03. Transformator głośnikowy, lampy i głośnik

3. Transformator głośnikowy, lampy i głośnik

  Jak wspomniano we wcześniejszych rozdziałach najlepsze parametry wzmacniacza uzyskujemy gdy transformator głośnikowy, lampy mocy oraz głośnik są do siebie dopasowane. W niniejszym rozdziale przedstawione zostaną niezbędne czynności prowadzące do uzyskania dopasowania. Zajmiemy się również obliczeniami mocy wyjściowej transformatora oraz wartości współczynnika tłumienia wzmacniacza bez ujemnego sprzężenia zwrotnego.

  Wielkości potrzebne do opisania połączenia transformatora z lampami wyjściowymi są podane na pierwszych stronach not katalogowych transformatorów.  Pierwsza to impedancja głośnika ZL. Druga wielkość, Rg (=2rp) dostarcza nam informację o rezystancji wewnętrznej lamp mocy. I w końcu parametr a, który określa przekładnię transformatora. Przy optymalnym dopasowaniu uzyskujemy największe pasmo -3dB ograniczone częstotliwościami f-3L i f-3H.

3.1 Impedancja głośnika

   Wiele transformatorów głośnikowych posiada kilka odczepów uzwojenia wtórnego do podłączenia różnych typów głośników. Niegdyś te dodatkowe wyprowadzenia był naprawdę niezbędne ponieważ na rynku dostępne były głośniki o szerokim zakresie impedancji. Wartości 800Ω, 16Ω, 8Ω i 4Ω były powszechnie spotykane. W dzisiejszych czasach sytuacja się ustabilizowała i głośniki mają impedancje zwykle 8Ω lub 4Ω.

   Wszyscy wiemy, że impedancje głośników nie są stałe i mogą się zmieniać w znacznym zakresie. Zbadanie kilku typowych głośników pokazuje, że ich impedancja może się zmieniać od wartości minimalnych rzędu 3Ω do maksymalnych rzędu 40Ω do 50Ω. Te zmiany potrafią być szczególnie duże w przypadku wielodrożnych kolumn głośnikowych: dla częstotliwości podziału pomiędzy głośnikiem niskotonowym i średnio-tonowym oraz średnio-tonowym i wysoko-tonowym.


Rys.3.1 Przebieg impedancji w funkcji częstotliwości dla typowego głośnika elektrodynamicznego

   Nie jest możliwe aby transformator głośnikowy pracował optymalnie w tak dużym zakresie zmian impedancji obciążenia i częstotliwości sygnału. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest zaprojektowanie wzmacniacza lampowego o impedancji wyjściowej stałej w całym pasmie audio.

   Poza tym musimy również rozważyć przeniesienie mocy ze wzmacniacza do głośnika. Zależy ono od przekładni transformatora, rezystancji anodowych lamp mocy i impedancji głośnika. Obszerne testy odsłuchowe i pomiary wykazały, że najlepszym rozwiązaniem w przypadku transformatora głośnikowego jest zastosowanie pojedynczego uzwojenia wtórnego przystosowanego do większości głośników. Analiza wyników pokazała, że optymalną wartością jest 5Ω. Dlatego wszystkie standardowe toroidalne transformatory głośnikowe omawiane w opracowaniu zostały zaprojektowane dla impedancji wtórnej równej 5Ω.

   W Tab.3.1 i na Rys.3.2 pokazano wyniki pomiaru mocy wyjściowej transformatora VDV6040 sterowanego za pomocą dwóch lamp EL34 pracujących w konfiguracji ultralinearnej. Impedancja głośnika zmieniała się od 2Ω do 8Ω.


