Lampowy wzmacniacz słuchawkowy OTL

W ostatnich latach zauważalna jest moda na wzmacniacze lampowe audio. Urządzenia takie są znów produkowane i dostępne w handlu. Są też chętnie budowane przez hobbystów. Niestety nie są to tanie konstrukcje, a najdroższymi elementami wcale nie są lampy. Otóż lampy elektronowe wymagają obciążenia wysokoimpedancyjnego - rzędu kilkaset a nawet kilka tysięcy omów, podczas gdy typowe kolumny głośnikowe mają co najwyżej osiem omów. Stąd występuje konieczność stosowania wyjściowych transformatorów, które dostosowują wysoką impedancję wyjściową lampy do niskiej impedancji obciążenia (głośnika). Problem w tym, że transformatory te - w odróżnieniu od sieciowych - muszą przenosić szeroki zakres częstotliwości. Dlatego ich wewnętrzna konstrukcja najczęściej jest inna, niż klasycznych transformatorów sieciowych 50Hz. W budowie wewnętrznej transformatory głośnikowe zwykle składają się z wielu warstw uzwojeń, na przemian pierwotnego i wtórnego, z zachowaniem odpowiedniej izolacji i oczywiście dobrej jakości wykonania, od której zależy jakość dźwięku wzmacniacza. Stąd też wysoka cena takich transformatorów, stanowiących najdroższe elementy wzmacniacza.

Słuchawki mają nieco wyższą impedancję - zwykle 32 omy, przez co są dla lamp obciążeniem znacząco "łatwiejszym". Ale produkowane są też wysokiej jakości słuchawki o jeszcze wyższej impedancji, nawet do 600 omów. Można zatem zbudować wzmacniacz bez transformatorów wyjściowych - OTL (skrót od ang. Output Transformers Less).

Opis układu

Schemat proponowanego urządzenia - wzmacniacza słuchawkowego OTL jest zaprezentowany na rysunku 1. Jest to niemal klasyczny dwustopniowy układ typu WK-WA, czyli wspólna katoda - wspólna anoda. Czynnymi elementami są tutaj dwie trójelektrodowe lampy elektronowe - triody. Lampa pierwsza L1 pracuje w układzie wspólnej katody i ma stosunkowo duże wzmocnienie napięciowe. W układzie tym sygnał z wejścia poprzez potencjometr P1 i rezystor R2 podawany jest na siatkę, a wzmocniony odbierany jest z anody lampy. Bardzo istotna jest właściwa polaryzacja tak, aby siatka miała niższy potencjał względem katody. Katoda L1 polaryzowana jest dzięki spadkowi napięcia na rezystorze katodowym R4, siatka ma zaś potencjał masy (ściągnięta poprzez rezystory R1 i R2) - jest to tak zwana polaryzacja automatyczna.

Rys.1 Schemat wzmacniacza

Lampa L2 pracuje w układzie wspólnej anody (zwanym też wtórnikiem katodowym). W układzie tym wzmocnienie jest równe 1 (w praktyce nawet nieco mniejsze), za to wyjście sygnału – pobierane z katody przez kondensator C2 ma małą impedancję.

Często stosuje się w tym układzie wtórnika katodowego dwie triody połączone równolegle, co jeszcze bardziej obniża impedancję wyjściową. A jak wygląda kwestia polaryzacji lampy L2? Jej rezystor katodowy R6 ma znacznie większą wartość od rezystora katodowego R4 lampy L1 i spadku napięcia w jej wnętrzu. Spadek napięcia na R6 jest zatem większy niż napięcie panujące na anodzie lampy L1 (i połączonej z nią siatki lampy L2). Jest to przykład polaryzacji stałej (fixed bias).

Spadek napięcia anodowego dla lampy L1 względem L2 zapewniają szeregowo połączone R3 i R5. Elementy R5 i C1 stanowią ponadto filtr, który dodatkowo stabilizuje napięcie anodowe lampy L1. Wzmacniacz nie ma pętli globalnego sprzężenia zwrotnego, ale w stopniu wstępnym istnieje lokalne sprzężenie poprzez rezystor katodowy R4. Gdyby rezystor ten był zbocznikowany kondensatorem, wzrosłoby wzmocnienie, ale mogłyby pojawić się zakłócenia.

