Remélem már mindannyian jól bemelegedtünk az erősítők témakörébe, én sem szeretnék gyenge kezdés után erősen visszaesni, szóval nekiugrok a befejezésnek, amíg még meleg a deszka…

Definícióval kezdenék. Nevéből adódóan, a végfokozat az erősítő lánc végén elhelyezkedő utolsó erősítő. Van ennek egy másik, talán az előbbinél találóbb neve, a teljesítmény-erősítő. Ez a név közelebb áll a műszaki valósághoz. A végfokozatot megelőzően a korábbi erősítő fokozatokban főképp feszültséget erősítettünk, a hangszedőtől idáig nagyjából 600-szorosra, amit most nagyjából meg fogunk húszszorozni (!). Most azonban a terhelés már nem a következő fokozat néhányszor tíz kOhmos bemeneti impedanciája, hanem egy hangdoboz (plusz több méternyi kábel), amely 1 és 16 Ohm között mozog, típustól és frekvenciától függően – teljesen szertelenül. Tehát a terhelés impedanciája sokkal alacsonyabb, a feszültség jóval magasabb, ebből pedig egy sokkal nagyobb áramigény következik (Ohm-törvény, elektrotechnika első osztály, első óra I (áram) = U (feszültség) / R (ellenállás) ). A teljesítmény = feszültség szorozva az árammal.

A végfok annyiban speciális erősítő, hogy a nagy kimeneti feszültséghez nagy áram is társul. PLUSZ (!!!), hogy ne legyen tiszta Hawaii az élet, a terhelés immár nem egy tisztán Ohmos ellenállás, hanem egy sor hangszóró meg tekercs, kondenzátor, (keresztváltó) előre nem látható konfigurációban, és előre nem látható frekvenciafüggő impedancia menettel. (A tervező mérnök sosem tudja előre, ki milyen dobozt fog az erősítőre rákötni) PLUSZ, hogy még mélyebben süllyedhessünk a mocsárba, a hangszórók generátorként is viselkednek, azaz feszültséget és áramot küldenek vissza az erősítőnkbe, annak a kijáratára. Ez idáig nem volt, most pisloghatunk, mint a miskolci béka a kocsonyában, hogy mit kezdjünk ezzel az állapottal. Kicsit most toljuk félre a problémakört, és ismerkedjünk meg először a végfokozatok típusaival, és azok egyedi problémáival.

A végfokokat sokféle módon osztályozhatjuk, azt javasolnám, hogy az audiofil gondolkodásmód mentén induljunk neki, mert így mindenki jobban át tudja majd tekinteni.

1. Csöves végerősítők

Hát kérem, ez a kronológiai sorrend is egyben, mert ugye az első zenei célra szánt erősítők 1947 ( a tranzisztor feltalálása ) előtt csakis csöves technikájú erősítők voltak. Ahhoz, hogy jobban rálássunk ezeknek a működési jellegzetességeire, problémáira, néhány alapismeretre szükség lesz. Megpróbálom a lehető legegyszerűbbre fogni. (Műszaki rész következik, ha nem érdekel, ugorj két kattintással lejjebb)

A csövek alapvetően alacsony áramokkal tudnak csak jól működni, viszont magas (több száz Volt) feszültségeken. Ha egy csöves erősítővel szeretnénk egy áramigényes hangdobozt meghajtani, szükség lesz egy áramváltóra, egy úgynevezett kimenő trafóra, amely a csövek magas feszültségén folyó kis áramot (primer oldal) át tudja konvertálni a hangdoboz felé kis feszültségre és nagy áramra (szekunder oldal).

A trafó alkalmazása több nagy előnnyel és több nagy hátránnyal is jár.

Első előnye, hogy a kimenő teljesítményt bármilyen kimenő impedancián ki lehet venni. Csak attól függ, hány menetből áll a szekunder oldal.

Tehát, a két oldal teljesítmény szintje nagyjából azonos, más-más feszültségek és áramok és impedanciák mellett. Szinte minden kimenő trafón megtaláljuk a 4 és 8 Ohmos, néha a 6 és 16 Ohmos kimenő tekercsvégeket, ezeken mindegyiken kijön a teljes teljesítmény, nyilván más és más feszültség/áram viszonyok mellett. Félvezetős erősítőknél ez a lehetőség soha nincs meg. (Nagyon nem is jövünk ettől zavarba, mert ott egy komolyabb végfokban akkora a teljesítmény tartalék, hogy kutyát sem izgat, ha 8 Ohmon visszaesik a kivehető teljesítmény a felére, 150 Wattra…)

A másik kimenő trafós előny a trafó működéséből, magából a mágneses indukcióból fakad.

