Однотактный ламповый усилитель из доступных деталей

В последние годы для всего мира характерен устойчивый интерес к однотактным усилителям. Ими восторгаются, их критикуют, о них спорят. Появилось немало и любительских конструкций, и промышленных моделей, в том числе в самых высоких (до сотен тысяч долларов) ценовых категориях. Можно даже сказать, что мир разделился на два лагеря - ярые поклонники однотактной схемотехники и ее не менее ярые противники.

Сторонники однотактных усилителей указывают в первую очередь на их субъективно определяемые качества: особая чуткость, певучесть звучания, "музыкальность" (последнее слово приходится взять в кавычки, так как не всегда понятно, что именно под ним подразумевается). Доводы противников, напротив, основываются на самых что ни на есть объективных данных. Это, как правило, невысокая мощность, ограниченный (как снизу, так и сверху) частотный диапазон и высокий уровень измеряемых искажений. Можно, конечно, возразить, что фирма "WAVAC" выпустила 100-ваттный однотактный усилитель; что частотный диапазон усилителя "ML2" фирмы "LAMM industries" составляет 3-80000 Гц без ООС, но, боюсь, эти аргументы покажутся неубедительными, если вспомнить, какой ценой (30-35 тыс. долларов) это все достигнуто.

А потому спустимся с небес на землю и попробуем ответить на вопросы, актуальные для большинства любителей музыки: какая мощность реально необходима для прослушивания в домашних условиях и каков приемлемый уровень нелинейных искажений?

Кажется, было бы естественным сказать, что, дескать, мощности чем больше, тем лучше, а искажений, разумеется, наоборот. Увы, наделе все не так просто. Высокая мощность достигается переводом выходного каскада в класс АВ, что вызывает неизбежный рост искажений всех видов, а заметного, начиная с нескольких процентов, уменьшения этих искажений можно добиться, только прибегнув к глубокой отрицательной обратной связи, про которую до нас было написано достаточно, чтобы понять - качество звучания с ее помощью повысить не удастся, можно лишь заменить одни искажения другими.

Банальный пример: 0,003% гармоник при 100 Вт мощности - цифры, типичные даже для относительно дешевого транзисторного усилителя. Так с чем же связано бедное, даже убогое, лишенное всякой эмоциональности звучание большинства таких усилителей?! За все в этом мире приходится платить, и в рамках одной ценовой категории вам неизбежно придется выбирать между мощностью и качеством.

Но все не так уж безнадежно. На вопрос о необходимой мощности убедительно ответил А. М. Лихницкий в своей статье "Мощность". Согласно его выводам, акустическая система чувствительностью 90 дБ в паре с усилителем мощностью 10 Вт способна в комнате площадью 20 м2 создать звуковое давление, необходимое для полноценной передачи forte fortissimo симфонического оркестра. Господа аудиофилы, зачем же больше?

Теперь поговорим об уровне нелинейных искажений. Нам придется обратиться к некоторым выводам психоакустики, утверждающей, в частности, что на слух заметность нелинейных искажений для гармоник разного порядка неодинакова. Большинство исследователей сходятся на том, что 1% второй гармоники не замечают даже профессиональные эксперты, а основная масса испытуемых обнаруживает ее примерно с 1,8-2,5%. К сожалению, не совсем так обстоит дело с гармониками более высокого порядка. Согласно эмпирическим наблюдениям заметность на слух какой-либо гармоники прямо пропорциональна квадрату ее номера. Исходя из этого, 0,1%, скажем, десятой гармоники и 2,5% второй вызовут соизмеримое (хотя и по-разному проявляющееся) ухудшение качества звучания. Более того, одни гармоники могут маскировать присутствие других, так, в частности, третья гармоника становится менее заметной при наличии второй. Спектральное сочетание плавно спадающих по уровню гармоник (вторая наибольшая, третья меньше, четвертая еще меньше и т. д.), является для нашего слуха наиболее благозвучным. Мы же отметим только, что приводимые в паспорте сведения о совокупном уровне нелинейных искажений без указания спектра этих искажений ровным счетом ничего не говорят о качестве звучания.