Rys.3.2 Moc wyjściowa w funkcji ZL
(transformator VDV6040pp z dwoma lampami EL34 w konfiguracji UL)

Tab.3.1 Zmierzone wartości mocy wyjściowej w funkcji ZL

Jak widać dla zakresu zmian impedancji obciążenia ZL od 3Ω do 8Ω moc wyjściowa zmienia się mniej niż 30%. Przechodząc na zależność logarytmiczną w decybelach otrzymujemy:

Te zmiany są tak małe, że stosowanie dodatkowych odczepów nie jest uzasadnione, w szczególności, że pogarszają one parametry transformatora w zakresie wysokich częstotliwości.

   Oczywiście może się zdarzyć, że wasz głośnik będzie miał impedancję 2Ω. Można to jednak uwzględnić w specyfikacji parametrów transformatora stosując wzory podane w poprzednim rozdziale. Przykładowo, jeśli maksymalna moc wyjściowa ma być dostarczona do głośnika o impedancji 2Ω i optymalna impedancja pierwotna (zostanie opisana nieco później) Zaa ma wartość 2000Ω to stosunek impedancji wynosi:

 Stąd Np:Ns=31,6. Transformatorem spełniającym to wymaganie jest model VDV6040pp. Jeśli jest to konieczne, tego typu obliczenia można wykonać dla innych transformatorów tak aby znaleźć najlepsze z możliwych dopasowanie pomiędzy głośnikiem o nietypowej impedancji i wzmacniaczem. Doświadczenie pokazuje, że impedancja wtórna 5Ω jest właściwa dla 99% spotykanych obecnie głośników i zestawów głośnikowych.

3.2 Triody, pentody i tryb ultralinearny (UL)

   Lampy wyjściowe mają różne rozmiary i typy. Jednym typem jest trioda składająca się z katody K, siatki sterującej G i anody A. Są również tetrody, które posiadają drugą siatkę nazywaną siatką ekranującą. Pentody z kolei posiadają jeszcze jedną siatkę zwykle podłączoną na stałe do katody.

   W tym rozdziale będziemy stosować pentody. Dlaczego? Ponieważ przez odpowiednie łączenie siatki ekranującej w odczepami uzwojenia pierwotnego transformatora głośnikowego mogą one pracować jako triody, lampy ultralinearne oraz oczywiście jako tradycyjne pentody. Te trzy tryby pracy zilustrowane są na Rys.3.3.


Rys.3.3 Konfiguracje pracy lamp wyjściowych
a) tryb triodowy, b) tryb ultralinearny, c) tryb pentodowy

   Z Rys.3.3 jasno wynika, że transformator głośnikowy musi posiadać dodatkowy odczep dla każdej połówki uzwojenia pierwotnego. Wszystkie transformatory toroidalne serii VDV/PAT posiadają takie odczepy i mogą pracować w pokazanych trzech trybach.

   Odczepy są zwykle wyprowadzane na 40% każdej połówki uzwojenia. W niektórych publikacja spotyka się wartość 30%. To zagadnienie zostało dokładnie zbadane i dla czterech transformatorów opisanych w rozdziale 1 zastosowano odczepy 40%. Wyjątkiem jest piąty transformator (model VDV8020), który ma odczepy dla 33%. Jest to spowodowane tym, że transformator został przystosowany do współpracy z lampami mocy EL84.

   Z jakimi konsekwencjami dla lamp mocy wiążą się różne tryby pracy? Przynajmniej jedna dotyczy mocy maksymalnej. Dla trybu pentodowego możliwe jest uzyskanie sprawności około 50%. Dla trybu ultraliniowego w zależności od położenia odczepów do 40%. Najmniejsza sprawność sięgająca 25% dotyczy trybu triodowego.

   Przykładowo, załóżmy że mamy lampę z napięciem pomiędzy anodą i katodą równym Vak=380V i prądem spoczynkowym Ia=60mA. Oznacza to moc rozpraszaną na anodzie równą 380x0.06=23W. We wzmacniaczu przeciwsobnym (PP) mamy dwie takie lampy więc całkowita tracona moc wyniesie 46W. Jeśli połączymy lampy w trybie pentodowym, to w klasie A przy 50% sprawności moc dostarczona do głośnika wyniesie 23W. W trybie ultraliniowym w przybliżeniu 20W, zaś w trybie triodowym tylko 12W. Prawdziwa moc maksymalna, którą zmierzymy zwykle będzie większa od podanych wartości ponieważ wzmacniacz stopniowo będzie przechodził z klasy pracy A do klasy AB.

