Особенности бестрансформаторных ламповых усилителей OTL

В общем случае, при использовании транзисторов, можно сделать мощный усилитель с высокой отдачей тока, но невысоким выходным напряжением. На лампах же наоборот, можно сделать усилитель с высоким уровнем напряжения, но довольно ограниченным выходным током.

Тут вспомним, что итоговая мощность – это произведение величины тока и напряжения, и одна и та же мощность может получаться при разных соотношениях между напряжением и током.

При этом, конечное соотношение между напряжением и током задает сопротивление динамика, а громкость (конечный уровень мощности) задается через уровень напряжения, где с увеличением напряжения, пропорционально увеличивается и ток.

Максимальная мощность в итоге будет зависеть от максимальных пороговых значений отдельно для тока и напряжения. Более подробно это расписано в универсальной схеме параметров усилителя.

Т.к. современные излучатели обладают низким сопротивлением, то им изначально подходят те усилители, где пороговые границы напряжения и тока оптимальны под большой выходной ток при допустимом низком ограничении напряжения.

Для того, чтобы передать высокую мощность с лампового усилителя на низкоомную нагрузку, обычно используют трансформатор на выходе, и он как раз меняет соотношение между током и напряжением.

На графике показана работа выходного трансформатора. По горизонтальной оси отмечено сопротивление наушников, подключаемых к усилителю, а по вертикали уровень мощности, который усилитель может отдать. Слева значения в ватах, а справа в dBm, где шаг в 6 дБ означает двукратное изменение громкости (мощность в ваттах при этом меняется квадратично и по этой причине является неудачной для оценки громкости, против выражения сразу в децибелах).

Желтый график – это выходная мощность с лампового каскада, где ограничение по напряжению в примере составляет 400 В_RMS (52 dBV), а максимальный выходной ток равен 10 мА (20 дБ(мА)). Максимальная мощность в 4 Вт будет достигаться на сопротивлении в 40 кОм.

На сопротивлении же к примеру на 16 Ом мощность будет всего лишь около 0.002 Вт, т.к. при максимальном уровне тока в 10 мА можно будет выставить напряжение не более 0.2 В.

Если добавить понижающий трансформатор (зеленый график), то при понижении уровня на 34 дБ (Коэф. усиления = 0.02), то максимальное напряжение после трансформатора будет равно как 400*0.02=8 В_RMS (52 dBV - 34 дБ = 18 dBV), а максимальный уровень тока будет равен уже 0.5 А (20 дБ(мА) + 34 дБ = 54 дБ(мА)).

Искомая максимальная мощность в 4 Вт будет достигаться на 16 Ом.

В этом примере, для ясности принципа не учитывается КПД трансформатора и т.п. моменты.

Рассмотрим теперь это с практичной точки зрения, помня, что громкость как таковую мы регулируем через напряжение, а мощность и ток – это производные величины.

На графике по горизонтали показано сопротивление нагрузки (наушников или АС), а по вертикали теперь уже отображается напряжение. С бестрансформаторного выхода у нас напряжение 52 dBV и в правой части, в области высокого сопротивления наушников/АС, эта линия горизонтальна, т.к. выше 40 кОм потребление тока ниже 10 мА. Однако ниже 40 кОм потребление возрастает и мы получаем две условные границы, продолжение этой линии горизонтально, и под углом вниз, строго по ограничению уровня тока в 10 мА. Т.е. если уровень громкости по напряжению на выходе усилителя будет выставлен выше этой наклонной линии, то звук будет громкий, но сильно искаженный.

После понижающего трансформатора мы соответственно видим, что общий горизонтальный уровень ниже, но и наклонная граница появляется лишь ниже 16 Ом, а при подключении наушников или АС с сопротивлением до 750 Ом выход после трансформатора будет более предпочтительным.

Казалось бы, если у нас выход бестрансформаторный, а сопротивление наушников/АС низкое и чувствительность высокая, то при выставлении малой мощности проблемы нет, т.к. выходного тока может вполне хватать. Но, к сожалению, здесь возникает два принципиальных момента.

Ограничения по току и напряжению на графике выглядят как четкая граница, однако зачастую эта граница является толстой полосой, где сначала искажения начинаются на порой субъективно незаметном уровне, а потом вырастают до явных искажений, и "толщина" этой границы может достигать от 10 до 40 дБ.

Обычный пользователь, выставляя уровень громкости через напряжение, будет ориентироваться на слух, стал ли звук "грязным" или нет, и соответственно может эксплуатировать усилитель в режиме, когда наушники/АС забирают с лампового выхода повышенный ток. А это прямой путь к быстрому износу лампы с ее существенно сокращенным сроком службы.

Для того, чтоб не допустить повышенной отдачи тока с лампы, надо "по-хорошему" ставить трансформатор, а если "дешево и сердито" - то добавить сопротивление до подключенных наушников.

Если вместо траснформатора добавить сопротивление с номиналом в 40 кОм, то мы получим такое снижение уровня громкости на выходе усилителя из примера, что с каким бы мы сопротивлением не подключили наушники/АС, уровень выходного напряжения будет снижаться так, что не будет превышаться порог тока в 10 мА и лампы будут в штатном режиме, а не форсированным под быстрый износ.

Таким образом, в бестрансформаторных усилителях повышенное выходное сопротивление является защитой ламп. Итоговая мощность при этом области низкоомной нагрузки будет существенно занижена.

Часто делают два режима, с высокоомным выходным уровнем, предназначенным для низкоомной нагрузки, и низкоомным для высокоомной нагрузки.

Например, у знаменитого Laconic Lunch BOX HA-06 PRO для подключения высокоомных наушников был режим с выходным сопротивлением усилителя в 55 Ом, а для низкоомных 180 Ом через дополнительный резистор в 120 Ом. У современного Fosi Audio GR 70 разница более существенна: 10 Ом и 950 Ом.

Таким образом, для корректной и надежной работы усилителя с высокоомными наушниками можно использовать бестрансформаторный усилитель, у которого будет невысокое выходное сопротивление и сохраняться хороший параметр демпинг-фактора. При подключении же никзкоомной нагрузки необходимо использовать трансформатор, позволяющий сохранить исходную мощность и демпинг-фактор, либо резистор, с которым итоговая мощность снизится, а демпинг фактор будет посредственным.

Но, трансформатор в свою очередь не является линейным передатчиком сигнала и вносит от себя свои искажения. По этой причине в топовых ламповых усилителях основную стоимость составляют зачастую трансформаторы, а не лампы. В дешевых усилителях трансформаторы являются узким звеном, где замена ламп в них не способна сделать качественный переход на уровень выше. Т.е. при сравнении бюджетных трансформаторного и бестрансформаторного усилителей победить может любой. Обычно бюджетный трансформаторный усилитель вдвое-трое дороже бестрансформаторного и при равной стоимости бестрансформаторный может иметь на борту более качественные комплектующие.

Как итог – компромисс, либо искажения от трансформатора, либо посредственный демпинг фактор с плохим контролем резонансов.

И вот здесь, если посмотреть на кривые импедансов наушников, то можно отметить, то далеко не у всех динамических моделей есть ярко выраженная резонансная частота, а соответственно, для множества моделей наушников демпинг фактор не является сколько-то важным. Проверять импеданс желательно для наушников динамического типа. Например, у планарных наушников практически всегда будет ровный импеданс, но не всегда достаточная чувствительность при низком сопротивлении.

Если OTL усилитель может обеспечить достаточную громкость с минимальными искажениями для наушников с ровным импедансом – то звучание будет более чем хорошим и не только не уступать, но и превосходить модели с трансформаторным выходом.