Что такое BIAS и с чем его едят?

Многие владельцы ламповых усилителей рано или поздно приходят к моменту замены ламп. Все бы ничего — очень многие производители строят свои ампы на лампах EL-34, позволяющих производить замену легко и без ковыряния внутри. Однако есть любители усилителей типично американского происхождения (Blues/Hot Rod Deville/Deluxe, Bassman, Princeton и иже с ними), в которых в качестве выходных ламп мощника стоят 6L6. В их числе и ваш покорный слуга. Как быть нам? Попробуем разобраться…

Компания Mesa Engineering, к примеру, избавляет своих пользователей от необходимости настройки усилителя после замены ламп — они просто продают подобранные и промаркированные фирмой именно к их усилителям лампы, но за это удобство вы платите дороговизной. Тоже вариант решения проблемы для конечного пользователя-музыканта, и неплохой.

Определение

Напряжение есть разность потенциалов, вызывющая ток. Сила тока (измеряется в амперах) — это число электронов, проходящих через единицу сечения проводника за 1 секунду. Чем больше сила тока, тем больше значение в амперах, как вы уже догадались. Умножая силу тока на напряжение вы получаете электрическую мощность. Одна важная вещь, которую стоит помнить — это то, что в электричестве частицы с одинаковым зарядом отталкиваются, а с противоположным — притягиваются. Закон притяжения противоположностей. Как с девушками:) Вот так бегут электроны по лампам…

Теперь разберёмся в том, как работают лампы в усилителе. У каждой лампы есть катод, сделанный из материала, который отдаёт электроны при нагревании. Эти электроны с отрицательным зарядом «минус», не сидят на месте и начинают толкаться, при этом распихивая друг друга. И вот на нашем нагретом катоде уже закипают электроны. Для них у лампы есть анод — это пластина с зарядом "+", она притягивает к себе электроны. Электроны летят в эту пластину и становятся частью движущегося напряжения в проводах и проводниках.

Если мы хотим, чтобы наша лампа усиливала напряжение переменного тока, а не выпрямляла его, превращая в постоянный, нам нужно контролировать число электронов, которые проходят через пластину. Для этого в лампе есть специальная решетка-электрод. Она из себя представляет небольшое сплетение проводов, обвитых вокруг катода, но при этом не прикасающихся к нему. Меняя напряжение на этой решетка, мы можем изменять её заряд. Таким образом, она либо притягивает их, либо не даёт электронам проскочить (зависит от напряжения на решетке). Итак, меняя напряжение на этой маленькой решетке, мы меняем напряжение на выходе. Маленькое изменение на входе даёт очень большое изменение на выходе. Вот так работает ваш усилитель.

Итак, с электронами и лампами мы разобрались. Теперь непосредственно к bias'у. По словарю:
Bias — напряжение смещения, (электрическое) смещение || подавать напряжение смещения, подавать смещение

Двигаясь через решётку, электроны её нагревают. Если число электронов, которые проходят через решетку, достигает определенного уровня, она перегревается и разрушается. Нашей лампе приходит конец. Если мы не хотим этого допусить, (а мы, конечно же, не хотим), существует такая вещь как настройка bias'а. Вот это-то и есть подстройка напряжения на той самой решетке. Напряжение смещения (bias voltage) — это источник равномерного напряжения, подаваемого на решетку с целью того, чтобы она отталкивала электроды, то есть она должна быть более отрицательная, чем катод. Таким образом регулируется число электронов, которые проникают сквозь решетку. Напряжение смещения настраивается для того, чтобы лампы работали в оптимальном режиме. Величина этого напряжения зависит от ваших новых ламп и от схемы усилителя. Таким образом, настройка биаса означает, что ваш усилитель работает в оптимальном режиме, что касается как и ламп, так и самой схемы усилителя.

Типы настройки BIAS

Существует несколько типов биаса. Первый описан в самом начале статьи — это фиксированный биас. Фиксированный биас, подразумевает одно и то же отрицательное напряжение, подаваемое на решетку (управляющую сетку) лампы. Если же вы видите регулятор напряжения в виде маленького потенциометра, это тоже фиксированный биас, потому что вы настраиваете с его помощью какую-то одну определенную величину напряжения. Однако большинство компаний применяет в схеме своих усилителей технические решения, позволяющие использовать самые разные лампы с различными параметрами.

Еще один способ настройки — это катодный биас. Его принцип заключается не в постоянном напряжении, подаваемом на решетку. Вместо этого между катодом и землёй помещается резистор с большим сопротивлением. Это позволяет стабилизировать напряжение в лампе. Сама схема довольно сложная, поэтому описывать мы ее не будем. Но если вам интересно, можете поискать в сети статьи про «Cathode bias».

Фиксированный биас, как правило, используется в мощных усилителях, а катодный — в маломощных.

Автоматическое смещение обычно получается в результате протекания тока через резистор, включенный между катодом лампы и общим проводником схемы (т. н. «землей»). Примерами такого решения можно назвать VOX AC30, Laney LC30, Peavey Classic 20, Kustom Coupe’72, Matchless Chieftain (также Clubman, DC30) и т. д. Мой второй усилитель, Fender Blues Deluxe'90 также построен по такой схеме биаса.

Настройка тока смещения необходима для правильной работы усилителя с теми параметрами, которые задал для него производитель. Именно его правильная работа и даст вам тот самый звук, ради которого вы амп и покупали. Вдобавок ко всему, правильный режим работы ламп продлевает им жизнь.

