БЫТЬ ИЛИ НЕ БЫТЬ ЛИНЕЙНЫМ.
(Выходной трансформатор для однотактника)
ЧАСТЬ II (OKOHЧAHИE). DR. ТОМ HODGSON Sound Practices № 10.
Продолжаю свои заметки, начатые в S.P. № 5, о пионерских работах Партриджа по искажениям в выходных
трансформаторах. Вкратце напомню смысл первой части: д-р Партридж в конце 30-х был захвачен идеей выходного
трансформатора (ОТ-Output transformer) для РР (push-pull) с воздушным зазором. Этот зазор уменьшал
индуктивность первички, оттого габариты сердечника были существенно больше. Трансформатор его разработки
для 10-ваттного двухтактника Уильямсона*, с КТ-66 на выходе, включенных триодами, весил 14 фунтов
при Ш-железе и 10 фунтов при стержневой конструкции сердечника.
Он показал, что искажения, вносимые ОТ максимальны на низких частотах и даже пытался ввести индексы
для трансформаторов, путем измерения индуктивности на сетевой частоте, удобных при расчете для получения
возможно большей мощности.** Им был поставлен вопрос об измерении искажений формы сигнала на частотах
гораздо ниже общепринятых, где АЧХ линейна, так как продукты нечетного порядка буквально топили сигналы
основного тона в области низких частот.
Меня привлекла та часть его работ, в которой сказано: "... вместо того, чтобы иметь индуктивность,
в громадной степени изменяющуюся от приложенного сигнала, умнее будет, чтобы в трансформаторе с зазором
(хотя и большем по размерам) эта индуктивность оставалась бы без существенных изменений." После этого
он посчитал, что таким образом обеспечив сравнительно низкие искажения в ОТ, следует поближе рассмотреть
схему выходного каскада. По его теории выходило, что внутреннее сопротивление выходной лампы (или ламп)
главным образом влияет на искажения по напряжению на выходе трансформатора. Так что триоды с Rj порядка
1 кОм выглядят предпочтительнее пентодов, внутреннее сопротивление которых порядка 10 кОм.
Моя первая статья касалась приложения идей Партриджа к однотактным трансформаторам и в особенности
кривых намагничивания для сердечников с зазором и без зазора. При ее написании я пытался найти простейший
метод описания электромагнитных сложностей в SE трансформаторе и выяснить, почему однотактники так звучат.
Моя точка зрения изложена ниже, вместе с проведенными магнитными измерениями на паре трансформаторов,
любезно представленных мне Майком ля Февром (Magnequest) и Питером Квортрупом (Audio Note). Был также
обмерен трансформатор с посредственными характеристиками.
Главное, что требуется от трансформатора это, чтоб он был линейным устройством. Давайте посмотрим на
его магнитные свойства с точки зрения выходного напряжения U (подобно индукции/плотности магнитного потока В)
в зависимости от входного параметра - тока I (подобно намагничивающей силе Н). График будет подобен
сквозной характеристике (зависимость вход/выход), присущей многим электронным устройствам. На Рис. 1
представлена начальная петля гистерезиса для современных типов кремнистого железа, применяемого для
ОТ без зазора. Характеристика, как видим, далека от линейной. На малых уровнях усилитель будет иметь
резко выраженные нечетные искажения (типа ступеньки). На самых высоких амплитудах, что соответствует
магнитному насыщению сердечника (при индукции порядка 15 кГаусс), усилитель станет клипировать опять-таки
с большим уровнем нечетных гармоник.
Заметьте, что значения тока, отложенные на горизонтальной шкале, всего несколько миллиампер. И этого
достаточно, чтобы вогнать трансформатор в насыщение. Воздушный зазор, предложенный Партриджем, пластины
из пермаллоя вперемежку с обычным железом у 20-20 Plus*** (спасибо ля Февру за историческую справку
о фирме Peerless), все это предназначено для линеаризации гистерезиса в РР выходном трансформаторе.
