David Hafler
Zmodernizuj swój wzmacniacz Williamson
Audiocraft, tom I, numer 3, styczeń 1956 r.
Układ wzmacniacza Williamsona został po raz pierwszy opublikowany w Anglii w 1947 roku, a w USA w 1949 roku. Został zaakceptowany przez środowisko, zyskał dużą popularność oraz był podstawą kilku modyfikacji oryginalnego projektu. Najbardziej podstawową zmianą była wersja tzw. ultraliniowa, którą opracowałem, a następnie opisałem*. Ten układ skorygował dwa podstawowe braki w oryginalnym projekcie - zwiększył moc wzmacniacza do 25 lub 30 watów i poprawił margines stabilności sprzężenia zwrotnego.
Jak zawsze, postęp związany z projektowaniem układów wzmacniaczy trwa dalej: możliwe są dalsze ulepszenia w konstrukcji Williamsona (zarówno w jego wersji triodowej, jak i ultraliniowej). Te ulepszenia ponownie korygują ograniczenia związane z mocą wyjściową i stabilnością pracy.
Zwiększanie mocy wyjściowej
Obecne wymagania dotyczące mocy wyjściowych wzmacniaczy znacznie różnią się od tych sprzed kilku lat. Wtedy większość ludzi twierdziła: „Dziesięć watów mi wystarczy”. Teraz jednak wymagania dotyczące mocy znacznie wzrosły. Jest to niezbędne aby zapewnić realistyczne, niezakłócone odtwarzanie dźwięku. Ponadto rozszerzono charakterystykę częstotliwościową wzmacnianego sygnału źródłowego, co również wprowadza potrzebę ponownej oceny wymagań dotyczących mocy wzmacniacza. Szersza charakterystyka częstotliwościowa oznacza, że wzmacniacz musi radzić sobie z mocą przy większych krańcowych wartościach częstotliwości. W tych skrajnych wartościach częstotliwości charakterystyka impedancji głośnika odchyla się znacznie od wartości nominalnej. Oznacza to, że wzmacniacz jest niedopasowany na skrajnych częstotliwościach, a niedopasowanie zmniejsza maksymalną moc każdego wzmacniacza.
Aby dostarczyć czystą moc do głośnika obciążającego wzmacniacz, wzmacniacz musi mieć moc co najmniej dwa razy większą od mocy wymaganej do obciążenia rezystora, takiego jak jest stosowane podczas pomiaru mocy znamionowej wzmacniacza. Tym samym rozszerzenie zarówno zakresu dynamiki, jak i zakresu częstotliwości w nowoczesnych nagraniach, źródłach FM i nagraniach na taśmach oznacza, że 25 watów to minimalna moc, jeśli wymagana jest jakość odtwarzania na najwyższym poziomie. Nawet to minimum zostanie prawdopodobnie zwiększone w nadchodzących latach, chyba że uda się zwiększyć efektywność systemów głośnikowych.
Z tych i pokrewnych powodów podjęto wysiłki na rzecz zwiększenia mocy wyjściowej wzmacniacza audio. Pojawienie się kilku nowych typów lamp elektronowych sprawiło, że jest to w konfiguracji Williamsona możliwe bez konieczności całkowitej przebudowy wzmacniacza. Wymagane zmiany to wymiana lamp końcowych, zastąpienie transformatora wyjściowego, który musi poradzić sobie ze zwiększoną mocą i zapewnić odpowiednie dopasowanie impedancji oraz dodanie stałego biasu.
Nowe lampy wyjściowe
Nowa lampa wybrana do modernizacji Williamsona to Amperex 6CA7, która jest również importowana i dystrybuowana jako Mullard EL-34. Jest to kompaktowa lampa o dostarczająca moc wyjściową do 100 watów, w zależności od dostępnych napięć zasilania. Można ją wstawić bezpośrednio do podstawek stosowanych dawniej dla lamp 5881, KT66, 1614 i innych lamp tego typu, z jednym dodatkowym wymogiem - nóżka numer 1 musi być uziemiona.
6CA7/EL-34 to pentoda o ekstremalnie dobrej liniowości. Jej preferowanym trybem pracy jest układ pentodowy mimo, że producent podaje wartości znamionowe dla lampy pracującej w układzie triody. Działanie w trybie triody skutkuje większymi zniekształceniami i zmniejszoną mocą wyjściową. Konwencjonalne połączenie ultraliniowe również nie może zapewnić optymalnych parametrów z tymi lampami, ponieważ nie ma bardziej liniowego rodzaju działania niż połączenie w trybie pentodowym, do którego zostały zaprojektowane. Jak zostanie omówione później, kompromisowa forma działania bardzo dobrze wpisuje się w potrzeby modernizacji wzmacniacza Williamsona.
