Новое — это хорошо забытое старое. — Пословица
Двадцать лет назад, как и многие радиолюбители, интересующиеся звуковой аппаратурой, я зачитывался журналом «Радио» и его младшим братом — сборником «В помощь радиолюбителю». С друзьями я бурно обсуждал необходимое количество нулей после запятой в коэффициенте нелинейных искажений идеального усилителя и его устремляющуюся в космос скорость нарастания. Тогда ведь не столько слушали звучание, сколько восхищались техническими характеристиками. К сожалению, этой болезнью многие страдают и поныне.
Однажды, примерно в 1980 году, на тогда запрещённом радиорынке у магазина «Юный техник» в Автово, я увидел молодого человека, продающего наушники Sennheiser. На груди у него на скрепке висел листок бумаги с надписью: R = 600 Ом, ΔF = 40 Гц – 18 кГц. Об этой фирме я уже кое-что знал, хотя для Ленинграда она была большой редкостью. Удивили меня характеристики. Как же так? У всех наушников того времени диапазон частот меньше, чем 20 Гц – 20 кГц, не писали. Даже у гонконгских. На мой удивлённый вопрос парень ответил: а ты их послушай. И дал совет: не верить глазам своим, а верить ушам.
Мы познакомились. Это был известный «ламповщик» Сергей Егоров. Он пригласил меня к себе домой, и я попал в комнату настоящего профессионала-фаната — в звуковой рай. На рабочем столе полукругом возвышался небоскрёб из десятков классных измерительных приборов, вокруг громоздились коробки с лампами, конденсаторами, трансформаторами, лежали грудами корпуса для усилителей, кинаповские динамики и т. д. У стены была сложена фанера, деревянные бруски и стояло несколько пар полутораметровых рупорных акустических систем. Такого я никогда не видел.
Сергей показал мне несколько японских радиотехнических журналов, которые были заполнены ламповыми схемами. Недоумение моё возрастало: весь мир завален японской транзисторной техникой для себя, значит, лампы — для себя, а для остальных стран — транзисторы? Почему?
Окончательно меня повергло в изумление натуральное и живое звучание лампового усилителя и то, что у него, как сказал Сергей, коэффициент нелинейных искажений аж 1%. В голове всё смешалось.
С этого момента я вошёл в мир ламповой аудиотехники и рупорной акустики. По японской схеме, но на наших лампах, собрал свой первый ламповый усилитель, затем корректор (кстати, без катодных повторителей, без SRPP и с пассивной коррекцией). Как-то мы с Егоровым попали на прослушивание, проходившее в одной известной коммунальной квартире в Басковом переулке. Было несколько экспертов, один из которых, когда испытывали мой корректор, язвительно-весело заметил: «А у вас фонит!» Это был уже тогда знаменитый А. Лихницкий. Другой, которому при прослушивании вообще ничего не нравилось, слушая усилитель Егорова, указал на «зализанность» и «волосатость» звучания и как итог — на ядовитость звука. И добавил: похоже, это общая болезнь трансформаторов. Как выяснилось, одна неосторожно брошенная фраза может надолго увести с правильного пути.
Шли годы. Мой интерес к звуковой технике и к звуку возрастал. Решив соединить профессию и хобби, я поступил на работу в Дом радио. Но там вопрос качества звучания и его улучшения стоял далеко не на первом месте. К примеру, звукорежиссёру не нравится звучание техники — прикатывают похожий на робота мультиизмерительный комплекс на колёсиках, тестируют тракт и говорят, что параметры в норме и претензии не принимаются. Но энтузиасты-радийщики всегда предпочитали использовать в звуковом тракте трансформаторы, особенно на входе и выходе микшерных пультов, микрофонных усилителей и на выходе микрофонов. Старые звукорежиссёры с нескрываемой ностальгией вспоминали прозрачное динамичное звучание профессиональных ламповых усилителей с высокочувствительными акустическими системами на больших бумажных диффузорах. «Да и уши за рабочую смену от них не уставали», — добавляли они.
К началу 1995 года последователи Егорова собрались вместе. Казалось, что теперь можно быстро решить все проблемы качества звучания. Мы плотно занялись исследованием влияния на звук отдельных радиокомпонентов (резисторов, конденсаторов, ламп, проводов и т. д.), начали определять закономерности изменения звучания при использовании различных схемотехнических решений, комбинаций элементов и способов монтажа. Стали упрощать сигнальные схемы, уменьшать количество используемых элементов, укорачивать путь прохождения сигнала. После каждого изменения звуковой тракт тщательно прослушивался. Отказавшись от кругового пути — отрицательной обратной связи (ООС), мы стали отказываться и от всевозможных параллельных путей. Обнаружилось, что эти круговые и параллельные пути есть везде, и не так просто их выявить. Но если удаётся это сделать, то насколько улучшается звук! Например, устранение параллельных путей в блоке питания улучшает звучание на порядок больше, чем замена межблочного кабеля или кабеля к акустическим системам, пусть даже на очень дорогой. Хотя это вовсе не значит, что нужно забыть о влиянии конструкции и материала проводов на качество звука.
