt giữa catốt và anốt, đèn sẽ dẫn điện khi điện áp anốt dương so với catốt, đồng thời cho phép cắt đi một bán kỳ của điện xoay chiều. Sự khác nhau là đèn chỉnh lưu chịu áp cao, dòng lớn để có thể dùng chỉnh lưu điện lưới (AC) thành áp một chiều (DC) làm điện áp nguồn DC cho máy, còn tách sóng thì không cần áp cao, dòng lớn bởi nó chỉ dùng để cắt đi một bán kỳ của sóng vô tuyến điều chế biên độ (AM) trong phát thanh nhằm phục hồi âm thanh phát đi. Để cắt triệt để một bán kỳ của sóng, đèn tách sóng phải có điện dung giữa anốt và catốt rất bé nhằm tránh điện xoay chiều cao tần của sóng dẫn chạy qua nó như qua một tụ điện.

Muốn dùng đèn điện tử để khuếch đại, cần đưa thêm một cực có vai trò điều khiển gọi là cực lưới G (grid) nằm trong khoảng catốt – anốt, nhưng gần catốt hơn. Cực G không kín như anốt hay catốt mà có dạng lò xo quấn quanh catốt. Do cực G được đặt một điện áp hơi âm so với catốt, nên các điện tử từ catốt phát ra không bám vào nó. Nếu đặt chồng lên áp một chiều ở lưới G một điện áp xoay chiều có biên độ vừa đủ để không bao giờ G dương so với catốt (chỉ biến đổi âm ít hoặc nhiều so với catốt) thì dòng điện tử chạy từ catốt đến anốt sẽ lớn hơn hay nhỏ tùy theo G âm ít hay nhiều so với catốt. Điều đó có nghĩa là điện áp ở G có thể điều khiển độ lớn dòng điện qua đèn tương tự cửa đập có thể điều khiển dòng nước qua đập bằng độ mở của cửa. Công suất để đóng/mở cửa đập nhỏ hơn rất nhiều công suất dòng nuosc. Ở đây có su khuech đại công suất: dùng yếu để điều khiển mạnh. Do điện áp luôn âm so với catốt, nên cực G không bị “dính” điện tử. Sự điều khiển dòng qua đèn điện tử là điều khiển bằng áp, trong khi điều khiển dòng qua transistor lưỡng cực là điều khiển bằng dòng.

Nhiều loại đèn điện tử có số cực lớn hơn 3. Các cực thêm vào không phục vụ cho cơ chế khuếch đại mà nâng cao tính năng đèn cho mục đích cụ thể nào đó như: tần số làm việc hiệu suất của đèn…

KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU ĐIỆN VÙNG TẦN SỐ ÂM THANH BẰNG ĐÈN ĐIỆN TỬ
Bất kỳ bộ khuếch đại âm thanh nào cũng gồm 2 phần: phần khuếch đại và phần tiền khuếch. Phần tiền khuếch đại có vai trò nâng mức tín hiệu vào từ khá nhỏ đến đủ lớn để điều khiển tầng khuếch đại công suất. Yêu cầu quan trọng nhất của tầng tiền khuếch đại là tạp âm riêng phải rất nhỏ. Sở dĩ phải như vậy là do tín hiệu âm thanh đi vào tầng này rất nhỏ. Nếu tạp âm riêng của tầng gần cùng cỡ với nó thì chúng sẽ cùng được khuếch đại ở các tầng sau và khi phát ra loa tạp âm sẽ lộ rõ. Phần khuếch đại công suất có vai trò biến tín hiệu âm thanh thành đủ mạnh và phù hợp cho việc đặt công suất vào tải. Nói thật đúng thì tầng công suất âm thanh phải gần đạt yêu cầu của nguồn áp âm thanh.