3.3 Wpływ rp

   Moc wyjściowa zmienia się dla różnych trybów pracy związanych z różnym podłączeniem siatki ekranującej i związanymi z tym różnymi rezystancjami wewnętrznymi lamp mocy.Zilustrujmy to za pomocą następującego eksperymentu. Podłączyliśmy dwie identyczne lampy wyjściowe w układzie przeciwsobnym w trzech opisanych trybach pracy. Do pomiaru rezystancji wewnętrznych rp wykorzystany został tzw. współczynnik tłumienia (omówiony w dalszej części opracowania).

W trybie pentodowym rp ma wartość 25KΩ dla każdej lampy, w trybie ultraliniowym około 5KΩ, zaś w trybie triodowym 1,5KΩ. Znawcy tematu od razu rozpoznają po wynikach, że dane dotyczą lampy EL34. Obciążenie i punkty pracy zostały tak dobrane, aby wzmacniacz pracował w klasie A. Z podanych danych jasno wynika, że wartość rp zależy od trybu pracy i jest najmniejsza dla trybu triodowego.

   Przedstawione wyniki pozwalają na poszerzenie naszego modelu. Stopień mocy wzmacniacza przeciwsobnego może być przedstawiony przez zastąpienie każdej lampy mocy za pomocą źródła napięciowego z szeregową rezystancją wewnętrzną rp, tak jak to pokazano na Rys.3.4.


Rys.3.4 Prosty schemat zastępczy dla lamp wyjściowych i transformatora głośnikowego

Układ zastępczy jest bardzo uproszczony ponieważ dla niskich i wysokich częstotliwości należałoby uwzględnić wiele pominiętych elementów (czynniki Cip, Lsp i rp wpływają na wysokie częstotliwości, zaś Zaa, rp, ZL i Lp na niskie częstotliwości) . Tym nie mniej model wskazuje na potencjalne problemy związane z podłączeniem lamp mocy do transformatora głośnikowego.

3.4 Obliczanie współczynnika tłumienia

   W zakresie średnich częstotliwości (np. 1kHz) wpływ Lp, Lsp i Cip może być pominięty, co oznacza, że możemy dla tych częstotliwości wyznaczyć z wystarczającą dokładnością wartość współczynnika tłumienia (bez globalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego). Możemy to zrobić w następujący sposób: po pierwotnej stronie transformatora widzimy 2rp (lub 2Rib) plus rezystancje wewnętrzną uzwojenia pierwotnego Rip. Transformator konwertuje te rezystancje na stronę wtórną. Rezystancja uzwojenia wtórnego również musi być brana pod uwagę aby dojść do efektywnej rezystancji "widzianej" przez głośnik dołączony do wzmacniacza.


Rys.3.5 Ekwiwalentna rezystancja wyjściowa Zout zależy od rezystancji wewnętrznej lamp oraz rezystancji uzwojeń transformatora

Tą rezystancją jest całkowita rezystancja wyjściowa oznaczona jako Zout. Wartość współczynnika tłumienia DF (Damping Factor) opisana jest za pomocą zależności:

   Obliczona wartość współczynnika tłumienia dla określonej konfiguracji pracy lamp końcowych jest zamieszczona w każdej karcie katalogowej transformatorów opisanych w rozdziale 2. Korzystając z tych kart każdy może z góry oszacować wartość współczynnika tłumienia wzmacniacza lampowego, do którego dołączony jest głośnik o określonej impedancji.