Fot.2 Zastosowane lampy wraz z dedykowanymi podstawkami

Opisałem tutaj działanie jednego kanału stereo – drugi jest identyczny. Obie zastosowane lampy to duotriody, czyli w jednej szklanej bańce zamknięto po dwa identyczne ustroje, co pozwala na wykorzystanie każdej z nich w obu kanałach wzmacniacza. W stopniu wstępnym L1 zastosowałem popularny typ lampy ECC88. Jest to model przeznaczony do zastosowań audio o średnim wzmocnieniu (ok. 33x). Lampa ta ma cenną zaletę - dość niskie napięcie pracy - już od ok. 90V. Jest to stosunkowo nowoczesny typ lampy - jej mała, zgrabna szklana banieczka wyposażona jest w cokół typu noval. Totalnie kontrastuje z nią lampa L2 - radziecka 6N13S (cyrylicą 6H13C). Jej ogromna pękata bańka przypomina swym kształtem legendarną w kręgach audiofilskich triodę 300B. Stąd pewnie jej spora popularność w konstrukcjach wzmacniaczy audio, mimo że została ona zaprojektowana do obwodów stabilizacji napięcia. Lampa ta ma znacznie starszy typ cokołu - octal. Obie lampy elektronowe, dla porównania, wraz z dedykowanymi dla nich ceramicznymi podstawkami prezentuje fotografia 2. Mimo że sam układ wzmacniacza jest książkowy, to dobór lamp i ich punktów pracy po raz pierwszy został zaprezentowany w 2001 roku na nieistniejącym już portalu headwize.com przez holenderskiego konstruktora Arena van Waarde i od tego czasu często powielany i spopularyzowany.

Rys.3 Schemat zasilacza anodowego

Omówienia wymaga jeszcze zasilacz, bo w nim zastosowałem kilka nieszablonowych rozwiązań. Lampy elektronowe wymagają dwóch osobnych napięć zasilających. Niskie napięcie potrzebne jest do żarzenia włókna podgrzewającego elektrodę ujemną - katodę. Rozgrzana katoda emituje elektrony, które pędzą w kierunku dodatniej elektrody - anody. Pomiędzy anodą a katodą potrzebne jest wysokie napięcie stałe, które będzie w stanie ten ruch elektronów wymusić. We wzmacniaczach lampowych stosuje się na ogół specjalne transformatory sieciowe, które mają co najmniej dwa uzwojenia wtórne: jedno dla żarzenia – na ogół 6,3V (dla lamp serii E) oraz drugie uzwojenie wysokonapięciowe, co najmniej 150V, które służy do zasilania obwodów anodowych. Żarzenie lamp może odbywać się napięciem przemiennym bezpośrednio z transformatora, jednak napięcie anodowe musi być wyprostowane i odfiltrowane. Kiedyś, w epoce przed wynalezieniem półprzewodników, używano prostowników lampowych i dławików indukcyjnych do filtrowania (z uwagi na niskie pojemności ówczesnych kondensatorów). Obecnie bez problemu można zastosować współczesny krzemowy mostek prostowniczy oraz kondensatory o stosunkowo dużej pojemności.