TIỀN KHUẾCH ĐẠI ÂM TẦN
Do tầng công suất cũng dùng đèn điện tử, điều khiển bằng áp nên tầng tiền khuếch đại điện áp. Có thể hiểu, tầng khuếch áp là tầng khuếch đại tín hiệu có điện áp nhỏ ở đầu vào và trở thành tín hiệu điện áp lớn ở đầu ra khi tải nối vào đầu ra (hầu như) không lấy dòng điện từ nó. Nếu tải ở đầu ra lấy dòng, thì điện áp ra bị giảm rất nhiều, gần như đoản mạch, tức là tầng chỉ có thể cấp áp mà không thể cấp dòng. Như vậy, tầng khuếch đại tín hiệu áp rồi đặt vào tầng công suất dùng đèn điện tử. Do cửa vào của tầng công suất chính là tuyến lưới G – catốt, mà qua lưới G không có dòng điện do các điện tử phát ra từ catốt không bao giờ bám vào lưới G. Lưới G đã điều khiển dòng qua đèn bằng điện trường thuần túy.

Ở Liên Xô (trước đây), các đèn dùng làm tiền khuếch đại âm tần thường la 6H1 hay 6H2. Đó là đèn 3 cực chân không với dòng qua đèn nhỏ, nhưng hệ số khuếch đại lớn do kết cấu đèn có tác dụng làm điện trường gây ra bởi cực lưới G ảnh hưởng mạnh đến độ lớn dòng qua đèn. Thêm nữa, vì trở thuần catốt – anốt rất lớn nên có thể đấu nối tiếp với đèn vào cực anốt một điện trở lớn đến hàng trăm hoặc hàng nghìn kohm rồi đấu lên dương nguồn mà anốt vẫn đủ dương nhiều so với catốt để hút điện tử về nó. Điện áp sau khuếch đại chính là thành phần xoay chiều rơi trên điện trở này. Giả sử điện trở anốt là 220kohm, mức biến động dòng qua đèn (tức thành phần xoay chiều) cỡ 0.1 mA, thì mức biến động áp trên anốt đèn là 220*0.1= 22 (V). Như vậy, chỉ với biến động nhỏ của dòng đã lấy ra được biến động lớn về áp để đặt vào cực G tầng sau. Để tách riêng phần biến động của áp, người ta thực hiện nối tầng bằng tụ điện. Vì tầng sau có trở kháng vào cực lớn, nên giá trị tụ nối tầng chỉ cần vài chục nF vẫn không cắt tần số trầm của âm. Lưu ý rằng: hầu hết đèn điện tử 3 cực tiền khuếch đại của Liên Xô (trước đây) hay của Châu Âu, Mỹ là đèn kép (2 đèn trong một vỏ), do đó chỉ cần một đèn (kép) là đủ cho phần tiền khuếch đại.

Để giảm tạp âm riêng của đèn do sự chuyển động hỗn loạn của điện tử gây ra, người ta nung nóng catốt đèn chỉ với nhiệt độ vừa đủ hỗ trợ phát xạ, không nung nóng quá mức để gây ra sự tăng cao động năng nhiệt của điện tử.

Để chống nhiễu triệt để, ngoài các dây tín hiệu ở tầng này phải bọc kim kỹ thì bóng đèn cũng phải nằm trong chụp kim loại chống nhiễu. Sở dĩ thiết kế như vậy là do các bộ khuếch đại điều khiển bằng điện áp rất nhạy với nhiễu trường.

TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Tầng này chịu tải ra loa nên phải có khả năng cấp dòng đủ cho loa hoạt động, dòng cấp có thể tới cỡ ampe. Muốn có dòng đủ lớn qua loa, cần đặt vào nó điện áp âm tần đủ lớn. Như vậy tầng khuếch đại điện áp, vừa có khả năng cấp dòng. Catốt của những bóng công suất có khả năng phát xạ nhiều điện tử hơn (diện tích bề mặt lớn, chất phủ catốt thích hợp, công suất nung lớn hơn) như 6P14 của Liên Xô (trước đây)… Tuy nhiên, dù đã tăng cường khả năng phát xạ của Catốt, thì rất ít đèn điện tử công suất dùng trong khuếch đại âm tần có thể có dòng qua đèn lớn tới cỡ ampe, vì vậy không thể đấu loa trực tiếp vào đèn mà phải qua biến áp.