Предположим, мы вас убедили, и мощность в несколько ватт при нескольких процентах гармоник вас устраивает, но почему обязательно при однотактной схеме? Заглянем в старый учебник по ламповой схемотехнике [3]. Там черным по белому прописаны четыре основных преимущества двухтактных ламповых выходных каскадов:

- отсутствие постоянного подмагничивания в выходном трансформаторе;

- увеличенная (в классе А как минимум вдвое) выходная мощность;

- компенсация четных гармоник в выходном сигнале;

- пониженная чувствительность к пульсациям питающего напряжения. Учебник был написан около полувека назад, и, хотя законы физики за это время не изменились, стоит задуматься, к чему мы стремимся, применяя эти законы. При внимательном прочтении знакомых еще со студенческих времен страниц можно заметить, что основным стремлением схемотехники в те годы было получение все более высокой мощности при уменьшении габаритов и веса. Сейчас мы ставим перед собой обратную задачу - получение максимально достижимого качества звучания невзирая на габариты и вес. Так может попробуем пойти обратным путем - от класса В к классу А, от двухтактного каскада к однотактному? Давайте рассмотрим так называемые недостатки однотактных выходных каскадов.

1. Постоянное подмагничивание в выходном трансформаторе. Оно не только уменьшает индуктивность первичной обмотки, но и заставляет железо работать по частному циклу гистерезиса (говоря не вполне технически грамотно, в "чистом классе А"), то есть в режиме с повышенной линейностью, особенно на малых сигналах, без той вроде бы заглаженной, но все-таки присутствующей "ступеньки" при переходе через ноль, что присуща двухтактному режиму работы (может быть, с этим связано главное преимущество однотактников - потрясающая микродинамика?). Уменьшение индуктивности компенсировать достаточно просто - увеличив габариты и вес, мы ведь договорились, что они для нас не главное.

2. Выходная мощность двухтактного каскада, работающего в классе А, равна выходной мощности однотактного каскада, построенного на той же паре ламп, но включенных параллельно. Класс АВ мы здесь не рассматриваем в виду невозможности его реализации без ООС.

3. Компенсация четных гармоник в двухтактном каскаде к силу указанных выше особенностей слуха приводит чаще всего к субъективному ухудшению качества звучания. Не случайно некоторые разработчики, как у нас, так и за рубежом, пытаясь приблизить звучание своих двухтактных аппаратов к звучанию однотактных путем перекоса в фазоинверторном каскаде, подмешивают к сигналу вторую гармонику. Увы, это не решает всех проблем, связанных с двухтактниками.

4. Повышенная чувствительность однотактных каскадов к пульсациям питающего напряжения преодолевается в результате простого увеличения емкости фильтрующих конденсаторов блока питания, что при их нынешних размерах и стоимости не представляет сложности.

Вот мы и пришли к неожиданному выводу: большинство декларируемых недостатков однотактного усилителя при ближайшем рассмотрении оказываются его достоинствами, остальные же на сегодняшний день легко устранимы за счет увеличения габаритов, веса, и, как следствие, стоимости.

Небольшая мощность при больших габаритах, весе и стоимости - насколько это приемлемо, пусть каждый решит для себя сам. Нам же представляется вполне естественным, что усилитель высокого класса, способный в соответствующем тракте доставить ни с чем не сравнимое наслаждение любителю музыки, имеет внушительные размеры и вес и стоит больше, чем посредственный аппарат, хотя бы и с мощностью на порядок выше.

Конечно, бывают ситуации, когда без высокой мощности не обойтись, например при озвучивании дискотеки, но в домашних условиях грамотно спроектированный однотактный триодный усилитель без обратной связи мощностью 5- 10 Вт с типичным уровнем искажений около 5-6% при полной мощности (и соответственно около 1,0% при мощности 1 Вт), работая на акустическую систему чувствительностью 90 дБ и более, способен обеспечить весьма высокое качество звучания, зачастую недостижимые для аппаратов, использующих какую-либо другую схемотехнику.