   We wzorze [3-3] założyliśmy, że impedancja głośnika to 8Ω. Taka wartość przyjmowana jest jako wartość standardowa przez wielu producentów. W naszym przypadku możemy przyjąć naszą wartość standardową równą 5Ω. W ogólnym przypadku każdy powinien zastąpić wartość "8" przez wartość impedancji posiadanego głośnika, czy też zestawu głośnikowego. Podsumowując: nie jest możliwe podanie wartości współczynnika tłumienia bez wartości obciążenia. Bez wartości impedancji obciążenia współczynnik tłumienia jest niezdefiniowany!!!

   Opinie na temat wpływu współczynnika tłumienia na jakość dźwięku są mocno podzielone. Z jednego punktu widzenia duży współczynnik tłumienia jest konieczny dla prawidłowego odtwarzania basów. Z drugiego punktu widzenia wysoka wartość współczynnika tłumienia jest nierozerwalnie związana z głęboką pętlą globalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, co jest przyczyną redukcji definicji przestrzennej dźwięku.

   Wykonaliśmy kilka prostych eksperymentów w dziedzinie częstotliwości aby zbadać wpływ współczynnika tłumienia na charakter dźwiękowy wzmacniacza i zestawu głośnikowego. Wykorzystując typowy głośnik dynamiczny zmierzyliśmy na drodze akustycznej  w komorze bezechowej odpowiedź częstotliwościową za pomocą systemu MLSSA. Wzmacniacz był konfigurowany w taki sposób aby wartości współczynników tłumienia wynosiły 100, 8, 4, 2 i 1 w odniesieniu do standardowej impedancji obciążenia równej 8Ω. W celu ułatwienia porównania wyników  charakterystyka częstotliwościowa dla współczynnika tłumienia DF=100 została wyrównana. Na Rys.3.6 można zobaczyć jak zmienia się odpowiedź częstotliwościowa wraz z maleniem wartości współczynnika tłumienia.


Rys.3.6 Wpływ współczynnika tłumienia na odpowiedź częstotliwościową "średniego" głośnika

   Jaki wniosek można wyciągnąć z eksperymentu? Wraz z maleniem współczynnika tłumienia słabną średnie i wysokie częstotliwości sygnału. Tym samym niskie częstotliwości stają się relatywnie większe. To zjawisko wyjaśnia dlaczego niektóre wzmacniacze lampowe brzmią mętnie i równocześnie inne wzmacniacze brzmią poprawnie z jednym zestawem głośnikowym, zaś z innym nieszczególnie. W notach katalogowych transformatorów powinien być podawany współczynnik tłumienia w układzie bez sprzężenia zwrotnego. Dlaczego? Bo głębokość sprzężenia wpływa na wartość współczynnika tłumienia, a ten z kolei ma bardzo duży wpływ na odpowiedź częstotliwościową wzmacniacza.

   W starszych publikacjach można znaleźć propozycje optymalnych wartości współczynnika tłumienia - zwykle z przedziału 10 do 15. Takie wartości pociągają za sobą w przypadku wzmacniaczy lampowych stosowanie sprzężenia zwrotnego, co przez wielu słuchaczy jest postrzegane jako wada. Niewielkie odchylenia charakterystyki w zakresie basów są bardziej akceptowane niż problemy związane ze sprzężeniem zwrotnym powodujące utratę rozdzielczości przestrzennej czy też ziarnistość dźwięku. Na szczęście zalety i wady związane z wpływem globalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego są poza zakresem niniejszego opracowania.

3.5 -3dB ograniczenie pasma przenoszenia w zakresie wysokich częstotliwości

   Nieco wcześniej wskazaliśmy na przyczyny dlaczego wzmacniacze lampowe przestają poprawnie przetwarzać sygnały o wysokich częstotliwościach. Równocześnie zaznaczyliśmy, że tego typu problemów nie mają toroidalne transformatory głośnikowe jako niezależne elementy. Przyszedł czas aby zbadać wpływ samych lamp i ich konfiguracji na pasmo przenoszenia.