Chẳng hạn: loa có trở kháng 8 ohm, cần cho ra 8W, dòng qua loa phải là SQR(8/8) = 1(A) và điện áp âm tần trên loa phải là 8V. Giả sử cuộn sơ cấp của loa nối vào mạch Anốt của đèn, khi khuếch đại dòng qua đèn, sẽ tăng giảm quanh giá trị ban đầu đó. Để có 8V ở phía thứ cấp ra loa, phía sơ cấp phải có biến đổi điện áp 160V và hệ số giảm áp của biến áp là 20, tức số vòng của cuộn sơ cấp phải gấp 20 lần số vòng của cuộn thứ cấp. Nhưng giá trị cụ thể số vòng là bao nhiêu lại tùy thuộc chất liệu của lõi và diện tích của lõi biến áp, để khi đèn làm việc biến đổi dòng trên cuộn sơ cấp là 1(A)/20 = 50(mA), tức ở mức dòng mà đèn điện tử công suất (nhỏ) có thể phát xạ. Việc đưa biến thế vào để lấy công suất ra loa gọi là phối hợp trở kháng.

NGUỒN CÔNG SUẤT VÀ YÊU CẦU PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG
Nguồn điện xoay chiều cấp công suất vào tải R sẽ đặt vào tải công suất P=R*|*|, với | là dòng qua tải. Bản thân nguồn cũng có ký hiệu r. Do nguồn đấu nối tiếp với tải, nên dòng qua tải R và dòng qua trở nội nguồn, r có giá trị như nhau. Khi dòng | chạy qua R, nó đặt vào R công suất R*|*|. Còn khi chạy qua trở nội r, nó đặt vào r công suất r*|*|. Nếu r rất nhỏ so với R (hay r = 0), thì hầu hết công suất của nguồn đặt vào tải R. Loại nguồn công suất đó gọi là nguồn áp với lý do bất kể tải R lớn lên hay nhỏ đi (nhưng vẫn rất lớn so với r) thì toàn bộ sức điện động của nguồn vẫn chỉ đặt vào tải R nên điện áp R hầu như không đổi (và bằng sức điện động của nguồn). Với nguồn áp, nguồn công suất bọ đốt nóng rất ít so với tải. Thí dụ đơn giản cho nguồn áp là trạm biến thế điện và tải của các hộ tiêu thụ: khi số hộ tiêu thụ có tổng tải R lớn gấp nhiều nội trở trạm r, thì trạm được coi là nguồn áp. Dù chúng ta có đóng thêm vài hộ tiêu thụ vào trạm, thì điện áp ở đầu cấp điện cho hộ của trạm vẫn không đổi. Chỉ khi R giảm (do đóng thêm nhiều hộ tiêu thụ đến mức R) đến mức có thế so sánh với r, thì trạm không còn là nguồn áp. Nó nóng lên và điện áp giảm xuống, thường gọi là quá tải.

Tầng công suất ampli đèn có trở nội lớn cỡ hàng chục kOhm nên không thể là nguồn áp âm thanh khi nối trực tiếp với loa có trở cỡ vài Ohm. Nếu nối như vậy, công suất âm thanh không rơi vào đèn phải nối qua biến áp để nâng trở kháng loa lên đến độ lớn cùng cỡ với trở nội đèn. Với biến thế giảm áp có tỷ lệ giảm là k, thì một trở Z đấu ở phía thứ cấp sẽ chuyển sang sơ cấp thành giá trị k*k*Z. Ví dụ: loa có Z = 8 ohm, k = 50. trở chuyển sang sơ cấp là 50*50*8 = 2.000 ohm, bằng cỡ nội trở của đèn. Tuy đèn không thể là nguồn áp như trạm biến thế nói trên, nhưng có thể khai thác được công suất âm thanh ra loa. Với k thoả mãn trở chuyển về đúng bằng nội trở đèn, thì loa “hút” được công suất âm thanh ra tối đa. Tất nhiên lúc này 50% công suất âm rơi vào đèn, nhưng không gây hại do đốt nóng như trạm biến thế vì thành phần “xoay chiều” của âm thanh trong đèn chỉ là sự tăng giảm độ lớn của dòng điện tử phát xạ đi qua đèn quanh giá trị trung bình (chế độ A).