Aby czerpać potencjalne korzyści wynikające z zastosowania tych lamp, należy uzyskać odpowiednie dopasowanie impedancji w transformatorze wyjściowym. Transformator Dynaco A-430 został zaprojektowany specjalnie do tego celu. Jest to jednostka o mocy 50 watów, której wydajność przekracza specyfikacje pana Williamsona pod względem charakterystyki częstotliwościowej, dopuszczalnego sprzężenia zwrotnego, zdolności przenoszenia mocy i tak dalej. Obecnie jest to jedyny komercyjny transformator o prawidłowej impedancji, ale przewiduje się, że wkrótce będą dostępne inne.
Transformator Dynaco A-430 ma wyprowadzenia, które można wykorzystać do zasilania siatek ekranujących. Nie powoduje to istotnego pogorszenia liniowości lamp, a ma tę zaletę, że obniża impedancję wewnętrzną (dla lepszego tłumienia). Co więcej, poprawia nieodłączną regulację stopnia wyjściowego do punktu, w którym nie trzeba wprowadzać żadnych zmian w zasilaniu B+ podstawowego Williamsona w celu użycia nowych lamp.
Transformator ten może być bezpośrednio wymieniany z transformatorami stosowanymi dotychczas w tym obwodzie. Jeśli oryginalne lampy wyjściowe były połączone w trybach triodowych, 100-omowe rezystory tłumiące podłączone od pinu 3 do pinu 4 powinny zostać usunięte, a przewody transformatora podłączone zgodnie ze schematem ideowym (Rys. 1).
Rys. 1. Schemat wzmacniacza Williamsona zmodyfikowanego zgodnie z opisem.
Należy pamiętać, że aby określić, która z lamp wyjściowych jest „górną” na schemacie, musi być on przeanalizowany od odwracacza fazy do siatek lamp wyjściowych, . Wyprowadzenia transformatora muszą być prawidłowo podłączone do lamp wyjściowych, inaczej faza sprzężenia zwrotnego będzie nieprawidłowa. W przypadku głośnego buczenia po podłączeniu transformatora należy zamienić anodę i wyprowadzenie siatki ekranującej jednej lampy wyjściowej z drugą i odwrotnie.
Rys. 2 i 3 pokazują transformator A-430 zamontowany na zmodyfikowanym wzmacniaczu Heathkit W-3M (Patrz Załącznik, aby uzyskać szczegółowe instrukcje dotyczące konwersji dla tego wzmacniacza). Mieści się on pomimo swoich dużych rozmiarów. Instalacja transformatora nie wymaga mechanicznych zmiany w obudowie, z wyjątkiem ewentualnie rozwiercania otworów montażowych w celu umieszczenia kołków montażowych.
Rys. 2. Wzmacniacz Heathkit zmodyfikowany do dostarczania 50 watów z większą stabilnością.
Rys. 3. Nowy transformator.
Polaryzacja lamp wyjściowych
Lampy 6CA7/EL-34 wymagają niższej wartości biasu (przedpięcia) niż lampy powszechnie stosowane we wzmacniaczach Williamsona. Wartość rezystora katodowego powinna zostać zmniejszona z typowo stosowanych 250 do 300 omów do około 200 omów. Po wykonaniu tej czynności, po wymianie lamp i transformatora wyjściowego, uzyskany wzmacniacz może dostarczyć od 35 do 40 wyjątkowo czystych watów. Jednak możliwości nowych lamp i transformatora nie są w pełni wykorzystywane, chyba że konstruktor jest skłonny do zastosowania stałego biasu w celu zastąpienia oryginalnego układu autobiasu.
Uzyskanie ujemnego napięcia stałego do stałego biasu jest dosyć proste. Kondensator 0,05 μfd jest dołączony z jednej strony do wtórnego uzwojenia wysokonapięciowego transformatora mocy i połączony szeregowo z 1 watowym rezystorem o wartości 27 000 omów do masy. Tworzą one dzielnik, który odcina napięcie zmienne z transformatora mocy do mniej niż 1/3 jego pełnej wartości. Dwa małe prostowniki selenowe (20 mA lub więcej) są połączone szeregowo z tego łącza, z ujemnymi zaciskami prostownika skierowanymi w stronę wyjścia. Powstałe ujemne napięcie stałe jest filtrowane przez potencjometr o wartości 10 000 omów i stały rezystor o wartości 47 000 omów, a suwak potencjometru jest bocznikowany przez kondensator o wartości 40 μfd o napięciu 150 woltów (lub większym). Pokazano to na schemacie. Potencjometr można wygodnie umieścić w otworze, w którym poprzednio znajdował się potencjometr regulacji biasu. Regulacja biasu nie jest już wymagana, ponieważ transformator wyjściowy ma konstrukcję, w której wydajność nie ulega pogorszeniu przy umiarkowanej asymetrii prądu, a zastosowane lampy nie mają dużych różnic w poborze prądu anodowego.