Внимательный читатель может отметить, что большая часть сказанного выше в равной мере относится и к транзисторным однотактным усилителям. Совершенно верно, в мире существует и такое направление, его яркими представителями являются усилители серии "Pass Aleph" Нельсона Пасса. Мы не против транзисторов, но все же заметим, что на сегодняшний день, ламповый триод является самым линейным усилительным элементом, и с его помощью получить высокое качество звучания во всяком случае проще. Подтверждением этому служит и тот факт, что и самых высоких ценовых категориях мы видим только ламповые однотактники.

Ну хорошо, скажете вы, допустим. Но какое отношение все ото имеет к большинству любителей музыки в нашей стране, не имеющих возможности приобрести не только готовый усилитель "Сагу" или "Audio Note", но и необходимые для их построения компоненты лампы 300В производства "Western Electric", трансформаторы "Tango", конденсаторы "В1аск Саtе" и "Multicap", серебряные провода "Кimber Kable"? А вот какое.

Тем из вас, кто знает, за какой конец брать в руку паяльник, мы предлагаем самостоятельно собрать из доступных деталей простой в изготовлении и настройке ламповый усилитель, способный, тем не менее, продемонстрировать все преимущества однотактного лампового звука, о которых мы так много говорили.

Из возможных вариантов мы предпочли усилитель на выходных лучевых тетродах 6П3С в триодном включении. Этот аппарат явился прототипом серийной модели "Avan Elektrik Nostalgia", отличающейся от него некоторыми доработками, вызванными, в частности, технологическими требованиями серийного производства.

Основные технические параметры усилителя: выходная мощность 7 Вт при коэффициенте нелинейных искажений 6%, чувствительность 0,4 В, полоса рабочих частот па полной мощности не хуже 12 Гц- 30 кГц без ООС.

Выходная лампа 6П3С была выбрана нами, во-первых, за ее доступность и низкую (около 20 рублей на питерском радиорынке) цену. Во-вторых, за достаточно высокую линейность в триодном включении и многообещающий спектр гармоник (относительно высокая вторая гармоника и низкая третья). Напомним, что эта лампа, точнее ее прототип 6L6 разрабатывалась специально для использования в звуковых трактах. И в-третьих, за ее теплое (тут самое время вспомнить про спектр гармоник) и - все-таки не обойтись без этого слова - "музыкальное" звучание, даже в сравнении с такими серьезными соперниками, как EL34 и 6550, Два относительных недостатка этой лампы в триодном включении небольшую выходную мощность (3,5 Вт) и достаточно высокое внутреннее сопротивление (около 1,5 кОм) - мы преодолели, включив две лампы параллельно. Следует заметить, что среди российских радиолюбителей распространено необоснованное, на наш взгляд, мнение о недопустимости параллельного включения ламп. Не желая углубляться в дискуссию па эту тему, приведем простой пример. Один из самых дорогих (как-никак 330 тысяч долларов) усилителей всеми уважаемой фирмы "Audio Note", а именно "Gakuon'', имеет на выходе две включенные параллельно лампы, что вовсе не мешает его счастливым обладателям наслаждаться музыкой. Так или иначе, включив параллельно лампы 6П3С, мы получили внутреннее сопротивление 750 Ом и 7 Вт триодной мощности. Ну чем не "трехсотка"?!

Рассмотрим подробнее схему.

Входной каскад, он же драйвер, выполнен по схеме с динамической нагрузкой (SRРР) на одном из лучших отечественных малосигнальных триодов 6Н9С. Применение SRРР объясняется не каким-то нашим особым расположением к таким каскадам, а тем, что мы попробовали разные варианты (один триод с анодной нагрузкой, параллельное включение двух триодов и т.п.) и остановились на SRРР, как на обеспечившей наилучшее, по нашему мнению, качество звучания.