Rys.4 Płytka zasilacza anodowego

W moim wzmacniaczu zastosowałem transformator o mocy 40W i uzwojeniu anodowym 168V (kupiony był kiedyś do eksperymentów z przedwzmacniaczami). Po wyprostowaniu mostkiem M1 napięcie stałe wynosi aż 260V. Konieczna jest redukcja o ponad 100V, co dzieje się w trzystopniowym filtrze typu RC. Schemat zasilacza anodowego jest widoczny na rysunku 3. Spadek napięcia występuje na rezystorach R17, R18 oraz dalej - nie zależnie dla każdego kanału – R19 i R20. Zwracają uwagę nietypowo połączone kondensatory filtrujące tworzące trzy pary (C11-12, C13-C14 i C15-C16), dodatkowo zbocznikowane rezystorami (R11-R12, R13-R14 i R15-R16). Szeregowe połączenie tych kondensatorów ma na celu zwiększenie ich odporności na przebicie. Kondensatory 220uF na 400V są po prostu dość drogie, a ja zastosowałem pochodzące z rozbiórki uszkodzonych zasilaczy komputerowych kondensatory 470uF/200V. Rezystory bocznikujące o dość dużej wartości mają za zadanie odpowiednie ich zrównoważenie, a dodatkowo ich rozładowanie po zakończonej pracy (kondensator naładowany wysokim napięciem może być źródłem porażenia mimo braku zasilania). Tak wyglądają dwa pierwsze stopnie filtra CR - ostatni stopień, osobny dla obu kanałów, zbudowany z elementów R19-C17 oraz R20-C18, gdzie z racji na już nieco niższe napięcie występują znacznie tańsze kondensatory 100uF/250V.

Rys.5 Schemat zasilacza żarzenia lampy 1

Pomiędzy drugim i trzecim stopniem filtra RC występują sekcje C3 i C4 przełącznika PRZ. Jest to wyłącznik zasilania, w roli którego występuje trzypołożeniowy, czterosekcyjny przełącznik obrotowy. Jego sekcje C1 i C2 załączają napięcie sieci. W położeniu pierwszym (oznaczonym na obudowie "Off") zasilanie jest odłączone. W drugim położeniu ("Heating...") działa już transformator sieciowy i obwody żarzenia. Formują się też kondensatory w zasilaczu anodowym, ale napięcie do obwodów anodowych lamp dociera dopiero w położeniu trzecim przełącznika - "On". Po co takie kombinacje? Otóż podłączenie wysokiego napięcia anodowego do nienagrzanej lampy powoduje, że z zimnej jeszcze katody elektrony są niejako wyrywanie "na siłę". Powoduje to degradację katody i przyspieszone zużycie lampy. Lampa ECC88 rozgrzewa się dość szybko, ale 6N13S potrzebuje na to ponad dwie minuty. Dawniej w układach lampowych prostownik był zbudowany na lampowej duodiodzie i również potrzebował się rozgrzać, łagodnie przy tym zwiększając prąd w obwodach anodowych. Stosowane obecnie „bezduszne” prostowniki krzemowe działają od razu. Dlatego większość współczesnych konstrukcji ma automatyczne bądź ręczne - jak w moim przypadku - obwody opóźnionego załączania. Mój wzmacniacz należy zatem włączać dwustopniowo - najpierw "Heating..." a dopiero po 2–3 minutach "On". Wyłączać powinno się w odwrotnej kolejności, również czekając w położeniu "Heating...", aż rozładują się kondensatory C1, C1b, C19, C20 przez zwarte do masy przełącznikiem PRZ rezystory R19 i R20. Rezystory R21 i R22 służą do symetryzacji żarzenia. Dzięki temu prostemu zabiegowi do ustroju lampy nie przenosi się brum od zasilania 50Hz. Ponadto symetryzacja sprowadza na żarnik katody potencjał 0V, zabezpieczając przed ewentualnym przebiciem włókno-katoda. Część zasilacza – mostek oraz kondensatory - umieszczona została na płytce, której widok przedstawiono na rysunku 4.