A lényeg, a mágneses indukció csak váltakozó áram esetén működik. Ha a primer tekercsen egyenáram folyik, az a szekunderen semmilyen feszültséget nem gerjeszt, nulla lesz a kimenet. Emiatt, még sohasem történt meg, hogy egy csöves végfok tönkretett volna egy hangdobozt, amikor egy cső tönkremegy. Nem is igen találunk csöves erősítőkben beépített hangszóró védelmet. Félvezetős erősítőknél viszont ez szó nélkül megtörténhet, bár azért nem általános, nem gyakori eset.

A harmadik kimenő trafós előny, ami aztán majd hátrány is lesz egyben, hogy a trafó frekvencia átvitele véges. Minél nagyobb a vas, annál inkább. 100W alatt még nincs nagy baj, de nagyobb teljesítménynél kissé beszűkülne a frekvenciasáv, és a meghajtás csőoldalon sem válna túl egyszerűvé, a nagyobb teljesítményű csöves gép olyan, mint az elefánt. (Ritka, de nagy állat). A trafómag mágneses tulajdonságai erősen befolyásolják a felső határfrekvenciát, maga a trafó önindukciója pedig a jelemelkedési képességet. Ennek az előnye, hogy nem fog az erősítőből kijönni semmiféle sok száz kiloHertzes vagy még magasabb frekvenciájú jel, amitől a magas sugárzónk leéghetne ( a membrán nem tudja követni ezt a sebességet, nem mozdul, de a teljesítményt megkapja, ami nem tud mechanikai mozgássá konvertálódni, csak hővé). Ez jó. Azonban némelyik trafónál (tisztelet a kivételnek) a tiszta 20 KHz átviteléhez szükséges 3.harmonikus (60kHz) sem jön át, vagyis a trafó itt kezd szűk keresztmetszet lenni. Ez pl. egy CD lejátszásakor nem okoz gondot, mert amúgy sincs ott a 60 kHz, de pl. egy DSD-nél a kimenő trafó már nem tud lépést tartani a lehetséges frekvenciasávval. Már egy 24/96-os digitálisból konvertált analóg jelnél is jelentkezni fog ez a hatás.

További hátránya a trafónak, hogy dinamikailag visszafogja az erősítőt, ez is főképp a magas tartományban jelentkezik. A vasmag fel és lemágneseződésének van egy időbeli folyamata, messze nem azonnali a mag reakciója, nagyon hirtelen áramugrások nem tudnak keresztül jönni. Jópofa dolog, hogy mérni mindig Ohmos terheléssel mérik az erősítőket, de a hangszóró sohasem tisztán Ohmos, mindig kapacitív és induktív is egyben, ami nagyon hirtelen áramfelvétellel tud járni – HA az az áram rendelkezésre áll. Minden kimenő trafóra igaz, hogy az áram sohasem áll nagyon hirtelen rendelkezésre.

Szubjektíve, a trafó tranzienseket lassító hatása plusz a csövek magas harmonikus torzításai együtt egyfajta lekerekítésként jelentkeznek, ami elfedi ( ez nem kiegyenlítés, ez elfedés, nagyon nem ugyanaz!!! ) a rendszer korábbi komponenseiből érkező esetleges tranziens torzítások és műsorjelek egy részét, (meg a legmagasabb tartományban lejátszott információ nagy részét) emiatt kellemesnek, pozitívnak hat. Emiatt hallják sokan, akik nem tudják mit is hallanak valójában, a csöves erősítőket olyan oltári jónak. Nem nagyon szerencsés az egyik hibát egy másikkal elfedni, anélkül hogy inkább mindkettőt kijavítanánk, de itt végül is ez történik.

(Irodalom: https://www.quora.com/What-happens-to-higher-harmonics-in-a-transformer )

Példával élve, olyan ez, mint a kávé cukrozása. Becsapod magad, mégis rajongsz érte.