Выходной каскад, как упоминалось выше, выполнен на двух лучевых тетродах 6П3С в триодном включении. Для того чтобы свести к минимуму нелинейные искажения, выходные лампы подобраны парами по анодному току и крутизне с точностью 1,5% и при необходимости заменяются тоже парами. Тем, у кого нет возможности подобрать лампы, советуем не расстраиваться и использовав те лампы, которые есть (желательно все же из одной партии), так как разброс параметров ламп приводит к росту в основном второй гармоники, что не должно радикально ухудшить звучание. Выбранные вами режимы работы выходных ламп могут, на первый взгляд, вызвать недоумение. В частности - напряжение на второй сетке, почти на 100 В превышает величину, указанную в справочнике. Наш многолетний опыт работы с лампами это подтверждает, к тому же стоимость 6П3С не столь велика ( в отличие от, скажем, 300В), и замена даже всего комплекта ламп один раз в несколько лет вряд ли заметно скажется на чьем-то бюджете. Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор.

Выходной трансформатор, конечно же, является важнейшим элементом конструкции. От него зависит, пожалуй, не меньше, чем от выходной лампы, В нашем варианте он выполнен на Ш-образном сердечнике из трансформаторной стали толщиной 0,35 мм (вполне подойдет и ШЛ-сердечннк из стали ЭЗ10-ЗЗ0), ширина среднего стержня 25 мм, высота набора 40 мм. Первичная обмотка состоит из четырех секций по 510 +1190+1190+510 витков провода ПЭВ или ПЭТВ диаметром 0.28 мм. Между ними расположены три секции вторичной обмотки по 216 витков провода диаметром 0,71 мм. От 150-го витка можно сделать отвод для 4-омной нагрузки. Все секции первичной обмотки соединены последовательно. вторичной - параллельно. Между обмотками проложена конденсаторная бумага (можно использовать и обычную бумагу) толщиной 0,3 мм. После намотки катушка пропитана техническим воском (смесь парафина и церезина). Сердечник собран: Ш-пластины и I-пластины отдельно, между ними с помощью пластины из изолирующего материала выставлен зазор 0,25 мм.

Это не единственно возможная конструкция выходного трансформатора, вполне допустимо использование и других конструкций, например, в последние годы получил распространение двухкатушечный вариант па ПЛ-сердечнике, имеющий определенные достоинства (впрочем, как и недостатки). В таком случае рассчитывать трансформатор придется самому. Прежде всего это сопротивление первичной обмотки по переменному току 2,5 3,0 кОм, а также ток постоянного подмагничивания не менее 120 мА. Единственное предостережение: не используйте сердечники с площадью среднего стержня менее 10 см2 (габаритной мощностью менее 150 Вт), иначе вряд ли вы получите приемлемые характеристики на низких частотах.

Блок питания собран на кенотроне 5Ц3С, что не случайно. Практика показывает, что кенотронное питание способно существенно повысить качество звучания усилителя, какие бы полупроводниковые диоды вы до этого ни использовали. Неслучайно и самых дорогих моделях применяются именно кенотроны. Для силового трансформатора мы использовали магнитопровод Ш25 х 50, первичная обмотка содержит 770 витков провода ПЭВ диаметром 0,63 мм, повышающая обмотка 1310 + 1340 витков провода диаметром 0,315 мм, накальные обмотки - соответственно 19 витков провода 1,25 м.м для питания кенотрона, 24 витка того же провода для питания накала выходных ламп, и 24 витка провода 0,71 мм для питания накала входных ламп. Можно использовать и другой магнитопровод от трансформатора мощностью не менее 150 Вт, произведя расчет самостоятельно.

Если изготовление выходных и силового трансформаторов представляется вам непосильной задачей, их можно приобрести и в готовом виде.

Все детали установлены на алюминиевом шасси и соединены между собой с помощью навесного монтажа. Старайтесь максимально использовать выводы самих элементов; там, где их не хватает, применяйте провод МГТФ-0,35, особое внимание уделите "земляным" цепям. Основные требования к монтажу: провода должны быть по возможности короткими и ни при каких условиях не допустимы замкнутые контуры, иначе у вас получится не усилитель, а радиоприемник.