Rys.6 Płytka zasilacza żarzenia lampy 1

Transformator sieciowy TR1 ma uzwojenie żarzenia 6,3V o wydajności prądowej 2,5A. To dokładnie tyle, ile potrzebuje sama lampa L2. Gdybym podłączył do tego uzwojenia obie lampy równolegle, to byłyby niedożarzone. Pogorszyłoby to ich parametry i skróciło żywotność. Zatem zbudowałem osobny zasilacz tylko do żarzenia lampy L1. Z uwagi na jej pracę w czułym obwodzie przedwzmacniacza postanowiłem żarzyć ją stabilizowanym napięciem stałym. Do zasilania wykorzystałem mały sieciowy transformator zalewany 7,5V/3W, który wraz z elementami zasilacza został umieszczony na małej płytce - schemat widoczny jest na rysunku 5, a płytka na rysunku 6. Jest to standardowa aplikacja stabilizatora liniowego typu 7806 z jednym wyjątkiem - nóżka GND jest podłączona do masy układu zapośrednictwem diody Schottky’ego D1. Dzięki temu dodatkowy spadek napięcia na tej diodzie (ok. 0,3V) zwiększa wewnętrzne napięcie odniesienia stabilizatora, w rezultacie podnosząc napięcie wyjściowe do wartości 6,3V, czyli takiej jak potrzebuje lampa L1. Zmontowane płytki obu zasilaczy oraz transformator główny TR1 są widoczne na fotografii 7. W Elportalu wśród materiałów dodatkowych do tego numeru można znaleźć dokumentację płytek.

Fot.7 Zmontowane zasilacze oraz transformator główny

Montaż i uruchomienie

O ile oba zasilacze, anodowy i żarzenia lampy L1, otrzymały dedykowane płytki drukowane, pokazane na wcześniejszych rysunkach, to elementy samego wzmacniacza postanowiłem zmontować techniką montażu przestrzennego punkt-punkt, charakterystyczną dla starych urządzeń lampowych. W tym sposobie montażu podstawki lamp i duże elementy, jak transformatory czy kondensatory elektrolityczne, przykręcone są do specjalnej blaszanej ramy nazywanej chassis. Reszta drobnych elementów elektronicznych, rezystorów czy małych kondensatorów, lutowana jest do wyprowadzeń tych elementów od spodu chassis. Tak zmontowana "rama" montowana była niegdyś wewnątrz drewnianej, metalowej lub bakelitowej skrzynki urządzenia. Obecnie budowane wzmacniacze lampowe mają na ogół dumnie wyeksponowane lampy, toteż ich chassis jest jednocześnie obudową. Ja również poddałem się tej modzie, zatem montaż musiałem rozpocząć niejako od końca - od przygotowania obudowy.

Fot.8 Elementy składowe obudowy

Elementy składowe mojej obudowy prezentuje fotografia 8. Są to wyfrezowane z klepek parkietowych drewniane boczki, wytrawiony aluminiowy panel frontowy oraz odpowiednio wygięta blacha z wytrasowanymi i wywierconymi otworami na elementy montowane na zewnątrz. W prawym górnym rogu fotografii widoczny jest element docelowo osłaniający transformator - powstał on z obciętego, metalowego kuchennego kubka 0,5l. Elementy obudowy zostały skręcone wkrętami do drewna i w ten sposób powstała stabilna skrzynka. Fotografia 9 prezentuje częściowo zmontowany wzmacniacz od tyłu. Widoczny jest główny transformator i gniazda: wejściowe RCA, zasilania oraz bardzo ważne gniazdo bezpiecznika sieciowego.

Fot.9 Częściowo zmontowany wzmacniacz

Wnętrze zmontowanego wzmacniacza przedstawione jest na fotografii 10. Widoczne są płytki zasilaczy, przykręcone do boków obudowy, oraz kondensatory elektrolityczne C2,C2b, C17 i C18, przykręcone do specjalnego wspornika. Przewody żarzenia są wzajemnie silnie skręcone, co ma ograniczać pole magnetyczne przez nie indukowane. Pozostałe elementy, głównie rezystory, są przylutowane bezpośrednio do podstawek lamp. Pomoc w montażu może stanowić rysunek 11 prezentujący schematy budowy wewnętrznej obu lamp (widok jest przedstawiony od dołu - od strony nóżek).

Fot.10 Wnętrze wzmacniacza

Uwagę zwraca specjalna płytka z punktami lutowniczymi umieszczona pomiędzy podstawkami obu lamp. Pełni ona funkcję centralnego punktu masy. Do centralnego punktu masy należy też podłączyć masę zasilacza żarzenia lampy L2 oraz jej wyprowadzenie 9 (ekran). Przy montażu należy pamiętać, że rezystory filtra zasilacza R17, R18, R19, R20 oraz katodowe R6 i R6b nagrzewają się do wysokiej temperatury. Powinny być one odsunięte od elementów wrażliwych na temperaturę np. kondensatorów. Należy też zadbać o właściwą wentylację wnętrza obudowy.

