Nguyên lý hoạt động của ampli đèn

Ampli đèn vận hành chủ yếu dựa vào nguyên lý hoạt động của bóng đèn, cụ thể là sự khuếch đại dòng tín hiệu khi qua linh kiện này.

Ampli đèn có những đặc tính âm thanh quý. Ảnh: madisound.

Được sáng chế năm 1906 bởi Lee De Forest, ampli đèn là tiền thân của ampli bán dẫn thông dụng ngày nay. Vào thời gian này, ampli đèn liên tục được phát triển và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, trong đó có thể kể đến như truyền tải tín hiệu điện thoại, nghe nhạc, vô tuyến truyền hình... Tuy nhiên, đến những năm 70 của thế kỷ trước, cùng với sự phát triển nhanh chóng của bán dẫn silicon là những bước tụt dốc của ngành công nghiệp chế tạo bóng đèn nói chung và ampli đèn nói riêng. Ampli bán dẫn có lợi thế hơn hẳn về công suất, nhỏ gọn và tiết kiệm hơn, bởi vậy là sự lựa chọn số một của rất nhiều người sử dụng thời bấy giờ.

Tưởng chừng đã rơi vào quên lãng, tuy nhiên, trong những năm trở lại đây, ampli đèn đang trở lại thị trường nghe nhạc hi-fi bởi một số nhà sản xuất thiết bị âm thanh cao cấp và cộng đồng người chơi thích tìm tòi, đam mê vẻ đẹp âm thanh đặc trưng từ ampli đèn.

Ampli đèn vận hành chủ yếu dựa vào nguyên lý hoạt động của bóng đèn, cụ thể là sự khuếch đại dòng tín hiệu khi qua linh kiện này. Tương tự với bóng bán dẫn, bóng đèn chỉ cho dòng electron đi qua theo một chiều nhất định. Điểm khác nhau là bóng đèn sử dụng kênh electron dài vài cm, đòi hỏi nhiều năng lượng, trong khi bóng bán dẫn đưa các electron qua một kênh có độ dài rất nhỏ, cần ít năng lượng hơn.

Giản đồ bóng đèn cấu tạo bóng đèn sử dụng trong ampli đèn.

Về cấu tạo, bóng sử dụng trong ampli đèn gồm ba thành phần chính: catốt, anốt, và cực G được đặt trong một lớp vỏ thủy tinh đã bơm không khí ra ngoài để đạt được trạng thái gần chân không. Việc này giúp các bộ phận bên trong không bị oxi-hóa và tránh hiện tượng cản trở dòng electron dịch chuyển từ catốt đến anốt, gây nhiễu, thất thoát tín hiệu âm thanh.

Catốt là nơi electron được bắn ra, năng lực phát xạ điện tử của bộ phận này được cường hóa bằng lớp phủ bề mặt bằng nhiều loại hợp chất khác nhau. Anốt có nhiệm vụ thu nhận các electron tự do nên có điện thế dương. Độ lớn của dòng điện được truyền qua bóng đèn phụ thuộc vào độ chênh lệch điện áp catốt-anốt, lớp phủ bề mặt catốt, diện tích bề mặt catốt-anốt. Khi hai yếu tố sau đã cố định bởi thiết kế bóng đèn, độ lớn dòng chỉ còn phụ thuộc vào độ lệch áp giữa catốt và anốt.

Cực G, hay còn gọi là cực điều khiển có dạng lưới hoặc lò xo nằm giữa hai cực catốt và anốt. Cực này có điện áp âm so với catốt nên các điện tử không bị hút vào đây.

Catốt nóng sáng khi ampli đèn hoạt động. Ảnh: Treedifiy.

Khi ampli đèn hoạt động, catốt được đốt nóng đến một nhiệt độ nhất định, khiến cho động năng của electron thắng lực liên kết kim loại, phát xạ ra khỏi bề mặt của catốt. Nhiệt độ này vừa không quá bé để cung cấp đủ động năng cho electron, vừa không quá lớn để electron bay quá mạnh, đập vào anốt và đàn hồi trở lại, hoặc bay lệch quỹ đạo vì động năng điện tử lớn hơn cả lực hút anốt. Điện năng ampli đèn sử dụng chủ yếu phục vụ cho quá trình cấp nhiệt cho catốt. Hiệu suất chuyển đổi điện năng sang nhiệt năng không lớn, bởi vậy có khá nhiều năng lượng lãng phí, thất thoát.

Cơ chế dịch chuyển electron kể trên khiến cho dòng điện qua bóng đèn khá nhỏ, đòi hỏi loa cần có độ nhạy cao, những sự thay đổi rất nhỏ cũng có thể cảm nhận được. Thực tế vẫn có thể kết hợp hệ thống nhiều bóng đèn để tạo ra dòng lớn hơn nhưng điều khiển sao cho đồng pha giữa các bóng và yếu tố chi phí là những rào cản đáng kể.

Cực G được đặt vào một điện áp âm, không kín mà có dạng lò xo hoặc dạng lưới nên ít cản trở dòng electron dịch chuyển. Sở dĩ gọi là cực điều khiển bởi áp đặt trên cực G ảnh hưởng đến sự chênh lệch điện áp giữa catốt và anốt, vì vậy độ lớn dòng điện chạy từ catốt đến anốt lớn hay nhỏ phụ thuộc vào điện áp của cực G âm ít hay âm nhiều so với catốt.

Ampli sử dụng hai loại bóng đèn với chức năng khác nhau. Ảnh: Streed.

Các bóng đèn trong ampli được chia làm hai loại, tương ứng với hai giai đoạn khác nhau: tiền khuếch đại âm tần và khuếch đại âm tần.

Loại thứ nhất có tên bóng tiền khuếch, hay bóng tín hiệu, thuộc giai đoạn tiền khuếch đại âm tần. Do tín hiệu đến ampli đèn thường rất nhỏ, vì vậy giai đoạn này có tác dụng tăng dòng đủ lớn để tiếp tục vào giai đoạn sau. Yêu cầu của tiền khuếch đại là phải xử lý thật chính xác, tạp âm rất nhỏ bởi tạp âm này sẽ được gia tăng lên rất lớn cùng tín hiệu âm thanh. Do vậy, các bóng tín hiệu thường được bọc thêm bởi một lớp vật liệu chống nhiễu bên ngoài lớp vỏ thủy tinh.

Loại thứ hai có tên bóng công suất, thuộc giai đoạn khuếch đại âm tần. Nếu nói bóng đèn là linh hồn của ampli đèn thì bóng công suất là trái tim của linh hồn đó. Bóng công suất là một trong những bộ phận có vai trò quyết định đến chất lượng tín hiệu âm thanh qua ampli. Bộ phận này được sử dụng để biến dòng tín hiệu âm thanh từ tiền khuếch đại đủ mạnh để cho ra tải. Vì vậy, chất lượng bóng đèn công suất rất được các nhà sản xuất và người chơi ampli đèn quan tâm. Đây cũng là linh kiện nhanh phải thay thế trong quá trình sử dụng.

Một loại biến áp thông dụng. Ảnh: Audo.