   Analizę przeprowadzimy na przykładowym układzie opisanym wcześniej. Bazuje on na lampach EL34 pracujących w trzech różnych konfiguracjach. Wstępne obliczenia, jakie zostały wykonane zakładały, że lampy po podłączeniu do transformatora VDV6040p zachowywały się w sposób idealny.

   Co to znaczy "idealne zachowanie się" lamp? Przyjmowaliśmy dotychczas, że lampa może być zastąpiona źródłami napięciowym z rezystancją szeregową o wartości rp. Po przyjęciu takiego modelu określenie częstotliwościowej charakterystyki przenoszenia było stosunkowo proste. Wyniki obliczeń prowadzą do charakterystyk zamieszczonych jako pierwsze wykresy na drugich stronach not katalogowych transformatorów głośnikowych. Przyjmowane jest tutaj założenie, że zarówno rp jak i ZL to czyste rezystancje. Tym samym lampy są traktowane jako idealne źródła napięciowe. W rzeczywistości ich zachowanie się jest bardziej złożone. Wykresy pokazane na Rys.3.7 przedstawiają charakterystyki częstotliwościowe lamp pracujących w konfiguracji triody, ultraliniowej i pentody. Widzimy, że pasma przenoszenia zależą od konfiguracji pracy, choć nie jest to jedyny czynnik, któy wpływa na przebieg charakterystyk.


Rys.3.7a Charakterystyka przenoszenia dla triody


Rys.3.7b Charakterystyka przenoszenia w trybie pracy UL


Rys. 3.7c Charakterystyka przenoszenia pentody

   Stosując taką samą procedurę możemy wyznaczyć charakterystyki przenoszenia dla różnych impedancji obciążenia (głośnika). Przykładowe charakterystyki są przedstawione na Rys.3.8. Jak widać również impedancja obciążenia ma wpływ na pasmo przenoszenia.


Rys.3.8a Charakterystyka przenoszenia lampy EL34 pracującej w trybie ultraliniowym dla obciążenia ZL=8Ω


Rys.3.8a Charakterystyka przenoszenia lampy EL34 pracującej w trybie ultraliniowym dla obciążenia ZL=5Ω


Rys.3.8a Charakterystyka przenoszenia lampy EL34 pracującej w trybie ultraliniowym dla obciążenia ZL=8Ω

   Przedstawione przykłady pokazują, że nie można definiować pasma transformatora głośnikowego w oderwaniu od układu, w którym ma pracować. Ostateczne pasmo przenoszenia zależy od samych lamp, ich konfiguracji pracy oraz czynników zewnętrznych takich jak zastosowane głośniki. Z tego powodu w kartach katalogowych transformatorów podane są warunki pomiarowe (konfiguracja pracy lamp, rezystancja źródła Rg i impedancja głośnika ZL). Mając takie dany (patrz rozdział 4) jesteśmy w stanie przewidzieć jak zachowa się transformator w przypadku, gdy zastosujemy inny typ lamp, inną konfigurację pracy i inne obciążenia.

   Wyniki obliczeń pokazane w tym rozdziale są orientacyjne. Oznacza to, że możemy przewidzieć kierunek zmian funkcji przenoszenia dla mniejszych lub większych wartości rp i różnych wartości ZL.

3.6 Wysokie częstotliwości w lampie wyjściowej

   Przenieśmy teraz nasze rozważanie na grunt praktyczny. Przypuśćmy, że zbudowaliśmy wzmacniacz lampowy i pełni optymizmu podłączamy oscyloskop do jego wyjścia aby sprawdzić, czy nasze obliczenia są dokładne. Niestety możemy być pewni, że się zawiedziemy. W praktyce zwykle pomiary wykazują, że zakres częstotliwości jest mniejszy od tego, który przewidywaliśmy. Dlaczego tak się dzieje?

