Входной трансформатор TVC в ламповом усилителе вместо резисторного аттенюатора

Среди всех решений, которые принимаются при постройке лампового усилителя, выбор входного устройства остаётся одним из наименее очевидных. Большинство схем по умолчанию предлагают переменный резистор: недорого, привычно, просто в монтаже. Но опытные строители аппаратуры давно знают, что именно на этом участке тракта спрятана немалая доля потерь. Трансформатор-аттенюатор, или TVC - transformer volume control - существует как альтернативный ответ на тот же вопрос. Ответ дорогой, требующий качественного исполнения, но принципиально иной по физике. Использование в качестве входного устройства согласования и регулирования усилителя трансформатора-аттенюатора позволяет решить массу задач: повысить амплитуду входного сигнала, гальванически развязать источник сигнала и усилитель, осуществить преобразование сигнала в два противофазных для возбуждения двухтактного усилителя.

Зачем на входе лампового усилителя нужна согласующая цепь

Лампа по своей природе требует сигнала определённого уровня на управляющей сетке. Сетка триода - это вход с очень высоким импедансом: в режиме без сеточного тока она практически не нагружает источник сигнала. Казалось бы, проблем нет. Но это верно лишь до определённого момента.

Реальный источник сигнала - ЦАП, проигрыватель пластинок, CD-транспорт - имеет выходное сопротивление от нескольких сотен ом до нескольких килоом. Регулятор громкости, включённый традиционным способом, образует с этим выходным сопротивлением делитель. На частично повёрнутом регуляторе нижнее плечо делителя нагружает источник, а верхнее шунтирует вход лампы. Обычно согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Именно здесь трансформаторный подход даёт принципиально другой результат.

Трансформатор, который используется в качестве соединительного устройства, обладает свойством изменения импеданса, что означает, что низкое сопротивление ступени может быть отражено как сопротивление высокой нагрузки по сравнению с предыдущей ступенью. Трансформаторная связь обеспечивает хорошее согласование импедансов между каскадами усилителя. Применительно к входу: первичная обмотка видит источник сигнала, вторичная - сетку лампы. Коэффициент трансформации определяет, каким образом импеданс на одной стороне пересчитывается в импеданс на другой. Квадрат отношения витков - вот закон, по которому трансформатор переводит импедансы.

Принцип работы и функции TVC в тракте

Трансформатор-аттенюатор строится на принципе множественных отводов от обмоток. Первичная обмотка подключается к источнику сигнала и имеет несколько отводов для выбора входного импеданса. Вторичная обмотка также снабжена отводами - это и есть регулятор уровня: переключая отвод, изменяют коэффициент передачи. При положении на максимум используется полная вторичная обмотка, при уменьшении - её часть. Сигнал не гасится на резисторе, а трансформируется с разным коэффициентом.

Первичная обмотка намотана проводом ПЭЛШО 0,25 мм и содержит 700 витков с отводами от 400, 500 и 600 витков. Намотка начинается с секций с наибольшим числом витков. Витки секции распределяются равномерно по длине намотки, в качестве обмоточного выбран провод диаметром 0,25 мм. Отводы сделаны тонким многожильным проводом во фторопластовой изоляции. Шаг между отводами неравномерен - он подбирается так, чтобы субъективно воспринимаемые ступени изменения громкости были равными, что соответствует логарифмической шкале уровня.

Принципиальное отличие TVC от резисторного аттенюатора состоит в следующем. Переменный резистор рассеивает часть сигнала в тепло - мощность буквально теряется. Трансформаторный аттенюатор работает иначе: энергия сигнала не тратится, а перераспределяется. На холостом ходу (при разомкнутой нагрузке) идеальный трансформатор потребляет ток лишь на перемагничивание сердечника. В реальном трансформаторе есть активное сопротивление обмоток и потери в сердечнике, но они на несколько порядков меньше потерь в резисторном делителе при частично повёрнутом регуляторе.

Гальваническая развязка и её практическое значение

Слово "гальваническая развязка" в описаниях TVC встречается часто, но её реальное значение понимают не все. Трансформатор применяется для гальванической развязки. Кроме развязки он применяется для преобразования уровней напряжения и тока между первичной и вторичной цепями.

Что происходит без гальванической развязки? Источник сигнала и усилитель соединены по постоянному току через кабель. Любой потенциал постоянного тока на выходе источника - смещение нуля ЦАПа, утечка в транзисторных схемах, разность потенциалов земель - попадает прямо на сетку лампы. Это смещает рабочую точку лампы, искажает её характеристику, а в худшем случае приводит к протеканию постоянного тока через сеточный резистор с характерным нагревом и изменением режима.

Трансформатор полностью разрывает постоянную связь между первичной и вторичной цепями. Через магнитное поле передаётся только переменная составляющая - сигнал. Любые постоянные напряжения, петли заземления, разности потенциалов между корпусами приборов остаются по ту сторону обмотки. Это чрезвычайно важно при подключении источников с разными схемами питания - особенно в системах, где задействовано несколько приборов с разными сетевыми фильтрами.

Дополнительный практический эффект - устранение петель земли. Когда два прибора соединены кабелем и оба подключены к сети, между их корпусами нередко возникает разность потенциалов в несколько вольт. По соединительному кабелю через экран текут токи, наводящие фон в звуковом тракте. Трансформатор на входе прерывает эту петлю - сигнальная земля первичной обмотки и земля вторичной обмотки гальванически не связаны. Фон 50 Гц, возникающий именно по этой причине, исчезает.

