管球声.石仔声 - 浅谈整流滤波电路

对于拥护晶体机和爱好管球的爱乐者们,这的确是个艰难且争议多年的问题。用惯晶体机的人认为,晶体机具频率响应较佳、分析能力强、反应速度快、高频延伸良好、三度空间感惊人。阻尼因素高,使得低频及超低频有绝对的重量感及权威性。某次在前辈徐先生家里听SOTA LP、Audio Research SP-11、Classic 150 Mono、Westlake,各类型音乐,尤其大编制交响乐、歌剧等表现,都近乎理想。喜爱管机的朋友认为,管球的音色艳丽,中频温暖且相当饱满,高音甜美、低频多汁有弹性,音乐性绝佳等等。多年前在独奏小游介绍下,于黄医师处听Mark Levison 30/31、全套Cello、Goldmund、Siltech信号线及喇叭线,我不禁有了怀疑迷惑。原来全套晶体机(这套系统,印象里本刊顾问刘仁阳先生好像也曾经聆赏过,还带了块状似浴巾之类的调音材料- 希望没搞错)也能出落得亭亭玉立,该有的一点也少不了,不该有的也绝对不会突然冒出来,而且极为温暖、华丽和高贵。

   唉呀!如何是好?无端挑起如此管石话题。非也!笔者真正的用意,只是想提出来,不论是管球或晶体管,只要尽心地把它们搞好,它们在声音的品质上,都值得人人尊敬。常常听到普罗烧友们讨论:真空管是电压放大组件,晶体管则是电流放大组件。这种区分大致上看起来似乎颇正确,然而仔细研究一番,事实的情况如何呢?不管是电压放大或功率强放,我们所欲获得的增益或是放大器所能提供的能量,事实上都离不开P与VI互等的关系,亦即功率是电压和电流的乘积。在相同能量P的需求下,电压用得高,则电流小一点;电流用得大,则电压低一些。许多往昔的管机和晶体机里,大部份是这种情形。其实它们的分野,最大部份是真空管的内阻很高,而晶体管的内阻很低。因此在功率放大部份,真空管电路不能避免的,需要用变压器来做为和喇叭之间能量传输的工具。有少部份的OTL设计,但是由于电路稳定性、多管并联所产生的配对、高温及后续维修等问题,使得OTL真空管机不能成为主流。另外特别值得一提,东桦行的林明贤先生多年前也曾推出OCL的真空管机,好像是使用6BQ5多对并联。将输出端短路了也没关系,绝不烧机器,声音蛮好的。个人认为那是一个绝佳的设计,可惜掌声很少。原因大概是有太多管机爱好者,不能习惯没有输出变压器的管球机。或许也担心减低「胆味」之故吧!再则让心爱的喇叭,直接就连接在一群真空管上头,是会有许多人坐立不安的。看来管机的设计者所面临的困境,应该不是技术层面,而是管球迷心理层面的问题了!就让用家和制造者共同努力吧!

 胆味」,没错吧!各厂制造同型号,电子参数相似的真空管,声音的表现上是各异其趣而相去甚远的。其实晶体管也是一样,就算同厂不同年代的同型号管球,声音也都有某一程度的差异。换用不同牌子、年份的真空管以获得不一样的声响,的确是玩管机人最大的乐趣。不管他人对其声音品质的感觉如何,只要自己认为恰当、美好,这种尝试都是正确而值得的。各型真空管的声底是大不相同的,造成了本身独特的「胆味」,满足各个喜爱它的人们。因此,在这里我们粗略地来了解一下「声音」。

 几乎所有的乐音均包含了音调、音色及音压(响度)。音调有高有低,人耳的听觉范围大致是20Hz-20KHz。音压大的响度大,音压越小响度越小。至于音色,同样音调的「Do」,小提琴、小喇叭与钢琴给我们的感觉各有不同。原来各种乐器(包括人声)的发声,其音波中除了基本频率(决定音调高低)外,还包括了其它部份的谐振频率(使各乐器或人声听起来各个不同的因素)。所以,王菲、蔡琴不会一样,钢琴、伸缩号也不相同。好玩的是同型号真空管,因为制造厂家不同,也有这些个物理条件上的相似之处。它给了玩管机的人一个绝对的快乐 ~ 很方便地去调校音色。依个人的认知、喜好与品味,相当有弹性且有效率地聆听音乐。