Lépjünk tovább. Mély tartományban, ahogy közelítünk az egyre kisebb frekvenciák felé, a trafó megint kezd sztrájkba lépni, egyre kevésbé képes a teljesítményt átadni. Emiatt nagyjából 30 Hz alatt intenzív teljesítmény csökkenéssel kell számolni. A csövek szempontjából nem olyan rossz hír ez, amúgy sem szeretnek nagyobb áramokkal kokettálni, és mivel mi nem szeretnénk, hogy az erősítőnk olyan jelekkel dolgozzon, ami a végén amúgy sem fog tudni megjelenni a kijáraton, már eleve az elején úgy szokás megválasztani a csatoló kondenzátorokat, hogy az alsó törésponti frekvencia nagyjából ide, 20-30 Hz környékére essen. A csöves erősítők szerelmesei azzal szokták nyugtatgatni magukat, hogy úgysem nagyon van zenei jel 30 Hz, sőt, inkább 50 Hz alatt, nincs is szükség arra a tartományra. Ez megint egy az audiofil világ tucatnyi téveszméje közül. A fenti elmélet hívőinek gondolat-ébresztésként szívesen megmutatnám, hogy egy DC-csatolt MOS-FET-es végfok ( pl. egy GAUSS Optheron - ez itt a reklám helye, bocs...legalább igaz. ) pl. az Interstellar c. film zenéjén ( 5. szám) milyen energiákat szabadít el 5 és 50 Hz között, és milyen az, amikor a rendszernek ebben a tartományban is van ereje ÉS felbontása.

Softone RW-40-5 kimenő trafó frekvenciamenete

Nézzük, mit tudtak ebből a technikából idáig kihozni:

1.a Triódás Single-Ended végfokok

A korai csöves végfokok szinte kivétel nélkül triódás, kis teljesítményű erősítők voltak. Maga a Single-Ended (egy-végű) kifejezés arra utal, hogy az erősítő kimenetén egyetlen aktív áramerősítő elem található. Ez a kimeneti eszköz általában egy nagyobb áramú trióda ( pl. 2A3, 211, 300B stb.) Ezeknek a kapcsolásoknak a közös jellemzője, hogy nincs bennük átfogó feszültség-visszacsatolás. Emiatt a harmonikus torzítási értékeik relatív magasak ( 0,3-1,5%) de ezek a torzítások főképp páros harmonikusokból állnak, azaz a hallásunk számára könnyen emészthető hangot kapunk a végén, az egyéni érzékenység dönti el, kinek mennyi torzítás több a soknál. A másik jellemzője a kimenő trafós erősítőknek, hogy a kimenő trafó szinte mindig az anódkörben helyezkedik el. Ez a felépítés segít abban, hogy a hangszóróból visszaérkező hibajelek ne tudjanak az erősítőben újabb hibajeleket generálni, mert az anód egy nem vezérelhető elektróda, az ottani jelváltozás nem változtatja meg a cső pillanatnyi vezérlési állapotát. Az OTL-eknél aztán ez majd nem így lesz, lásd később. További előnye ennek a kapcsolástechnikának, hogy relatív kevés alkatrésszel működik.

Manapság egyfajta divat-irányzat a puristák ( a mindent a végletekig letisztítani, lecsontozni szándékozók ) részéről az ilyen, nagyon kevés alkatrészből álló erősítők favorizálása. Olyannyira, hogy már az erősítő fokozatok közötti hagyományos kondenzátoros csatolás is fanyalgásra készteti őket ( ezt mondjuk értem ) és jobb hangúnak ítélik meg a feszültség erősítését egy újabb fokozat helyett egy közbülső, angolul interstage transzformátor beiktatásával, ami jóval kevesebb torzítást és saját karaktert hoz az összképbe. Ilyen trafókat a High-End DIY ipar tucatjával kínál, nem is túl olcsón, pl. a Jensen, Lundahl, az Audio Note, a Hammond,vagy a CineMag, (és még sokan mások)  de manapság egy ilyen SE erősítő projekt bekerülési árát az azonos elvű gyári erősítők piaci árához mérik, és így a horribilis alkatrész költség mindjárt nem tűnik olyan világvégének.

Nem mennék bele itt a közvetlen és közvetett fűtésű triódák különbözőségeibe, hangra gyakorolt hatásaikra, erről rengeteg fórumon lehet olvasgatni, akit ez a téma leköt.

A Single-ended végfokok szinte mindig nagyon kis teljesítményűek, jellemzően 3 és 10W között, némely szélsőséges esetben ez fel tud menni egészen majdnem 30 Wattig, ami már nem is olyan kevés. De általános direktívának mindenképp elmondható, hogy ezekhez az erősítőkhöz nagy (92+ dB) érzékenységű hangdobozok valók, minél nagyobb szobában hallgatjuk, annál inkább. Máskülönben az érzéketlen dobozokon a szobahangerőhöz jelentősen magasabb teljesítmény tartozik, ami a hirtelen beütéseken szükséges teljesítmény-tartalék rovására fog menni. Különösen igaz ez a 10W alatti erősítőkre.