Лампы

Существует 2 режима неправильной работы ламп — горячий (недостаточное напряжение смещения, лампа пропускает больше электронов, чем нужно и быстро перегревается) и холодный (слишком сильное напряжение смещения, всё наоборот). В горячем режиме сигнал начинает перегружаться раньше, чем обычно, мощность усилителя падает, звук менее объёмный, лампа быстро перегревается и изнашивается. Побочный эффект горячего режима — усилитель звучит громче, кажется что он лучше пробивает, но при этом теряет в объёме. Надо понимать, что это может быть едва заметно. В холодном режиме усилитель звучит стерильно, звук быстро затихает, и усилитель попросту не реализует весь свой проектный звуковой потенциал. Особенно это заметно на малой громкости — звук тонкий, зудящий, вялый и безжизненный. Этот режим также снижает срок службы ламп, но не так радикально как горячий.

Многие известные гитаристы прошлого сознательно разгоняли свои ампы до пределов, лампы в загнанном режиме работали по 6-7 часов и умирали — но благодаря этому мы слышим звуки их гитар, которые стали легендой. Увы, не всем такая роскошь в экспериментах не по карману. Вслед за умершими лампами вполне может слететь и еще N-ное количество элементов схемы. Обилие всевозможных примочек также избавляет вас от необходимости насиловать усилитель для получения нужного звука. Если вы не являетесь квалифицированным электронщиком, такие эксперименты стоит забыть — напряжение анода на лампах как правило выше 300 вольт, и вы рискуете как минимум (если вы достаточно везучи) испортить свое здоровье, а как максимум — усилитель вас просто убьет, и поставят вам его вместо памятника. У «классических» усилителей Marshall 2203 и SuperLead регулятор смещения расположен внутри шасси, причем так, что при его вращении отверткой легко по неосторожности угодить рукой в анодный выпрямитель — а там ни много ни мало, 460 вольт...

Поэтому если ваш усилитель звучит недостаточно объёмно или слишком трудно перегружается, смена ламп и настройка биаса в принципе могут помочь. Однако, если этого не произошло, вместо того, чтобы разгонять усилитель при помощи экстремальных режимов стоит подумать о том, чтобы купить другой усилитель, который изначально вам будет нравиться без всяких настроек. Если же вы техник-маньяк, помните. что производители не просто так проектируют свои усилители. Есть причины, почему они должны работать с определенными параметрами.

Конкретный пример

Поговорили мы достаточно, предупреждения возымели свою силу, но вам нужно менять лампы, а техника найти не можете. Хорошо. Вооружаемся полученными знаниями о принципах работы, трезвой головой, парочкой инструментов и вперед! Нам понадобятся отвертка (возможно, две — шлицевая и фигурная) и цифровой мультиметр. Примером послужит мой Fender SuperChamp:

Далее работу производим в следующем порядке:
1. Выключаем усилитель, вынимаем кабель питания из розетки. Если вы пользовались усилителем, то оставьте его на 10 минут, чтобы лампы остыли, а также уничтожилось остаточное напряжение. Во избежание повреждения ламп, нельзя проводить дальнейшие действия, пока они не остыли.

2. Откручиваем заднюю панель усилителя. Откручиваем винты на верхней и нижней панелях усилителя, соединяющие кабинет и шасси. Отсоединяем кабель, соединяющий усилитель и динамик; это нужно для предотвращения повреждения кабеля пока вы двигаете шасси. Затем вытаскиваем шасси усилителя, двигая его к себе. Некоторые усилители имеют вынесенный наружу подстроечный потенциометр, который облегчает настройку смещения. В Fender Super Champ потенциометр настройки смещения (BIAS) находится на шасси.

3. Подключаем спикерный кабель сразу после того, как получите доступ к шасси. Для замера смещения необходимо, чтобы все было подключено к усилителю (да и ко всему, амп без нагрузки включать нельзя во избежание перегрева выходного трансформатора и выхода его из строя).
4. Включите питание усилителя. Для настройки тока смещения необходимо, чтобы питание шло по усилителю. На этой стадии необходимо проявлять крайнюю осторожность.
5. Подсоединяем черный щуп вашего мультиметра к шасси усилителя. Шасси – это самое безопасное место для заземления. В случае с Super-Champ так называемый bias test-point находится на ножке резистора R20 (к примеру, в ампах Hot Rod Deville/Deluxe или Blues Delux Reissue тест-пойнт так и подписан: BIAS Test point, так что не ошибетесь).

6. Проверяем показания мультиметра. Правильно отстроенный Fender Super Champ должен показывать 40 милливольт.

Вручную отрегулируем синий потенциометр смещения, расположенный справа на шасси для настройки смещения ламп, и заново проверим показания мультиметра. Это непростой процесс, и обычно на это необходимо несколько попыток. Подстроечный потенциометр сбалансирует ток на каждой лампе, чтобы они получали равную нагрузку. Если вы не можете настроить смещение в 40 милливольт, значит вам попалась бракованная лампа. В этом случае отключите питание, замените все лампы, и попробуйте снова. Важным уточнением является следующее: в рамках гарантийной договорённости разрешается использовать только типы ламп, разрешенные производителем устройства. Если количество выходных ламп больше 1, разрешается использовать только подобранные (matched) комплекты!

Для тех, кто планирует частую смену ламп и хочет экспериментировать с лампами разных производителей, будет удобен вот такой зонд-переходник:

Купить его можно здесь.

7. Отсоединяем контакты мультиметра от шасси, отключим питание и отсоединим спикерный кабель. Задвигаем шасси на место и заново подключаем спикерный кабель. Закручиваем 4 винта на верхней панели кабинета. Работа окончена! Let the guitar ring!

В настоящей статье использованы материалы с kombik.com, strat-talk.com, fenderforum.com, music-electronics.com, thegearpage.com, wiki.com.

Возможные проблемы, связанные с неисправностью ламп в усилителе, описаны в этой статье. Также приведены методы диагностики конкретных вакуумных элементов, рекомендуемые Mesa Engineering.