整流电路的内阻、杂音、效率

  使用于音频放大器整流电路里的组件,最常用的就属二极真空管和硅二极管。由于放大电路之主动组件(真空管、晶体管)以直流工作,所以必须将市电升降压后,予以「整流」,使成为脉动式的直流,经滤波电容平整后,供各放大级来应用。整流用的真空管,结构上可分为旁热式和直热式两大类,结构虽然稍有差别,都还方便使用。6X4、5Y3、5U4、5AR4、5R4及一些数字管都是常用的整流管。整流管的内阻仍然相当高。用在前级放大器及单端后级较为轻松,拿来用在推动大电力的功率放大就困难许多。由于各整流管的内阻相差不小,所以即使更换一只整流管,也很容易造成非常不同的声音表现。较柔、甜、硬、干、瘦等等的形容不一而足。反观半导体材料科技突飞猛进,这十数年来所生产的整流二极管,早已达到超高速、高耐压、大电流、低漏电、低杂音等高水平的需求。各厂家都有许多相当优秀的品项供选择应用,而且价格廉宜。常听人说,使用二极管整流,声音较干较硬,较没有管球味,而且并不好听。笔者倒是有不同的看法。事实上使用整流管的电源内阻,是比使用二极管整流之电源内阻高出甚多。两者的效率相差很多,加上负载后,二者的差异就更明显。另外,高电压、大电流(其实也仅数百毫安而已)的整流管,其热噪音也相对提高。因此在那些类型的放大电路上,要选择何种整流管、作成什么方式的整流,都是一个极费心的问题所在。在任何状况下,我们大家都希望电源内阻越小越好。它真正的含意即是希望有个取之不尽、用之不竭的大容量电源供应,使扩大机在工作上能瞬变反应极佳。能量充足,出好声的机会必然大一些。许多管友也曾讨论,每只强放管顶多用掉百余毫安,即使四支也不过六、七百毫安,是否需要像那些发烧机一样,使用那么大容量的滤波电路,固态桥式整流子等?这里我们愿意指出,大部份发烧机的电源都尽量维持2-4倍所需的最大电流需求;更有甚者,4-6倍的功率容量也是常事。如此的电源,绝对有一个好处,那就是内阻较低、能量丰沛、对各种音乐的演出都能轻松愉快。我们大家所怀念的铭机,包括Mclntosh C-22前级在内,几乎都使用了类二极管的整流。因为这是最简单、可靠且效率较高的一种方式。

  目前众家的运用大致上有:(1)全真空管整流(2)半截真空管、半截二极管(3)先二极管再真空管(4)二极管整流等等。其中(1)(4)多出现在厂机里,而(2)(3)就比较多是业余杂志DIY族的喜爱,笔者不欲多作评论,但是有一个很重要的观念,是我们必须慎重考量的,那就是变压器的效率问题。任何形式的变压器因为具有铁损及铜损的自然现象,设计制造再好的变压器,其效率顶多也仅80至90%之间。如果整流电路的效率也是80%,那么整个电源的有效使用率就仅剩65至75%而已,其它的就都变成热,使得扩大机处在较高的温度下工作。如何作恰当的选择运用,就端赖各个制作者的明智决定。笔者并不反对全波桥式真空管整流(必要时还可以并联以降低阻抗、增大电流),以供大功率放大之用。然而那几组相当耗电的灯丝绕组,所带来电源变压器的温升,制作成本的增加,大电流管所带来的高温和昂贵,必然使扩大机处在相对高温、稳定性极度考验的恶劣情形下工作。制作成本、重量、体积等其它的因素,是否也应详细考虑。

整流电路的型式及纹波率

(图1至图3为常用的整流电路。A为真空管整流,B为二极管的方式。RL表示负载电路。)