Példának hadd linkeljem ide a J&K Audio Design cég 211-es SE projektjét, tessék nyugodtan elcsámcsogni rajta. Az izgatottabbaknak ajánlanám a végén összeadni az alkatrész árakat.

http://jandkaudiodesign.blogspot.com/2016/05/deathbringer-211-tube-amplifier_29.html

Parallel Single-ended

A kimeneti cső párhuzamosításával a primer oldali áramterhelhetőséget meg lehet növelni, némi zajcsökkenés mellett. Nem olcsó mulatság mono oldalanként 2 db 300B triódát párhuzamba kötni, de a kimeneti teljesítmény már 30W körül jár, ezzel már lehet kezdeni valamit. Lásd a képen.

1.b Push-Pull (angol, toló-húzó ) kapcsolású végfokok

A push-pull kapcsolás (Edwin H.Colpitts, USA, 1915) azt jelenti, hogy az erősítő végén immár nem egyetlen végcső adja az áramot, hanem kettő, amelyek ellenfázisú vezérlőjelet kapnak a meghajtó csövektől. A kimenő trafó primer oldala ketté van osztva, az egyik félre az egyik, a másik félre a másik kimeneti cső dolgozik. Push-pullban általában már nem triódákat használnak, hanem tetródákat és pentódákat, amelyek a vezérlő rács mellett árnyékoló rácsot is tartalmaznak. Az árnyékoló rács csökkenti a vezérlőrács és az anód közötti kapacitást, ezáltal maga a cső gyorsabb működésre képes, ill. járulékosan kisebb a gerjedésre való hajlama.

 Ennek a kapcsolásnak két előnye van. Az egyik, hogy magasabb teljesítményt is ki lehet venni az erősítőből. Cső és trafó függő, de akár több száz Wattig is el lehet menni ezzel a kapcsolással. Másik előnye, hogy a két cső azonos módusú torzításait a trafó kinullázza ( ez is egyfajta szimmetrikus erősítés) ezáltal egy csöves erősítő is képes akár 0,1% mérhető torzítással (néha még kevesebbel) üzemelni, ami csövektől nagyon jó eredmény. Emellett a kapcsolás gyorsabb működésű is egyben, amely magasabb felső határfrekvenciát jelent.

Tipikus push-pull végfok pl. az angol Audio Innovations Series 500 integrált erősítő végfokozata.

Parallel push-pull

Ugyanaz a logika, mint a Parallel Single Ended kapcsolásnál, a kimeneten párhuzamosítjuk a nagy áramú csöveket.

1.c Ultralineár kapcsolás

Amíg a normál push-pull végfokokban a tetróda vagy a pentóda árnyékoló rácsa egy fix feszültségre van kötve, addig az ultralineár kapcsolásban ezt az elektródát egy, a kimenő trafó primerének 40%-ról leosztott kivezetéséhez kötik. Ennek az az előnye, hogy a kapcsolás torzítása csökken, kivezérelhetősége és stabilitása növekszik. Tipikus példája a 70-es évek klasszikus angol erősítője, a Michaelson & Austin TVA-1 (lásd a képen)

Self-inverting UL push-pull

Létezik egy technika, amely a párosítja a Single-ended erősítők kis számú alkatrész igényét a push-pull ultralineár kapcsolás előnyeivel, ez a SIPP UL. Tipikus példája az OddWatt Block1 (lásd a mellékelt képen) Ennél olcsóbban aligha lehet jó minőségű csöves gépet építeni, meleg szívvel ajánlom a DIY csapat figyelmébe. Az Edcor cégtől (esetleg idehaza Barta Ottótól) kész kimenő trafót is lehet rendelni hozzá.

1.d OTL azaz Output Transformer-Less azaz kimenő trafó nélküli csöves végfokozatok

Ha megszabadulnánk a kimenő trafó fent leírt erényeitől, de főképp hibáitól, akkor elő kell tudni állítani a hangszóró meghajtásához szükséges áramot anélkül. Ehhez, mivel egyetlen csövön az sohasem tud átfolyni, elég sok csövet kell párhuzamosan kötnünk, vagy az oroszokhoz kell fordulni, akik gyártottak olyan csöveket, amelyek magukban is elég izmosan voltak ehhez (6C33C).