BIẾN ÁP XUẤT ÂM
biến áp phối hợp trở kháng nói trên thường gọi là biến áp xuất âm do nó xuất âm thanh ra loa. Nếu biến áp này hoạt động hoàn hảo để xuất âm trong toàn giải tần là điều lý tưởng, song còn tồn tại nhiều vấn đề liên quan khác như vật liệu làm biến áp và kết cấu biến áp xuất âm. Người ta thường sử dụng loại tôn mỏng – tôn silic dùng làm lõi biến áp. Đó là một trong rất nhiều loại lá kim loại thuộc nhóm “thép kỹ thuật điện” dùng cho các trường hợp biến áp hay lõi từ khác nhau với các điểm chung dưới đây:

Chuyển đổi dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp thành từ trường xoay chiều trong lõi. Từ trường xoay chiều trong lõi tạo ra sức điện động xoay chiều ở cuộn dây thứ cấp biến áp. Khi dòng sơ cấp đi từ 0 tăng lên, thì từ trường tăng theo một dạng. Khi dòng sơ cấp từ có giá trị lớn giảm dần về 0, thì từ trường lại giảm theo dạng khác. Đồ thị của sự phụ thuộc từ trường vào dòng điện từ hoá trong hai trường hợp không trùng nhau. Vùng không trùng nhau đó lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào vật liệu làm lõi, tên chuyên môn của vùng này gọi là vùng từ trễ. 

Với biến áp nguồn, lõi có vùng từ trễ lớn cũng có thể chấp nhận vì sự méo đôi chút của sức điện động trên cuộn thứ cấp ở vùng gần 0 của từ trường không quan trọng. Nhưng với biến áp xuất âm, thì vùng từ trễ lớn sẽ làm méo hoàn toàn các âm thanh nhỏ. Tôn silic là loại mà có vùng từ trễ lớn và thường chỉ dùng cho điện lực, chỉ những thiết bị âm thanh rẻ tiền mới sử dụng vật liệu này.

Lõi biến áp có độ thẩm từ lớn trên vài nghìn. Độ thấm từ (từ thẩm) cho biết: từ trường trong cuộn dây có lõi tăng lên bao nhiêu lần so với từ trường cũng trong cuộn dây đó. Với cùng giá trị dòng điện từ hoá, nhưng “lõi” là không khí, tức không có lõi. Những vật liệu có từ thẩm cao thường là hợp kim của sắt với một vài nguyên tố khác, ví dụ silic, côban… nhưng sắt vẫn là thành phần chính. Lõi loại lá kim loại có độ từ thẩm cao, ví dụ tôn silic là 8000. Tuy nhiên, tổn thất khi truyền tần số cao lớn làm suy giảm nhiều thành phần do trong kim loại xuất hiện dòng xoáy có công suất lớn theo tần số. Để tránh dòng xoáy này, người ta nghiền nhỏ vật liệu rồi trộn với bột gốm và nung ở nhiệt độ cao, ép định hình ra các loại lõi gọi là lõi Fẻite. Điện trở của lõi Ferite cao hơn lõi lá, nhưng từ thẩm lại giảm. Do đó, truyền tần số thấp kém nên không làm lõi biến áp xuất âm được.

Để làm biến áp xuất âm tốt, người ta thường sử dụng loại lõi có từ thẩm cao (lõi lá hợp kim), nhưng dòng xoáy phải nhỏ và phải có vùng từ trễ rất nhỏ. Loại lá hợp kim có từ trễ nhỏ là loại để làm đầu từ trong máy ghi âm có giá thành rất cao. Để giảm tối đa dòng xoáy, các lá đó phải thật mỏng và được dán với nhau bằng keo cách điện.

CÁC LOẠI MẠCH XUẤT ÂM

Mạch chế độ A

Mạch này chỉ có 1 đèn xuất được mở sẵn cho dòng ban đầu qua nó có giá trị nằm giữa vùng tuyến tính của đặc tuyến đèn. Khi có điện áp âm thanh đặt vào lưới G, thì dòng qua đèn tăng giảm nhanh trị số đặt ban đầu và chỉ có thành phần biến đổi của dòng mới gây biến đổi từ thông để chuyển thành sức điện động trên cuộn thứ cấp của biến áp xuất ra loa.

