真空管稳压电源

张文侠 转自 《现代音响》

 我在现代音响杂志71期发表的「PS-2真空管电源供应」,各方面的反应都很好,有许多自己装迷们都装过了,也都认为真空管整流比晶体二极体整流的声音圆润、甜美、饱满、有韵、透明、立体....等等,最主要是真空管的音色类真度高,比较像是真实乐器的声音。 
  其中有一位内湖的邬先生他的话可做为代表,他说:「我的Oboe真空管整流、稳压已经装好了,加了真空管稳压,真想不到会有如此大的改善,音乐性真好的没话说,音响性也好,真是全面性的三级跳!」 
  您知他以前问过什么话:「真空管整流、稳压电源供应是否比二极体整流好声﹖据闻真空管整流速度慢,涟波大,若系统的声音厚度已够,速度也慢,再用真空管整流声音会拖、肥﹖」


真空管整流与半导体整流的比较


  我曾与几位杂志社的几位作者,如熊园伟、黄卓骏、向精业、林大惟等人做过二极体与真空管整流的比较,高压电源为280V-0-280V,分别用Motorola IN4007二极体与Mullard CV378互做比较,用半导体整流后的电压为420V,而用真空管整流后的电压为385V(均为加上负载值),稳压后的电压均为230V(加上负载值)。其结果分述如下: 
一、二极体整流的音场与声音都比较扁,声音较尖,有砂砾的粗糙味道,所谓的砂砾味就是指声音的密度很疏,而且声音有渣,纯净度低,这就是电晶体的味道。
二、二极体整流的听感频率响应较窄,声音较模糊,尤其是低音不干净,一团一坨的化不开,高音遇强音时会变尖,乐器的音像也比较扁、瘦。
三、用真空管整流的声音比用二极体整流的声音大很多,好象音量控制加大两、三格似的,奇怪的是用真空管整流后的电压比二极体低,而反而声音比较大。
四、真空管整流的音场大很多,不论是高、宽、深都好很多,乐器前、后排列的位置拉长,后场透视清楚很多。频率响应也宽很多,高、低两端都延伸太多。 
五、真空管整流的声音圆、润、透、声音厚、有韵、没渣、音乐有表情,乐器的音像也比较大,不会瘦扁,而且乐器有厚度,比较立体。 
以上这些现象我们试获一个结论:真空管整流的波形为连续的正弦波;而二极体因开关作用,在作整流时,呈现的波形是较不连续的锯齿波,声音听起来也较不连续。
 

真空管整流的另二大好处

  另外真空管整流还有二极体整流所没有的好处:一是真空管整流的高压直流是慢慢升起的,因此可使放大管先热灯丝后才送高压进去,所以得以防止高压的脉冲而延长真空管的寿命。另一是滤波电容器的电压也是慢慢升起的,也因此也延长了滤波电容的寿命。

 

PS2真空管稳压电路说明

  「稳压电路视同放大电路之一部份,其性能亦影响放大器的性能。」这是本刊技术顾问郭哲诚先生在第74及75期的「设计一个真空管前级用的稳压线路」中的一段话,在正式进入本文稳压电路说明之前,我希望同好们能再仔细看一遍郭先生的这篇文章,将会对您有很大的助益。 
  
71期我只发表了PS-2的真空管整流的部份,而未发表真空管稳压的电路部份,所以这一期我继续来说明PS-2的真空管稳压电路部份。 其实真空管的稳压电路与电晶体的稳压电路原理都差不多,只不过把电晶体换为真空管而已,虽然如此,但由于主动组件不同,两者之间的特性也会不同。 
  
(图一)可以说是最基本的晶体稳压电路,读者可对照(图二)的真空管稳压电路,互作比较,就可发现这真空管的稳压电路与电晶体稳压电路是大同小异的了。

   