Выбор сердечника и намотка как основа качества

Качество TVC определяется прежде всего материалом сердечника. Для звуковых применений используется пермаллой - сплав никеля и железа с относительной магнитной проницаемостью от 20 000 до 100 000 единиц и выше. Такая проницаемость даёт высокую индуктивность при малом числе витков - а значит, меньшее сопротивление обмоток и лучшую передачу нижних частот.

Трансформатор-аттенюатор намотан на пермаллоевом тороидальном сердечнике с магнитной проницаемостью 20 000-25 000 размером 5,0 х 3,0 х 1,5 см. Сердечник разделяется щёчками из картона на две равные половины, к нему прикрепляется заземляющий провод, затем сердечник изолируется фторопластовой плёнкой.

Тороидальная форма сердечника выбрана неслучайно. Тороидальный трансформатор обладает малым полем рассеяния, то есть практически не оказывает влияния на расположенные рядом элементы схемы, и имеет меньшие потери сигнала, однако сложнее в изготовлении и дороже. Отсутствие внешнего рассеяния магнитного потока критично именно во входном устройстве: сигнал на первичной обмотке мал, чувствительность к наводкам максимальна. Стальной экран из пермаллоя или трансформаторной стали, помещённый вокруг готового трансформатора, дополнительно защищает обмотки от внешних магнитных полей - от силового трансформатора питания и других источников.

В качестве сердечников используются кольца из пермаллоя 79НМ, а намотка ведётся проводом ПЭВ-2 0,15 мм. Общее сопротивление обмотки между отводами составляет 82 Ома, а индуктивность - 47-49 Генри. Индуктивность первичной обмотки в несколько десятков генри обеспечивает нижнюю частоту передачи на уровне единиц герц при типичных сопротивлениях источника. Если индуктивность мала, нижние частоты завалятся - трансформатор становится фильтром высоких частот с нижней граничной частотой, определяемой отношением индуктивности к сопротивлению источника.

Как TVC влияет на согласование с источником и сеткой лампы

Здесь скрыт важный и нередко игнорируемый нюанс. Входное сопротивление, которое видит источник сигнала, не равно сопротивлению сетки лампы напрямую. Оно определяется этим сопротивлением, пересчитанным через квадрат коэффициента трансформации. Если вторичная обмотка нагружена на резистор сетки 100 кОм и коэффициент трансформации равен 1:2, то первичная обмотка нагружает источник лишь на 25 кОм - в четыре раза меньше. При коэффициенте 1:3 нагрузка составит около 11 кОм.

Это означает, что выбор коэффициента трансформации определяет не только усиление, но и согласование с источником. Источник с низким выходным сопротивлением - хороший ЦАП на операционных усилителях с Rвых менее 50 Ом - хорошо работает с любой нагрузкой. А вот ламповый фонокорректор с выходным сопротивлением 5-10 кОм почувствует слишком низкоомную нагрузку от первичной обмотки TVC как ощутимое шунтирование - особенно на нижних частотах, где индуктивное сопротивление обмотки падает.

Нижняя частота по уровню -3 дБ при выходном сопротивлении источника 200 Ом составляет 2-6 Гц в зависимости от выбранного коэффициента трансформации. Верхняя частота по уровню -3 дБ при использовании одной обмотки достигает 82 кГц. Эти цифры достигаются именно на высококачественном пермаллоевом сердечнике при аккуратной намотке с минимальной ёмкостью между обмотками. Собственная ёмкость обмотки вместе с их индуктивностью образует резонанс, ограничивающий верхнюю частоту. Именно поэтому секционирование намотки - чередование секций первичной и вторичной обмоток - применяется для снижения индуктивности рассеяния и повышения верхней рабочей частоты.

Практические ограничения и подводные камни

TVC не является универсальным решением для любого случая. Его работа критически зависит от выходного сопротивления источника и входного сопротивления усилителя. Если источник имеет высокое выходное сопротивление, нижняя частота полосы трансформатора поднимается, и на частоте 20 Гц уже начнётся завал. Каждый трансформатор рассчитан на своё сопротивление генератора и определённую нагрузку, которая чаще всего не просто резистивная, а имеет ёмкостно-резистивные демпферы.

Ещё одно принципиальное требование - отсутствие постоянного тока через обмотки. Пермаллой с его высокой проницаемостью чрезвычайно чувствителен к подмагничиванию постоянным током: даже несколько миллиампер через первичную обмотку способны заметно снизить проницаемость и ухудшить передачу нижних частот. Именно поэтому TVC используется строго на входе - до первой лампы, которая несёт анодный потенциал. Входная лампа ни в коем случае не должна быть гальванически связана с вторичной обмоткой по постоянному току.

Трансформатор-аттенюатор прослушивался с однокаскадным двухтактным усилителем на EBL21, однокаскадным однотактным на 6AG7 и двухкаскадным однотактным на 21LR8. Практика показывает, что наибольший выигрыш от TVC слышен именно в однокаскадных и двухкаскадных конструкциях с прямонакальными триодами, где каждый элемент тракта вносит заметный вклад в итоговый звук. Замена резисторного регулятора на трансформаторный в таких схемах убирает потери в делителе, устраняет фон петли заземления и избавляет источник от переменной нагрузки в зависимости от положения регулятора - и это всё вместе, одним устройством, без активных компонентов на пути сигнала.