Rys.11 Schemat budowy wewnętrznej i wyprowadzeń lamp

Układ nie wymaga specjalnej procedury uruchomiania czy kalibracji. Niemniej przed właściwym uruchomieniem wzmacniacza można przeprowadzić test na sucho, bez lamp i sprawdzić, czy napięcia żarzenia mają odpowiednią wartość. Jeśli chodzi o napięcie anodowe, to spada ono do właściwego poziomu dopiero po załączeniu obciążenia - lamp. Wartości napięć w moim egzemplarzu (mierzone po nagrzaniu) są przedstawione na schemacie (rysunek 1). Ich korekty można dokonać, zmieniając wartości rezystorów filtrujących zasilanie: R17, R18, R19 i R20.

Mimo że układ wzmacniacza cechuje się ekstremalną prostotą, to brzmi naprawdę dobrze. Muzyka jest dynamiczna, a szczególnie przyjemny jest, lekko podbity, zakres niskich częstotliwości. Ponadto wzmacniacze lampowe mają dodatkowy urok - magia żarzących się lamp poprawia nastrój i pośrednio także doznania słuchowe. Klasa A, w której pracuje ten układ, charakteryzuje się niską sprawnością około 10%. Oznacza to, że większość energii zamieniana jest w ciepło, ale niekoniecznie jest to wadą - zwłaszcza w jesienne czy zimowe wieczory.

Uwaga!
W obwodach urządzenia występują napięcia groźne dla życia i zdrowia.
Osoby niedoświadczone i niepełnoletnie mogą wykonać je wyłącznie pod kierunkiem wykwalifikowanego opiekuna, na przykład nauczyciela.
Wyeksponowane lampy elektronowe podczas pracy są gorące - łatwo o poparzenie!
Urządzenie powinno być ustawione poza zasięgiem małych dzieci.

---

Powyższy artykuł ukazał się w czasopiśmie "Elektronika dla Wszystkich" w numerze 6/2017

Wykaz elementów

P1 . . . . . . . . . . .potencjometr 2x 100k logarytmiczny
R1,R1b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M
R2,R2b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33R
R3,R3b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47k 1W
R4,R4b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .820 1W
R5,R5b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,7k 1W
R6,R6b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3k 5-10W
R7,R7b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10k
R11,R12,R13,R14,R15,R16 . . . . . . . . . . . . . 560-810k
R17,R18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .560R 5W
R19,R20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .680R 3W
R21,R22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100-150R
C1,C1b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47uF 250V
C2,C2b. . . . 220uF–470uF 100V (nieco lepszy np. Nichicon)
C11,C12,C13,C14,C15,C16. . . . . . . . . . . . .470uF 200V
C17,C18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100uF 250V
C21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2200uF 16V
C22,C23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF
C24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000uF 10V
M1. . . . . . . . . . . mostek prostowniczy KPBL04 4A 400V
M2. . . . . . . . . . . . . . .mostek prostowniczy okrągły
US1 . . . . . . . . . . . . . . .stabilizator liniowy 7806
D1 . . . . . . . . . . . . . . . dioda Schottky’ego 1N5817
L1 . . . . . . . . . . . . . . . lampa ECC88 (E88CC, 6922)
L2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . lampa 6N13S (6AS7G)
TR1 . . . . . . . . . . . . . . . transformator o mocy 40W
. . . . . . . i uzwojeniach wtórnych 168V 0,1A i 6,3V 2,5A
TR2 . . . . . . . . . . . . transformator zalewany 3W 7,5V
B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bezpiecznik 2A
PRZ . . . . . . przełącznik obrotowy, 3 położenia 4 sekcje
Gniazda: . . . . . noval, octal, 2x RCA, słuchawkowe jack,
. . . zasilania (komputerowe), bezpiecznikowe (do obudowy)