На Рис. 2 показана часть петли гистерезиса для однотактного трансформатора с зазором 0,006 дюйма
(примерно 0,2 мм) или чуть больше того.
Можно сказать, что к зазору "приложен" ток подмагничивания и при его увеличении (тока), рабочая
точка с входным сигналом все более смещается вправо. Изначально я выбрал значение постоянного тока
в 50 mА, как весьма типичное для однотактных усилителей. На Рис. 2 показана также (в едином масштабе)
и петля для сердечника, не имеющего зазор, то есть с высокой магнитной проницаемостью ц. Так что можно
сразу оценить, как происходит линеаризация магнитной характеристики в однотактном трансформаторе.
Как уже было отмечено в части I, SE выглядят очень привлекательно из-за отсутствия проблем с балансировкой
по постоянному и переменному току, что является главной головной болью в PP. Однако, и в SE возникают
свои проблемы, так как с увеличением зазора (положительный, линеаризующий эффект) автоматически требуется
и больший постоянный ток подмагничивания, дабы вывести рабочую точку на требуемую величину В (не забудьте,
что плотность магнитного потока отвечает за величину выходного напряжения). С падением ц (уменьшение
наклона петли) также падает и индуктивность при данных витках первички и сечении железа. Так что мы
должны иметь существенно больший трансформатор, чем для РР, если хотим иметь одинаковую индуктивность.
Обычно, при одинаковых моточных данных и сечении железа, SE имеют индуктивность, равную одной трети от РР.
На Рис. 2 можно ясно увидеть линейность выходного сигнала в зависимости от входного, наложенного
на 50 mА подмагничивания. Это примерно равно магнитной индукции в 8 кГс (0,8 Т) с качанием сигнала
относительно средней точки в ±0,5 кГс.
Заметьте, однако, что мы не можем произвольно увеличивать I0 - ток через лампу, так как выходной
сигнал начнет испытывать искажения, благодаря насыщению. Посмотрите, что происходит при I0=100mA;
искажения будут главным образом второго порядка. Насколько это нежелательно, увидите ниже. Из этого
поверхностного обзора моих измерений не сложно сделать выводы:
Нам нужно, чтобы выходной трансформатор SE был так называемой линейной индуктивностью или дросселем,
если хотите. То есть линия ВН должна представлять собой прямую, чтобы индуктивность не изменялась от
амплитуды сигнала. И лучше, чтоб она оставалась постоянной во всем диапазоне токов, идущих через лампу.
Эти требования наглядно представлены на Рис. 3 и 4 для трансформаторов Magnequest FS030 3 кОм и
Audio Note 25 w 2,5 кОм, естественно однотактных. В соответствии с рекомендациями Партриджа, я подавал
напряжение сети (60 Гц) от ЛАТРа с ничтожным выходным сопротивлением. Замеряя ток по первичке и напряжения
по входу и выходу, получил значения индукции В. Картинки взяты с экрана осциллографа. Все соответствовало
процедуре измерений, указанных в справочниках по магнитным материалам: амплитудные качания В были порядка
15% от значения индукции по постоянному току (это огромные амплитуды, так как поданное напряжение
было равно 141 V RMS, что соответствует ±200 V по амплитуде). Это по крайней мере вдвое больше, чем
при работе с триодом 300В, так что любое проявление нелинейности сразу бы стало заметно.
Нет сомнений, что представленные трансформаторы являются линейными индуктивностями, даже когда токи
подмагничивания были по крайней мере на 50% больше того значения, которое предназначалось для работы
их в усилителях. Magnequest показал даже более консервативные результаты (т.е. с большим запасом) против
того, на что он был нормирован. Даже при явно избыточных значениях I0, трансформаторы показали лишь
слабое скругление характеристики ВН (2-я гармоника). И не забудьте, что в реальных условиях вы никогда
не станете терзать трансформаторы по переменному току, как это сделал я при тестировании.
Оба два - прекрасные устройства.