   Aby wyjaśnić to prawidłowo zajrzyjmy do wnętrza lampy wyjściowej i zbadajmy jej konstrukcję. W obliczeniach przyjęliśmy, że lampa jest źródłem napięciowym ze stałą rezystancją wewnętrzną. To jest uproszczenie, gdyż lampa posiada wewnętrzne pojemności pomiędzy jej elementami (katodą, siatkami i anodą). Do tego sposób w jaki skonfigurowaliśmy układ pracy lampy wpływa na jej rezystancję wewnętrzną, która w dodatku nie jest stała w funkcji mocy wyjściowej i częstotliwości. Różnice fazy pomiędzy napięciami na anodzie i siatkach również wpływają na zachowanie się lampy. dodatkowo wpływ napięcia na anodzie na siatkę sterującą (szczególnie w triodach) powoduje wzrost pojemności wejściowej - tzw. efekt Millera.

   Jeżeli połączymy wszystkie te czynniki w jednym spójnym matematycznie modelu (który nie jest prosty) to dopiero wówczas możemy obliczyć przebieg charakterystyki częstotliwościowej, która odwzoruje zastosowanie transformatora toroidalnego w rzeczywistym wzmacniaczu. Wyniki takich bardziej złożonych obliczeń prowadzą zwykle do niższej wartości górnej częstotliwości pasma przenoszenia. Ponieważ te wyniki  zależą również silnie od wizji konstruktora rzeczywistego wzmacniacza nie możemy wszystkiego z góry przewidzieć. Możemy jedynie określić pewne parametry dla mniej lub bardziej idealnych warunków pracy.

   Jest jeszcze jeden czynnik, który musi być brany pod uwagę. Aby zapewnić sterowanie lamp końcowych sygnałami o odwróconych fazach przed stopniem końcowym musie się znajdować inwerter fazy. Układ wzmacniacza wygląda więc tak jak to zostało pokazane na Rys.3.9.


Rys.3.9 Lampy wyjściowe i inwerter fazy

   Zasada działania inwertera fazy nie jest tu omawiana. To co jest ważne, to że inwerter fazy może być traktowany jako dodatkowe źródło napięciowe o impedancji wyjściowej Zif - wewnętrznej rezystancji lampy inwertera fazy. Ta impedancja wyjściowa współdziała z pojemnością wejściową lamp końcowych  tworząc filtr dolnoprzepustowy, który dodatkowo ogranicza pasmo przenoszenia wzmacniacza.

   Podsumowując tylko w przypadku, gdy idealnego inwertera fazy, lamp końcowych zachowujących się jak źródła napięciowe o stałych rezystancjach, stałej rezystancji obciążenia (5Ω) i prazy wzmacniacza w klasie A możliwe jest zweryfikowanie 3-decybelowego pasma przenoszenia wzmacniacza.

3.7 Podsumowanie i wnioski

   Pasmo przenoszenia transformatora głośnikowego silnie zależy od konfiguracji pracy lamp, które są do niego podłączone. Zbadaliśmy większość czynników i pokazaliśmy uproszczone obliczenia, które pokazały jak zmienia się pasmo przenoszenia wraz ze zmianą konfiguracji pracy lamp końcowych i impedancji obciążenia (głośnika). Dowiedzieliśmy się, że również inwerter fazy ma wpływ na charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza i może być potencjalnym źródłem problemów konstrukcyjnych. Przeanalizowaliśmy czynniki wpływające na pasmo od strony niskich i wysokich częstotliwości. Pokazaliśmy również wpływ współczynnika tłumienia na zachowanie się wzmacniacza lampowego.

   Poniżej pokazane są dodatkowe parametry techniczne i charakterystyki transformatorów toroidalnych. W kolejnym rozdziale przedstawiona zostanie szczegółowa teoria i podstawowe informacje potrzebne do obliczeń dotyczących charakterystyk częstotliwościowych. Będzie trochę trudniej, ale nie traćcie nadziei.