Nhược điểm của loại mạch này là hiệu suất thấp. Dòng ban đầu qua đèn khá lớn và không chuyển tải âm thanh, chỉ bắn phá làm nóng Anode đèn. Tuy nhiên, nó có ưu điểm là dòng ban đầu đã từ hoá sẵn lõi biến áp từ trường đủ lớn để nó không làm việc ở vùng từ trễ. Do đó, yêu cầu về lõi biến áp xuất âm không quá khắt khe.

Mạch chế độ A thường chỉ dùng ở các máy thu thanh điện tử công suất nhỏ cỡ vài W. Nếu dùng mạch này cho bộ khuếch đại công suất lớn Anode có thể bị bắn phá đến mức nóng đỏ lên.

Mạch khuếch đại đẩy kéo ở chế độ B

Mạch này dùng cặp đèn công suất có chung biến áp xuất âm. Biến áp có hai cuộn sơ cấp cùng số vòng cuốn ngược chiều nhau và hai đầu cuối nối vào hai anode đèn, hai đầu kia nối chung vào nguồn dương. Ban đầu khi chưa khuếch đại tín hiệu, cả hai đèn đều được chỉnh ở mức chỉ có dòng rất nhỏ đi qua. Tín hiệu đưa vào khuếch đại được tách làm 2, có pha ngược nhau để kích hai đèn. Như vậy, mỗi đèn chỉ mở dòng từ hoá cho một pha của âm thanh.

Ưu điểm của mạch này là hiệu suất cao nên có thể dùng cho bộ khuếch đại công suất lớn. Tuy nhiên, dòng từ hoá biến thế ở một số thời điểm có giá trị rất nhỏ khi tín hiệu vào chuyển pha. Do đó, nó đã làm việc trong vùng từ trễ. Với loại mạch này, cần chọn lõi có từ trễ nhỏ để không làm méo dạng sức điện động âm thanh phía cuộn thứ cấp.

Mạch nhại kiểu xuất trực tiếp của bán dẫn

Hai mạch nói trên nếu có biến áp xuất âm tốt thì cho âm thanh hay ở vùng tần số trung nới rộng, khoảng 100 Hz đến 8.000 Hz. Vùng này bao phủ phổ âm của giọng người, nên nghe giọng hát rất hay, chỉ cần sử dụng loa dải rộng là đủ. Tuy nhiên, việc tái tạo âm cực trầm và siêu cao rất khó, dù đã nâng mức tín hiệu ở những vùng đó lên khá nhiều trước khi đưa vào khuếch đại công suất.

Để tăng cường tiếng trầm, người ta đấu nối tiếp hai đèn công suất lớn mà dòng phát xạ có thể đạt đến cỡ ampe (với đèn điện tử thì kích thước đèn phát xạ được như vậy rất lớn). Điện áp cung cấp là nguồn âm, dương với dương cấp vào anode đèn “trên” và âm cấp vào cathode đèn “dưới”. Cathode đèn “trên” nối với anode đèn “dưới” được đấu thẳng vào loa có trở kháng cao, đầu kia của loa nối ra điểm 0 của nguồn. Ban đầu hai đèn được đặt vào chế độ B và tín hiệu kích hai đèn ngược pha nhau. Đây cũng là một dạng khuếch đại đẩy kéo.

Với cách làm như vậy, mạch có những ưu điểm của đèn điện tử và có tính lợi trầm của mạch bán dẫn, đồng thời không bị suy giảm tần số cao do phải truyền qua biến áp. Nhược điểm của loại mạch này là khoang máy rất nóng do nhiệt nung dây tóc đèn công suất lớn phát ra được tích tụ lại; tiếp đến là tuổi thọ của đèn điện tử công suất lớn thường ngắn, xuống cấp rõ rệt sau một vạn giờ phát xạ.

Tai Thô (Nghe Nhìn Việt Nam)