Nowy potencjometr ustala wartość przedpięcia, które jest podawane na dolne końce dwóch rezystorów siatkowych lamp wyjściowych o wartości 100 000 omów. Te oczywiście nie są już połączone z elementami używanymi wcześniej do równoważenia prądów anodowych lamp.
Kombinacja opisanych powyżej zmian zwiększyła moc wzmacniacza do około dwukrotnej mocy wersji ultraliniowej i około czterokrotnie większej od mocy znamionowej wersji triodowej. Już sama ta zmiana jest istotną poprawą, ale równie ważną poprawę można osiągnąć poprzez rozszerzenie marginesu stabilności wzmacniacza.
Stabilizacja wzmacniacza
Kryteria dotyczące prawidłowych zasad projektowania wzmacniaczy zmieniły się w ostatnich latach i coraz większy nacisk kładzie się obecnie na zagadnienia stabilności pracy. Wiele wzmacniaczy, chociaż dobrze wypadały w pomiarach w warunkach stacjonarnych, wykazywało zamulone i szorstkie właściwości podczas odtwarzania muzyki. Jedną z przyczyn jest fakt, że ich parametry dla sygnałów zmiennych są gorsze niż w warunkach stanu ustalonego. Innym powodem jest to, że wydajność wzmacniacza przy obciążeniu za pomocą rzeczywistego głośnika często nie jest tak dobra, jak przy obciążeniach czysto rezystancyjnych. Kwestia ta została już krótko poruszona: jej konsekwencje w odniesieniu do niestabilności sprzężenia zwrotnego są dalekosiężne. Wielu projektantów doszło do wniosku, że stabilność ma większy wpływ na jakość odsłuchu niż zniekształcenia! W związku z tym istotnym problemem jest zwiększenie marginesu stabilności.
Według tych standardów oryginalne wzmacniacze Williamsona mają niewystarczającą stabilność zarówno przy ekstremalnie niskich, jak i wysokich częstotliwościach. Można to zademonstrować dla niskich częstotliwości, dotykając na chwilę siatki sterującej lampy wejściowej koniuszkiem palca i obserwując membranę głośnika. Można zaobserwować, że membrana głośnika porusza się kilka razy w przód i w tył, zanim się zatrzyma. Oznacza to, że krótkie impulsy sygnałowe będą również powodować fałszywe ruchy membrany, które mają tendencję do "rozmywania" dźwięku.
Przy wysokich częstotliwościach odpowiedni efekt można zaobserwować na oscyloskopie z sygnałem wejściowym w postaci fali prostokątnej. Pofalowana fala prostokątna na wyjściu wskazuje na podstawową niestabilność i wskazuje na przejściowe zniekształcenia sygnałów o wysokiej częstotliwości.
Niestabilność wynika z faktu, że charakterystyka fazowa wzmacniacza powoduje, że na skrajnych częstotliwościach pasma przenoszenia mamy do czynienia nie z ujemnym ale z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Środek zaradczy jest pozornie prosty - przesunąć fazę we właściwym kierunku na krytycznych częstotliwościach. Nie zawsze jest to proste. Na szczęście charakterystyka fazowa transformatora A-430 i układ Williamsona pozwalają na całkowitą korekcję charakterystyki fazowej dla niskich częstotliwości i znaczną korekcję charakterystyki wysokoczęstotliwościowej. Te poprawki są dokonywane za pomocą kilku niedrogich komponentów.
Korekcja dla niskich częstotliwości jest osiągana przez bocznikowanie kondensatorów sprzęgających 0,25 μfd, które są podłączone do siatek lamp wyjściowych za pomocą rezystorów 1 megaomów. Korekcję wysokiej częstotliwości uzyskuje się za pomocą kondensatora 100 μfd, który jest podłączony od dolnej anody lampy sterującej do katody pierwszego stopnia. Nie wchodząc w teorię leżącą u podstaw tych poprawek, warto wspomnieć, że mają one ogromny wpływ na działanie wzmacniacza. (Zakłada się, że rezystor 10 000 omów w siatce lampy wejściowej, zmiana kondensatorów 0,05 μfd na 0,25 i zastosowanie małego kondensatora na rezystorze sprzężenia zwrotnego, jak pokazano na schemacie, są już zawarte we wzmacniaczu. Jeśli nie, należy je również dodać zgodnie z wcześniejszymi zaleceniami*).