  V1是真空管整流管,我在前面已说明二极体整流后的直流电压比真空管整流高很多,因此当使用真空管稳压时需要较高的交流电压,在这里我们使用280V-0-280V。 
  由于整流管不能使用太大的滤波电容,滤波效率较低,因此我们在这里需要再经过一个简单的π型滤波器来加强滤波效果,这里我们用C1、C2与R1,也就是50uF+50uF的电容器与330Ω/2W的电阻来组成这π型滤波电路,不要小看这简单的π型滤波电路,其滤波的效果比仅用一支大容量的电容器要好很多,而且π形滤波的声音也要比只用一级滤波好的多,这将在本文的后面再提出说明的。 
  经过滤波之后的直流电压进入控制单元的V2屏极,由于稳压电路需稳多支电压放大管之需,所以这里我们使用到大电流的强放管,像KT-88、6550A、EL-34、6L6GC、12E1等,当然您也可用6BQ5之类的小型功率管,但用较大型的功率管容裕度较高,声音亦有所不同。 
  这支真空管的作用,与原电晶体稳压电路的Q1、Q2所组成的控制单元是一样的,其内阻对于负荷电流能发生可变电阻作用,将会随着输出电压的变化而成为自动降压电阻,使输出的电压一定。 
  而这支真空管是接成三极管来使用的,把五极管的帘栅极与屏极相连就成为三极管了,很多人会在帘栅极与屏极之间串一支约100Ω左右的电阻,来保护帘栅极,但我个人比较喜欢尽量少用零件,因为多一个零件就会多一种声音,读者们可依自己意愿加或不加,如想加时,可在V2的第3脚屏极与第4脚帘栅极之间加上一支100Ω/1W的电阻,如使用12E1强放管时建议一定要用。 
  又由于真空管不似电晶体那么不耐电压的冲击,所以我们在这里也不使用限流电阻,又少掉一个污染声音的来源。 
  
V3是误差放大级,其作用与原电晶体稳压电路的Q3一样,其栅极电压由输出负荷电压中抽取,而其阴极则由稳定的V4参考电源供应,当输出电压随着输入电压变动而发生变化时,经过V3的栅极加以放大,立即表现于V3屏极电阻R2的两端,然后送到V2的栅极,而V2的屏内阻即会随着栅极的变动而变化,因而得以调整电源电压的变动,使输出保持一定。原则上V3也是放大率愈高愈好,而真空管的五极管放大率较三极管高,所以此处我们采用一支五极管的EF-86,当然也可一改为一支三极管来放大,这在后面还会有说明。 
  R2的180KΩ就是EF-86的屏极电阻,帘栅极我们使用R3的100KΩ电阻。 
  屏极电阻也可以接在V2的输出端,但我之所以要接在前面较高电压之处的原因是为了获得较高的动态,前面的电压为385V,而输出端的电压只有230V。但帘栅极并不需使用太高的电压,所以我们接到稳压之后的输出处。 
  又为求得「全真空管稳压」的效果,所以参考基准电压我们也使用气体放电二极稳压真空管V4来做参考电压,而不采用一般的晶体稽纳二极体,气体放电管有正规辉光放电、异状辉光放电与弧光放电等特性,在其正规放电的范围内,是不会受输入电压影响的,也不会受负荷变化的影响,因此输出的电压始终都是一定的,所以我们就利用这种特性来作为稳定电压之用。 
  气体放电管有许多种,但我为了考虑到气体放电管的耗电问题,所以采用了一支较新型的5651A气体放电管来做为参考电压之用,因为5651A只需1.5mA~3.5mA就可以工作,比起其它的气体放电管如OA2、OB2、 OC2等需要5mA~30mA的电流要少多了,这支气体放电管可以提供85.5V的基准电压,所需的电流系由R4来提供,本机的稳压后电压为230V,如我们用3mA来提供给V4,则依R(电阻)=E(电压)/I(电流)的公式计算为80KΩ,如果找不到80KΩ的电阻,可用82KΩ来取代。 
  提到这里,我必需要说明一些5651A的特性,5651A的电压调整自1.5mA~3.5mA会有大约3V的电压变动变化,也就是说给的电流高一点,电压就高一点,电流低一点电压就低一点。5651A的工作电压变动率为0.05%,相当稳定。气体放电管的最大优点是杂音要比稽纳二极体低太多,使用稽纳二极体时必需要用很大容量的电容器(还要并联一支小容量的PP质电容器)并联在稽纳二极体上,以滤除稽纳二极体的杂音,但使用气体放电管由于气体放电管本身的杂音极低,并不需要使用电容器来滤波,也因此就不会加入滤波电容器的音色,「少只香炉少只鬼」,声音纯净度又将会提高不少。真空管特性表都会建议使用者并联一支小电容器,依不同的编号而有所不同,5651A的并联电容是0.02uF,但是我不用,至于您要不要用,就请您自己决定了。 
  气体放电管的另一个好处是音质要比稽纳二极体好,不会有晶体的尖锐粗糙声,因为稽纳二极体除了有晶体声的特色之外,而且也是晶体中声音最难听、最脏的。 
  