Собранная без ошибок схема настройки не требует. Желательно только проконтролировать с помощью тестера напряжения и токи в указанных точках. Если измеренные значения отличаются от приведенных на схеме не более, чем на 10%,- вес в порядке. Грубые отличия, скорее всего, указывают на ошибку в монтаже или на неисправность какого-либо элемента.

Перед первым включением проверьте монтаж самым тщательным образом. Это избавит вас от острых ощущений. Если при включении ваш усилитель не подал сигналов тревоги (запах гари, искры, громкие щелчки и т. п.), дайте ему прогреться 10-15 минут и приступайте к измерениям.

При правильном монтаже "земляных" цепей уровень фона в ваших АС должен быть достаточно низким. С акустической системой чувствительностью 90 дБ он слышен, только если ухо поднести вплотную к низкочастотному динамику. В противном случае придется по экспериментировать с расположением деталей и проводов, что иногда может занять даже несколько дней. Но так или иначе это решаемая задача, и, следовательно, вы с нею справитесь.

Номиналы элементов усилителя следующие: R1 - МЛТ-0,5 470кОм; С1-47 мкФх450 В; R2,R3 - МЛТ-0,5 1,5 кОм; С3-1000 мкФх63В; R4-МЛТ-1 20кОм; С2-0,15мкФ, 250В; R5-МЛТ-0,5 220кОм; С4-300 пФ (К78); R6,R10 - МЛТ-0,5 1,0кОм; R7, R11 - МЛТ-1 100 Ом; R8,R12 - МЛТ-0,5 22 Ом; R9-ПЭВ-10 240 Ом; R13*-МЛТ-0,5 30-120* кОм; V1, V2-6Н9С; V3, V4-6П3С; С2 (К72-П6, К72-П9); С1, С3 (К50-27, К50-37, К50-42, Rubiсоn, Nichiсоn, Jamicon).

Номиналы элементов блока питания: V1-5Ц3С; L1,L2-2,5Гн х 0.14 А; С1, С2, С3-220 мкФх450 В; С4-47мкФх100 В; R1-МЛТ-1 300кОм; R2-МЛТ-1 - 43кОм; C1, C2, С3 (K50-27, К50-37, К50-42, Rubicon, Nichicon, Jamcon).

Теперь затронем такой больной вопрос, как типы применяемых элементов. Почему больной? По этому поводу нам приходилось читать и слышать прямо противоположные мнения, начиная с того,что наши отечественные компоненты ничем не хуже (а то и лучше) самых дорогих и престижных зарубежных, и кончая тем, что без "Blak Gate" и "Multicap" нечего даже пытаться получить приличный звук. Подробное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки статьи, и мы ограничимся лишь некоторыми частными рекомендациями, основанными на нашем личном опыте.

Типы элементов, указанные на схеме, гарантируют вам некоторый начальный уровень качества, причем вполне сравнимый с присущим некоторым недешевым зарубежным моделям. А дальше, исходя из ваших вкусов и возможностей, попытайтесь подняться на более высокий уровень. Только не требуйте от этой схемы слишком многого, и она вас не разочарует. Итак, начнем по порядку.

Потенциометр, стоящий на входе, способен радикальным образом повлиять на качество звучания. К сожалению, достойной заменой дорогостоящему "ALPS" может стать разве что ступенчатый аттенюатор, скажем, на основе отечественных герконов с позолоченными контактами.