▼图1为半波整流电路。F绕组供整流管灯丝使用,输出的直流波形有如图示。前面的是整流前的交流高压波形,后面的则是整流后的脉动直流波型。灯丝加热,阴极即发射电子。当整流管屏极的电压处于交流电的正半周时,屏压为正,屏极吸收自阴极放射出来的电子,负载就有电流通过。当屏极处于负半周时,由于和放射电子的极性相同,相互排斥而没有电流通过负载RL。所以输出的直流电压就如图标,仅是正半周有输出;电流也始终是同一方向,但却是波动式的直流。半波整流仅得一半的输出,效率不佳,通常仅用在耗电较少的电路。实用上音频放大器的偏压电路适合使用此种方式,它有个优点:简单及成本低。


 

▼图2为全波整流电路。为了能解决半波整流效率太低的缺点,增加一组相同的高压绕组,结合成一个有中间抽头的绕组,使用双二极管,就成为图标的电路。如此一来,不管正负半周,都会有一支二极管在工作,亦即都会有输出(输出的波形如图示)。效率当然也是半波的一倍,大部份管球机都使用此种方式作为高压整流电路。


▼图3为桥式整流电路。不需增加高压绕组,使用4支同型号的整流管。其结果是无论交流电处于任何半周,都有二支管子(图上是交叉的)在工作,效率极高。但如果是以整流管来制作,它的成本确是最高的。近些年来,半导体科技突飞猛进,高耐压、大电流、快速的桥式整流子各大厂都有生产。为了保持桥式整流的多项优点,笔者建议,不妨以半导体的桥式整流子负责高压整流。时下几乎大部份名厂的大功率管机都采用这种方式,即连数十年前制造的一代铭机Marantz 9,也是以二极管作高压倍压的方式处理。如此麻烦的安排,明智的 Marantz工程师仍然放弃了唾手可得的整流管方式,而打造了一代名机。稍后也是经典的Mclntosh MC-275采用了桥式整流子作为高压整流。大部份的发烧友很能欣赏它们的表现。今日,我们制作扩大机,是否还需坚持管球整流?

就以上的参数观察不难发现,全波整流的高PIV和较低的变压器利用率,显然是较桥式整流的方式逊色许多,半波整流就更无法相提并论。有部分发烧友喜欢以整流管作全波整流。举个300BSE的例子,在许多的电路图里,高压绕组的电流量大多不超过350毫安。参照上列参数,真的是不太够;如果再估算整流管之高内阻造成的损失,情况就更不理想。这是真空管整流应特别注意的。否则,所谓的球仔声,就仅是功率不足,高电源内阻所形成的声响,要表现目前动态极广的录音软件是相当困难的。

电源滤波器

  经过整流后的直流是脉动之直流,含有大量的纹波成份,而放大器工作所需要的直流是纯净之直流。因此,在整流器与放大器之间,必须加以滤波,将脉动的成份消除。基本上,滤波电路是使用平滑滤波电容和扼流圈组成。
  电容输入式的方式是整流器之输出与地端先并上一支平滑滤波电容,然后串一支扼流圈或电阻,再在扼流圈或电阻的另一端对地并接一支滤波电容,形状有如「兀」,所以又称「兀型滤波器」。当然使用扼流圈是比使用电阻的效果优异很多,且直流阻抗很小。
扼流圈输入式的方式,为整流器之输出端先接上一支扼流圈或电阻,再在扼流圈的另一端和地之间并上一支滤波电容器。形状有如倒写的「L」,有称「L型滤波器」。
  
不管是「兀型」还有「L型」滤波器,都可以再增加一至数组成为双兀、3兀或2L、3L型,以增加滤除纹波的效果。但是滤波级数也不能太多,级数太多,电源内阻必然加大,并不是很理想的事情。实用上,推挽功率输出级有个一组的兀滤波即已足够。单端后级多给一级也已足矣!基本上,L型的输出直流电压是要低于兀型的输出。
  
电源滤波器的C与L值当然是越大越好。当电源加上的瞬间,电容器形同短路,电流理论上为无限大。太大的C值,会致使「短路」的时间变得很长,对整流器将造成永久的伤害。L太大,直流阻抗急速增加,也不是十分理想。因此,适度的C与L值需视放大电路所需来决定方为上策。一部能发好声的扩大机,电源的部分正扮演着极为重要的角色


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