To kończy modernizację Wiiliamsona. Jeśli zasilacz daje pełne 450 woltów z rozsądną regulacją, moc wyjściowa wyniesie około 50 watów przy zniekształceniach intermodulacyjnych 1%. Jeśli zasilacz dostarcza niższe napięcie, moc wyjściowa zostanie nieco zmniejszona. Poniżej pełnej mocy zniekształcenia gwałtownie spadają. Odpowiedź częstotliwościowa wzmacniacza będzie w przybliżeniu taka sama jak w oryginalnej wersji, z wyjątkiem tego, że piki w odpowiedzi (związane z niestabilnością) zostaną wyeliminowane.
Dodatek
Poniższe szczegółowe wskazówki będą pomocne dla tych, którzy są zainteresowani modernizacją wzmacniacza Heathkit W-3M Williamson:
Dzielnik napięcia polaryzacji i prostownik mogą być umieszczone w obudowie zasilacza. Wyjście prostownika selenowego jest podłączone do styku 5 gniazda zasilania i prowadzone przez zapasowy przewód w kablu połączeniowym z jednej strony potencjometru ustawienia polaryzacji 10 000 omów.
Rezystory 250-omowe i dwa rezystory 100-omowe są wyeliminowane, podobnie jak potencjometr 100-omowy. Potencjometr regulacji biasu zastępuje 100-omową regulację równoważenia prądów anodowych, a zaślepki, do których przymocowano 100-omowe rezystory, można następnie wykorzystać do podłączenia przewodów, które są częścią obwodu uziemienia.
Ze względów ekonomicznych kondensator 20 μfd, który wcześniej bocznikował katody, może być użyty do filtrowania zasilania biasu. Schemat wymaga 40 μfd, ale różnica w poziomie przydźwięku wynosi tylko 2 dB.
Gniazda używane wcześniej do pomiaru prądu anodowego mogą być nadal używane do sprawdzania sparowania lamp wyjściowych. Poprzednie połączenie z 250-omowym rezystorem biasu musi być teraz uziemione w celu uzupełnienia ścieżki obwodu dla prądu katody. Jednocześnie piny nr 1 należy połączyć w gnieździe z pinami nr 8 (katody).
Aby wstawić 10 000-omowy rezystor tłumiący bezpośrednio do siatki sterującej, rezystor 2,2 megaom powinien zostać ponownie podłączony bezpośrednio z gniazda wejściowego do uziemienia. Rezystor 10 000 omów można następnie włożyć ze złącza wejściowego do styku 1 pierwszej lampy 6SN7. Zastępuje to kondensator .05-μfd, który jest używany jako część zasilania polaryzacji w obudowie zasilającej. Upewnij się, że używany przedwzmacniacz ma wyjściowy kondensator sprzęgający, ponieważ wzmacniacz nie ma teraz żadnego na wejściu. Praktycznie wszystkie przedwzmacniacze są tak wyposażone; jeśli nie, należy dodać taki kondensator.
Kondensatory sprzęgające 0,05 μfd między dwoma 6SN7 należy zwiększyć do 0,25 μfd. Należy zachować ostrożność, aby dopasować je do dostępnego miejsca. W przypadku napotkania trudności sugeruje się zastosowanie miniaturowych kondensatorów, takich jak Aerolites firmy Aerovox.
Rezystory korygujące fazę o wartości 1 megaomów na kondensatorach sprzęgających pozwalają na pojawienie się dodatniego napięcia stałego na siatkach, jeśli ujemne napięcie polaryzacji nie działa. Istnienie ujemnego napięcia na siatkach należy sprawdzić przy odłączonym prostowniku przed włączeniem napięcia B+. Następnie należy włożyć prostownik i ustawić bias na 35 woltów po tym, jak lampy zdążą się rozgrzać. Nie należy wyjmować drugiej lampy 6SN7, gdy wzmacniacz jest włączony, ponieważ spowoduje to przyłożenie dodatkowego napięcia dodatniego do siatki stopnia wyjściowego, zaburzając bias i prawdopodobnie uszkadzając lampy.
Wyniki testu
Wzmacniacze pokazane na rys. 2 i 3, które były podstawowymi konwerterami Williamsona zgodnie z tym artykułem, wytwarzały zniekształcenia intermodulacyjne 0,6% przy mocy wyjściowej 50 watów, 0,2% przy 36 watach i 0,1% przy 15 watach. Częstotliwości testowe wynosiły 60 i 7000 cps zmieszanych w stosunku 4:1.
* Hafler, D., and Keroes, H. I., "Improving the Williamson Amplifier", Radio & Television News, February 1953.
Materiał udostępnił Grzegorz Makarewicz, 'gsmok'