Не меньшее влияние на звук оказывает и замена переходной емкости. Если у вас есть возможность, советуем попробовать "Multicap RTX" или "Jensen". Они звучат весьма по разному, но каждый из них, на наш взгляд, заслужил свою высокую репутацию (и высокую стоимость). При всем нашем патриотизме мы не можем согласиться с теми, кто утверждает, будто наши К40У-9 (КБГ, ФТ, ФГТИ и многие другие) лучше (как вариант - не хуже), чем вышеназванные "Multicap", "Jensen" и т.п. Предполагаем, что заявления такого рода вызваны недостаточно высоким качеством используемых при тестировании звуковых трактов,

В блоке питания прекрасно зарекомендовали себя наши МБГО (МВГВ, МБГВ, МБГН, еще лучше КБГ-МН и т. п.), если закрыть глаза на то, что они займут полкомнаты. Несмотря на наше бесконечное уважение к "Вlаск Gаtе" серии "WKZ", язык не повернется рекомендовать их в силу запредельной стоимости. Советуем приберечь их для более продвинутых конструкций, а сюда поставить что-нибудь попроще, например "Rubikon" или "Nichicon". И наконец, если для монтажа вы прибегнете к какому-либо ОFС-проводу известной фирмы (на ваш вкус) и припою "WBT" или "Audio Note", хуже не станет.

Несколько слов по поводу акустических систем, которые могут использоваться с этим усилителем. Говорят, что только высокочувствительные (93 дБ и выше) акустические системы способны раскрыть возможности маломощных ламповых усилителей. Бесспорно, чем выше чувствительность ваших АС, тем меньшая мощность требуется от усилителя для создания одинакового уровня звукового давления и тем меньше, соответственно, будут искажения. Но вот беда, не всегда более чувствительная акустическая система оказывается лучшей по звуку. Как же быть? В домашнем комплекте одного из авторов описываемый усилитель длительное время работал с акустическими системами на динамических головках "Peerless" чувствительностью 80 дБ, воспроизводя музыку различных жанров, включая хард-рок на повышенной громкости, и проблем с передачей динамических контрастов не было. На выставке "Российский HIGH-END 2000" усилитель "Nostalgia" демонстрировался в комплекте с акустическими системами чувствительностью 87 дБ в зале площадью никак не менее 50 м2 и к изумлению многих, к нашему в том числе, на большинстве фонограмм он смог обеспечить необходимую громкость, не заходя в "клиппинг". Так что если предельная громкость не является для вас главным критерием оценки качества звучания, используйте ту акустическую систему, которая у вас есть, и, возможно, вы будете приятно удивлены. На самом деле удивляться не стоит, субъективное восприятие громкости звучания ламповых усилителей существен но отличается от восприятия громкости транзисторных. Наиболее часто называемая субъективная оценка мощности. Надеемся, что развеяли ваши сомнения.

Существует другая проблема, на наш взгляд, не менее важная. Сочетание высокого (3 Ом) выходного сопротивления усилителя с высокой добротностью акустической системы иногда может принести к нежелательному подъему на низких частотах, попросту говоря, к гудению. В подобных случаях обвинение чаще всего надает на усилитель, хотя нам кажется, что акустическая система виновата не меньше. Точнее, это проблема взаимного согласования усилителя и акустической системы. Существует несколько способов се решения. Наиболее простой - введение неглубокой обратной связи, уменьшающей выходное сопротивление усилителя до приемлемого уровня. Как же так, скажете вы, ведь мы только что отказались от обратной связи по идейным соображениям. Что же, в данном случае мы предлагаем пойти на компромисс, учитывая, что в большинстве случаев достаточно глубины ООС в 2-3 дБ. Но для убежденных противников ООС приведем и более радикальное решение - самостоятельно изготовить акустическую систему с пониженной добротностью специально для эксплуатации с усилителями без обратной связи. Если такая перспектива вас не пугает, мы, со своей стороны, готовы опубликовать один из возможных вариантов конструкции подобной системы на страницах журнала.

Литература

1. Лихницкий А. Мощность. Часть 1. "АудноМагазин" .N" 2 (7) 96.

2. Frankland S. Single-Ended Vs Push-Pull. Part 1. "Stereophile" 12/1996.

3. Цыкин Г. Усилители электрических сигналив. 1963,

4. Трошкин Н. Триод из подручных ма­териалов. "Клacc А", октябрь 1997.

5. Цыкин Г. Трансформаторы низкой частоты. 1955.