Следуя Партриджу, я вычислил искажения по выходному напряжению при нормированных I0 значениях для
каждого трансформатора (60 mA - Magnequest и 90 mA Audio Note). В обоих случаях искажения не превышали 0,1% при
работе с 300В. При обычной громкости, то есть мощности не превышающей 3-5 Вт, искажения будут вероятно
меньше 0,02%. Таким образом, с моей точки зрения, хорошо сконструированные ОТ SE не создают искажений
при работе обычными нормальными нагрузками.
Чтобы далее продемонстрировать, насколько SE трансформаторы линейны, привожу графики индуктивности
первичной обмотки в зависимости от постоянного тока через выходную лампу (Рис. 5) и от эффективного
напряжения на концах обмотки (Рис. 6). Результаты уже сами по себе объясняют многое и дают ответ на
часто задаваемый вопрос о том, с каким током лампы должен работать тот или иной трансформатор? Надеюсь,
мои измерения, наконец, убедили вас, что данные ОТ есть линейные дроссели (индуктивности) для работы,
скажем, с 300В. Искажения, хоть сколько-нибудь ощутимые, порождены выходной лампой. Доказать это и
было смыслом работ Партриджа.
Не жалко повторить еще раз, что оба трансформатора превосходны.
Так что же ожидать от SE трансформатора хорошего качества? Во-первых я хотел бы дать комментарии
в отношении индуктивности первички, размеров сердечника и частоты среза в НЧ области. В справочнике
Sturley "Radio Receiver Design" часть вторая, дана формула для частоты по уровню -2 дБ:
f-2дБ = 2Ri/2pL1,
Для триода 300В Ri=750 Ом, при L=30 Гн получим f-2дБ = 8 Гц. Думаю, что теперь стало понятно,
отчего низкочастотность однотактника стоит немалых денег.
Пусть ученые от электромагнетизма простят мне незнание автора эмпирической формулы, которую я привожу
ниже. Если вес трансформатора в фунтах помножить на значение индуктивности первички, то получим примерный
качественный показатель, выраженный в долларах. Для Magnequest он равен 352 при стоимости трансформатора $300.
Для трансформатора Audio Note - 176 при цене в $150. (В самом деле, вес трансформатора приближенно определен
массой железа и количеством медной проволоки, уложенной в витки обмоток). При ценах на трансформаторы
на сегодняшний день этот "показатель качества" равен 1-2 при использовании кремнистого железа. Меньшая
цифра для прочей экзотики.
Чтобы иметь представление об образчике "плохонького" транса, на Рис. 7 даны кривые ВН при разных
токах I0. Сам он нормирован на 75 mA с индуктивностью 54 Гн, весит 8,6 фунта с сечением стали в катушке
всего лишь 1,5x1,5 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). Как его можно применять, если стоит он только $80? Наш
показатель равен 54 х 8,6/80=5,8! Вот это покупка! Купили рублей на пятак. Теперь глянем на кривые ВН
Рис. 7. Очевидно, на 60 Гц искажения на второй гармонике превысят 1% (при I0=75 mA), что даст на
выходе ясно слышимый сигнал двойной частоты и мутный, темный звук. Что же стало причиной?
Легко ответить на вопрос, почему не получить такое значение индуктивности при столь малом сечении железа.
Но при небольшом увеличении зазора, индуктивность упала до 38 Гн, а трансформатор стал вполне линейным.
Для 54 Гн нужно уложить огромное количество витков и это не пройдет безнаказанно.
Активные сопротивления по меди первичной и вторичной обмоток приведут к повышению коэффициента потерь.
Имейте в виду, что 1 дБ потерь не выглядит устрашающей цифрой, но ведь это 20% мощности от вашей 300В
(те вместо возможных 10 Вт, вы получите 8 Вт). Как правило, типичной приемлемой цифрой будет
<0,5дБ»10% ). Так что при достижении большой индуктивности только количеством витков в обмотках не
обойтись.