После того как в разработанных нами схемах с гальваническими межкаскадными связями остался один выходной (или разделительный) конденсатор, встал вопрос: а нельзя ли избавиться и от него? В своё время основатель фирмы Audio Note Хирояши Кондо сказал: «Если количество элементов в цепи уменьшить хотя бы на один, то будет устранён ещё один источник механичного звучания» [1]. А уж насколько пагубно влияют конденсаторы на звук, я думаю, знают многие. Мы стали искать новое решение, которое на поверку оказалось очень старым. Как сообщает журнал Sound Practices [2], ещё в 1912 году был создан первый звуковой усилитель Audion, вообще не имевший разделительных конденсаторов, — все межкаскадные связи в нём были построены на трансформаторах (а вот первые резистивно-ёмкостные схемы, говорится в этом же журнале, появились лишь в 1916 году). Значит, применяя трансформаторы, можно полностью избавиться в звуковом тракте от разделительных конденсаторов, а с учётом современных разработок — и от резисторов. Останутся только лампы и трансформаторы! И всё!
А какова ситуация в этой области сегодня? Два года назад фирма Marantz выпустила флагманский усилитель Project T1 на прямонакальных лампах с трансформаторными связями. Уже много лет известный разработчик фирмы Yoshiki Industrial Co., Ltd Шишидо применяет в своих моделях трансформаторы по всему тракту, да и сам Кондо-сан в последнее время в своих разработках всё больше использует межкаскадные трансформаторы. И наконец, из Интернета мы узнали, что в Японии есть знаменитый аудиофил Сакума, вот уже 20 лет разрабатывающий различные усилительные устройства на основе не менее знаменитых входных, межкаскадных и выходных трансформаторов фирмы Tamura.
Чем же так привлекательна (была и снова стала) трансформаторная связь? Из теории известно [3], что трансформаторный каскад (рис. 1, а) отличается от резистивно-ёмкостного (рис. 1, б) следующими чертами.
Трансформаторные каскады обладают следующими преимуществами:
- Значительно более высокий коэффициент полезного действия (КПД).
- Способность создавать для лампы наивыгоднейший режим нагрузки, то есть режим, в котором она получает максимально возможное напряжение и мощность при минимальных искажениях.
- Возможность получения необходимого выходного сопротивления и оптимального согласования между каскадами.
- Возможность получения большого выходного напряжения сигнала.
- Простота получения симметричных выходных напряжений (для двухтактных каскадов и для работы на длинную линию).
Недостатки трансформаторных каскадов включают увеличенные массогабаритные параметры (что не так важно в ламповых конструкциях) и не очень хорошие амплитудно- и фазочастотные характеристики. Однако последние можно улучшить путём повышения качества трансформатора, что является сложной и дорогостоящей задачей.
Давайте проверим первое, наименее очевидное преимущество трансформаторного каскада перед резистивно-ёмкостным. Возьмём лампу 6С45П-Е с высоким коэффициентом усиления ± 50, низким внутренним сопротивлением в рабочей точке Ri = 1,25 кОм и низким уровнем собственных шумов. Рабочая точка: напряжение анода Uа = 150 В, ток покоя Iа = 35 мА, мощность, рассеиваемая на аноде, составит Pа = Uа · Iа = 5,25 Вт. Для уменьшения нелинейных искажений возьмём нагрузочный коэффициент α = 3,76, тогда сопротивление анодной нагрузки по переменному току составит Rа = α · Ri = 4,7 кОм. Пусть переменное напряжение на выходе обоих каскадов составит Uвых = 60 В, а нагрузкой служит резистор Rн = 47 кОм (входное сопротивление следующего каскада). Возьмём трансформатор с КПД = 0,9 и сопротивлением первичной обмотки R1 = 200 Ом. При этом коэффициент трансформации K = √(Rн / Rа) = √10.
КПД анодной цепи для двух видов каскадов. Мощность на нагрузке:
Таким образом, КПД трансформаторного каскада почти в 9 раз больше КПД резистивно-ёмкостного каскада.
Необходимое напряжение источника питания для обеспечения режима по постоянному току:
Требуемое напряжение источника анодного питания для трансформаторного каскада будет в 2 раза меньше, чем для резистивно-ёмкостного.