A nagy különbség az eddigi erősítőkhöz képest nem csak a trafó hiánya, hanem az, hogy a kimeneti feszültségnek épp ugyanúgy 0V egyen szintnek kell lennie, mint ahogy egy félvezetős erősítőnél, tehát a végcsöveket plusz-mínusz tápról kell majd járatnunk. Ez nyilván plusz költséget fog jelenteni, és a fűtésen bősz áramfelvételt is egyben, nincs ingyen villanyáram. Ennek a technikának a hazai „atyja” Takács Jenő Úr, aki több ilyen erősítőt is bemutatott különböző hazai kiállításokon. Valamiért azonban ezek nem tudtak elegendő rajongó tábort vonzani, bár valószínűleg rendelésre a mai napig is elérhetőek ezek a készülékek.

Minthogy a hangdoboz immár közvetlenül csatlakozik a kimenő csövek elektródáihoz, érdekes történés veszi kezdetét. A hangszóró mechanikai tömegéből és a rugóerejéből adódóan nem tudja pontosan követni az erősítő kimeneti áramát, mindig késésben lesz. Ez a jel felfutó oldalán még nem nagy gond, viszont a visszafelé jövő oldalon igen. Az erősítő kimenetén már megszűnik a jel, de a hangszóró még útközben van, a membrán mozog, a tekercse egy állandó mágneses térben mozog - indukció történik. A hangszóró tekercsében feszültség keletkezik, amely a hangszóró kábelen keresztül eljut vissza az erősítő kimenetére. Ott a pozitív tápoldali csövek katódjára, (és a visszacsatolásra) amely egy vezérelhető elektróda, az ide érkező külső feszültség megváltoztatja a cső (és az egész erősítő) pillanatnyi vezérlési állapotát. Ez torzításokat visz a kimeneti jelbe. Ha azt gondoljuk, hogy ezt a visszacsatolás kordában tudja tartani, elég nagyot tévedünk, lásd korábbi leírásomat a visszacsatolás problémájáról. Kimenő trafós erősítőknél ez azért nem jelentkezik, mert a primer kör a kimeneti csövek anód körében van, ami nem tudja vezérelni a csövet.

8 x 6AS7G OTL (monoblokk) végfok

Utolsó gondolat, aztán elhagyjuk a csöves játékteret, és kicsit modernebb vizekre evezünk.

Valamikor úgy a 2000-es év tájékán az egyik volt kollégámmal, azóta is audiofil jóbarátommal ( ha magadra ismersz, csak küldj egy smiley-t ) közös terveket szőttünk, hogy építünk mind a ketten egy SE kapcsolású végfokot. Kiválasztottuk az akkoriban elérhető lehetőségek közül amit a legjobbnak láttunk, egy, az olasz Andrea Ciuffoli (lásd http://www.audiodesignguide.com/my/pse3.html) által jegyzett Parallel 2A3 SE kapcsolást. Az alkatrész beszerzéssel én csak negyedrészig jutottam, anyagi okokból, míg a Barátom már mindennel kész volt. Mondhatjuk úgy, hogy szerencsém volt, hogy nem tettem bele nagyobb pénzt ebbe a projektbe. Rohantam meghallgatni az elkészült csodát, de a katarzis nem következett be. Nagyon nem. Korábban sem szerettem az akkori üzlettársamnál az egyik jól ismert hazai csöves guru által elkövetett Ongaku-klónján zenét hallgatni. 5 perc után fejfájás lett nálam a vége szinte mindig, pedig nagyon sokszor hallgattunk azon együtt zenét. Jó egy év után már pavlovi reflexeim voltak, de tényleg, már előre elkezdett fájni a fejem... Ez az említett 2A3 PSE végfok aztán totálisan meggyőzött arról, hogy ez nem az én világom, egyszerűen a hallásom nem tudja elfogadni ennek a technikának a számomra túl magas torzítási szintjét. Túlérzékenység? Lehet.

A sors iróniája, hogy azóta a barátom is félvezetős erősítőket hallgat, amelyek számomra még mindig túl sokat torzítanak. Neki már zavarküszöb alatti a dolog, tény, hogy jelentősen kevesebb mint az említett csöves erősítőnél. Szóval, ízlések és pofonok.

Azért voltak kellemes csöves élményeim is. Mindenképp ide kell citáljam a Qualiton APX-200-asát, amely nálam vendégeskedett egy hétig, elegendően izmos, és nagyon jó hangú, a maga nemében. És...made in Hungary.

Folytatás: Félvezetős teljesítmény-erősítők

Nagy Gábor Pál @ AudioWorld

2020 Április