Эти соображения приводят к вопросу о сопротивлении нагрузки для выходной лампы. Значения 2,5-3 кОм
предпочтительны для разработчика трансформаторов, так витков меньше, а диаметр провода может быть взят
больше (против 5-7 кОм и даже выше). С этой точки зрения выглядит разумным параллельное соединение
300В. Выходной трансформатор однотактного Оngaku с приведенным сопротивлением по первичке 16кОм должно
быть является произведением искусства, правда, как я уже говорил, он начинает "валить" частотную характеристику
выше 12 кГц. Так что, оставьте это дело профессионалам и экспертам. А мои заметки, я надеюсь, помогут
вам сделать правильный выбор.
Естественно, остальные параметры, к примеру, частотная характеристика, не менее важны, хотя я и кинулся
вначале обсуждать линейность трансформатора на низких частотах, где проблемы наиболее заметны. Разработчики
SE трансформаторов для достижения приличной характеристики на ВЧ вынуждены изощряться гораздо больше,
чем РР, так как у них нет возможности применять технологии, принятые при разработке двухтактных трансформаторов.
Я измерил частотные характеристики обоих трансформаторов, использовав генератор с последовательно
включенным резистором 1 кОм и напряжением 5 V (эффективного значения -RMS) с нормированным значением
тока подмагничивания (строго говоря, для измерений нужно использовать выходную лампу). Оба трансформатора
начали "валить" высокие на 35 кГц. Magnequest имел "полку" вплоть до 20 Гц (благодаря более высокой
индуктивности), в то время, как Audio Note на этой частоте имел завал в 1,5 дБ. Я также понаблюдал фигуры
Лиссажу на осциллографе, чтобы проверить фазовую характеристику на высоких и низких частотах. Углы полностью
соответствовали АЧХ и ничего необычного я не увидел.
Я продолжаю убеждаться в том, что главным преимуществом SE является превосходная линейность на малых
уровнях. Объясняет ли эта техническая особенность ту великолепную музыкальность и высокое разрешение,
что закрепились за однотактниками? На краях частотного диапазона здесь могут быть определенные проблемы,
так что предпочтение отдается рупорным громкоговорителям. Я до сих пор надеюсь на то, что читатели SP
(Sound Practices, откуда и родом эта статья - Ред.) изложат свое мнение по этому поводу, так как
приобретают все больший опыт при прослушивании однотактников.
Читая журнал между строк, я отметил рекомендации по применению двухтактных усилителей с ООС для субвуферов
и однотактников для большей части музыкального диапазона (если вы, конечно, не пользуете К-рупоры или
головки Lowther). Ранее я слышал классные SE усилители в паре с оригинальными рупорам Voigt'a (Войта
или Фохта, кто как прочтет). Так вот, бас был более выпуклым и рельефным в сравнении с очень хорошим
двухтактником. Однотактники выявляли больше "присутствия исполнителя" и больше глубины сцены. Возможно,
что самые ощутимые различия исходят от применения триодов на выходе и искажений 2-го порядка, присущих
характеристике передачи. Но только не из-за выходного трансформатора!
Теперь-то мы знаем, что великие недостатки существующего формата CD, то есть потеря разрешения на
малых уровнях и жесткость на слух, произошли благодаря зиллионам*** интермодуляционных продуктов
(спасибо Кейту Джонсону из Pacific Microsonic за его просветительские интервью). Может ли кто-либо
из "виниловых экспертов", практикующих в настоящее время, ответить на вопрос, каким образом творцы
великих LP добивались глубины, несмотря на тот факт, что ранние стереозаписи на низких частотах были
чистейшими моно? Когда я узнаю ответ, я, быть может, стану R.I.P., но пока я просто слушаю музыку.
Перевод выполнен Белкановым А.Н.
*Возможно это был все-таки усилитель Соcking'a, так как схема Уильямсона была опубликована после
смерти Партриджа. Ред.
** Такие данные можно отыскать в книге Цыкина ... "Трансформаторы усилителей низкой частоты" за
1937 s. Ред
*** 20-20 Plus - серия выходных РР трансформаторов ф.Peerless, известных своим умопомрачительным
коэффициентом качества - 75000. Ред
**** Цифра, очень любимая американцами. Когда очень много, они говорят - зиллион. Ред