Какая часть мощности сигнала достигает нагрузки:
Мощность на аноде лампы:
Мощность на нагрузке:
В трансформаторном каскаде 9/10 мощности сигнала достигает нагрузки, а в резистивно-ёмкостном — лишь 1/11 часть (остальные 10/11 выделяются на анодном резисторе впустую).
Цифры цифрами, но как же самое главное — звучание? Мы уже знали, насколько по-разному могут звучать трансформаторы разных фирм, входные (МС) и выходные. Свои выходные трансформаторы мы рассчитывали и многократно дорабатывали, учитывая только параметры. Экспериментировать со звучанием выходных трансформаторов — чрезвычайно трудоёмкая работа, и не очень это корректно, ведь перед трансформатором у нас было несколько нетрансформаторных каскадов. Надо было идти от простого к сложному. Решили отработать звучание только одного линейного трансформаторного каскада.
Нам попался под руку старый выходной двухтактный трансформатор от радиолы «Симфония». Не трогая обмоток и собрав заново железо сердечника с зазором, мы сделали стандартный трансформаторный каскад.
При подключении трансформатора к источнику питания и измерении параметров были получены не самые впечатляющие характеристики, в частности амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) 90–11000 Гц (по уровню –3 дБ). Однако на слух звучание оказалось быстрым, энергичным, с большими динамическими контрастами. Несмотря на ограничения частотного диапазона, в нём было столько музыки, что мы были поражены. Традиционные резистивно-ёмкостные схемы такого эффекта не давали, как и гальванические схемы (частный случай резистивно-ёмкостных).
Мы вплотную занялись конструкцией выходного трансформатора для предварительного усилителя с целью получения наиболее низкого выходного сопротивления, что позволяет снизить влияние паразитных параметров соединительного кабеля [4]. После многократных перемоток обмоток удалось получить отличные технические характеристики: АЧХ 8–140000 Гц (–0,5 дБ), коэффициент гармонических искажений (Кни) 0,09% (50–12500 Гц, Uвых = 1 В). Однако звучание нас не полностью удовлетворило. Что-то мешало…
На основе наработанного опыта был проведён тщательный анализ конструкции трансформатора, и был найден камень преткновения. Устранив его, мы смогли добиться желаемого звучания. Технические характеристики при этом ухудшились: АЧХ 22–24500 Гц (–0,5 дБ), Кни 0,12% (50–12500 Гц, Uвых = 1 В). Это подтвердило, что связь технических параметров с качеством звучания не всегда однозначна.
Полученный трансформатор для выходного каскада линейного устройства оказался достаточно универсален: его можно успешно использовать в линейном предварительном усилителе, усилителе для телефонов, выходном каскаде проигрывателя компакт-дисков, корректоре RIAA или цифро-аналоговом преобразователе. На данный момент разработаны и запущены в производство две версии трансформатора: TL 45 для лампы 6С45П-Е и Т. 4С для ламп 2А3, 6B4G, 6C4С, включённых по схеме, которая показана на рис. 2. Эта схема является дальнейшим развитием трансформаторной идеи в выходных линейных каскадах.
Четвёртое свойство трансформаторных каскадов делает их использование весьма привлекательным в предоконечных (драйверных) схемах, работающих на мощные выходные триоды типа 300В, VV30B, 211, 845, ГМ70, SV572 и другие. Трансформатор позволяет получить огромную амплитуду выходного напряжения (100 В и выше) при низких нелинейных искажениях (0,2–0,4%), а также малое выходное сопротивление, что необходимо для работы оконечной лампы с токами сетки [5].
Работа в этом направлении привела к созданию предоконечного межкаскадного трансформатора ТІ300В для ламп 300В, 2А3, 6В4G и других. Он используется в предоконечном каскаде усилителя SPb Sound T70SE на лампе 6B4G для управления лампой ГМ70. Этот каскад обеспечивает переменное напряжение 100 В на нагрузке 12 кОм при значениях Кни 0,3% (60 Гц), 0,22% (1 кГц), 0,45% (12,5 кГц); АЧХ: 17,5–22000 Гц (–0,5 дБ), 7–65000 Гц (–3 дБ); коэффициент усиления 4,5.
Использование пятого преимущества трансформаторного каскада оказалось труднее всего и потребовало много времени. Но как упростилась схема двухтактного усилителя! Количество ламп сократилось до трёх за счёт полного отсутствия резисторов и конденсаторов в сигнальной цепи. Полученный двухтактный межкаскадный трансформатор ТІ300РР имеет следующие параметры: асимметрия ±0,02 дБ (18–16000 Гц), при Uвых = 40 В и значениях Кни 0,65% (60 Гц), 0,55% (1 кГц), 0,46% (10 кГц); АЧХ: 26–16000 Гц (±0,5 дБ), 18–20000 Гц (±1 дБ).
