Основная масса опубликованных усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ сделана на базе транзисторных схем. Транзистор, являясь исходно нелинейным усилительным элементом, требует введения глубоких и широкополосных ООС. В этом направлении полоса частот ООС дошла до радиочастотного диапазона (250 МГц), а глубина до 160 дБ [1]. Однако чем глубже и шире делается ООС, тем менее устойчивым становится усилитель. Альтернативой этому направлению является полный отказ от общей ООС и использование исходно более линейных электронных ламп.
К сожалению, и лампам свойственны недостатки: стечением времени лампа теряет усиление «стареет», и требуется корректировка режима или замена. Кроме того, для согласования лампового выходного каскада с динамической головкой необходим выходной трансформатор мощностью, в 3…5 раз превышающей выходную мощность усилителя. Вес такого усилителя значительно увеличивается по сравнению с транзисторным усилителем. Ведь в транзисторном усилителе применяются трансформаторы с малыми размерами.
Известны и комбинированные усилители [2], сочетающие электронные лампы для усиления сигнала по напряжению и мощные трансформаторные повторители в качестве усилителей тока. Транзистор в схеме повторителя имеет максимальную линейность и позволяет согласовать высокое выходное сопротивление лампового усилителя напряжения и низкоомную нагрузку динамический громкоговоритель.
А почему усиление напряжения должно осуществляться только на активном элементе: лампе или транзисторе? Мы давно привыкли, что для понижения напряжения используются трансформаторы (силовые, выходные и пр.). Но трансформатор способен также повышать напряжение (согласно коэффициенту трансформации). Следовательно, чтобы из трансформатора получился усилитель, к нему нужно добавить входной и выходной согласующие каскады (повторители).
Входной повторитель необходим для согласования источника звукового сигнала с первичной обмоткой повышающего трансформатора. Выходной повторитель — для усиления по току сигнала со вторичной обмотки трансформатора и передачи его на динамический громкоговоритель. Для улучшения линейности желательно, чтобы повторители работали в режиме класса А, например, по схеме из [3], а при большой мощности выходного повторителя (>25 Вт) для повышения КПД и улучшения тепловых характеристик желательно использовать схему с режимом А [4].
Для работы в усилителе трансформатор должен отвечать определенным требованиям:
- Сопротивление первичной (низковольтной) обмотки по постоянному току должно быть не менее 4 Ом, что необходимо для нормальной работы входного повторителя. Чем меньше сопротивление обмотки, тем больший потребуется ток покоя.
- Коэффициент трансформации должен быть равен требуемому коэффициенту усиления звукового сигнала.
- Мощность трансформатора выбирается в 3…5, а лучше в 10, раз больше мощности, передаваемой входным повторителем, что способствует лучшему воспроизведению низких частот.
- Для снятия АЧХ трансформатора нужно подать от генератора через любой УМЗЧ сигнал звуковой частоты на первичную обмотку с уровнем, близким к максимальному, и контролировать его на вторичной обмотке. В звуковом диапазоне 30 Гц…20 кГц не должно быть горбов и провалов АЧХ. В процессе снятия АХЧ контролируется наличие акустического шума сердечника и обмоток.
Для изготовления УМЗЧ с коэффициентом усиления около 20 дБ можно использовать трансформатор ТВК-110 от старых черно-белых телевизоров. Из двух его низковольных обмоток, в качестве первичной лучше использовать более высокоомную.
В чем же заключаются преимущества трансформаторного усилителя перед другими? Во-первых, в простоте конструкции. Во-вторых, трансформатор как пассивный элемент практически не вносит новых искажений в процессе трансформации.
Конечно, те искажения, которые появились в первичной обмотке, передадутся и во вторичную. Но новых искажений во вторичной обмотке не появляется. Поэтому основная задача для входного повторителя — обеспечить прохождение «идеального» сигнала в первичную обмотку. Для этого могут использоваться все средства современной усилительной техники: высококачественные ОУ, высокочастотные транзисторы, глубокие ООС, компенсаторы искажений, режимы класса А и т.д.
В-третьих, трансформатор обеспечивает эффективную развязку входного и выходного сигналов, что позволяет использовать глубокие ООС в каждом повторителе без введения общей ООС, Благодаря этому усилитель мощности сохраняет устойчивость практически при любом коэффициенте усиления. При необходимости незначительною (на 6…12 дБ) увеличения коэффициента усиления сверх того, что дает сам трансформатор. можно использовать предусилитель на ОУ или транзисторах.
При самостоятельном изготовлении трансформатора можно предусмотреть отводы от первичной или вторичной обмоток, чтобы получить требуемые коэффициенты усиления для различных уровней входных сигналов и таким образом избавиться от входных делителей. Коммутацию обмоток лучше осуществлять с помощью реле.
Главный недостаток трансформаторного усилителя — завал АЧХ и повышенные искажения на самых низких частотах звукового диапазона. Еще один недостаток— восприимчивость трансформатора к наводкам от сети переменного тока с частотой 50 Гц. Для снижения фона желательно хорошее экранирование трансформатора. Для музыкального сигнала важна не столько величина искажений, сколько их спектр. Чем ближе он к спектру обертонов, тем меньше сказывается на качестве звука.
По мнению аудиофилов, наилучшим звучанием обладают ламповые однотактные усилители, которые обеспечивают монотонный спад амплитуды гармоник и ограничение их количества (3…5) [5]. Высокочастотный спектр искажений имеет и трансформатор, но уровень гармоник меньше, чем в лампах [6]. Поэтому трансформаторный усилитель сохраняет чистоту и прозрачность звука даже при больших уровнях громкости.
Читайте также статьи Расчет лампового трансформатора