R5、R6是分压电路,电流约1mA左右,分压点的取样电压供给误差放大级之用。 
  本机的工作原理与晶体稳压电路可说是非常类似,分压电压值相等于参考电压气体放电管的85.5V,如果输出电压有变动,都会经过比较器V3与参考电压比较,测出的误差水平经V3放大后,用来驱动控制单元的V2,而使得V2像一支可变电阻,当输入电压变动时,控制单元就自动变换阻值使输出电压一定而达到稳压的目地。 
  另外真空管与电晶体稳压不同之处是真空管的放大率小于1,所以栅极与阴极间的米勒效应(Miller Effect)的等效电容较小,因而频宽较电晶体稳压电路宽(想不到吧!)。 
  又本机最好不要在输出端接装滤波电容器,原因是装滤波电容器会使得频宽受限于稳压输出阻抗与滤波电容器形成的CR网络之时间常数,且输出阻抗的线性会变差,又可避免滤波电容器的音色渲染,而使声音纯净很多,因为电解质电容器的声音是所有电容器中最脏的,如有必需,我们可在输出端并联一支PP质的小电容器来增加高频的稳定性,有兴趣的朋友可试试加滤波电容器或PP质电容器与不加电容器的声音比较。 
  另要注意的是电路图上的6.3V灯丝组是不接地的,需将灯丝其中一端接在误差放大管的阴级上,让强放管与误差放大管的灯丝垫高,原因是强放管与误差放大管的阴级电压均已超过各阴级与灯丝的耐压值,因此需将强放管与误差放大管的灯丝加上一个气体放电管的电压值。

 

稳压电路的输出阻抗

  另外我们也可以来测量一下本稳压电路的输出阻抗,所谓的输出阻抗仍负载电流变化所影响输出电压变化,
公式是: 
Z=△E/△I 
  测量的方法很简单,可以用个电压表测量输出有无负载的电压变化,无负载时的输出电流为0,测量一下无负载的输出端电压值,然后再测量加上负载后(即前级)的电压值,代入上面公式即为输出阻抗。 
  根据实测这台前级的电流约为20mA左右,也可以用一支12KΩ的电阻并联在输出端做为负载,需注意的是其输出阻抗值会因使用的强放管有所不同。
  依公式Z=△E/△I
 =未加负载时的输出电压)-(加上负载时的输出电压)/20mA-0mA 
  有兴趣的朋友不妨自己测试一下。 
 

涟波高低与声音的关系

  这个真空管的稳压电路就这么简单,我曾经与我们在美国的技术顾问郭哲诚先生讨论过,郭先生认为这个电路可能会有开阔及宽广的声音,低频亦佳,但其涟波排斥比较低,因真空管的屏─阴阻抗约有数KΩ左右,设其为5KΩ,因此1V的P─K电压变化会在V2输出阴极产生0.2mA的电流造成涟波,因而设计了二种涟波排斥比较高的电路给我们的读者,如(图三)与(图四),有兴趣的同好不妨试试。

  如采用(图三)EF86用五极管的接法,则可用R7、R8 之分压接至EF86的G2,在理论上应可在一个点得到最低的涟波,实际的值可用VR调整分压使涟波最低。 
  后经过我多次的实验,发现这个稳压电路每变动一次,输出的涟波都不相同,声音也大不相同,本机在最早做此实验时,只用了一级滤波,滤波电容为100uF,而并未使用π形滤波,此时的输出加上实际前级的负载涟波为90mV。 
  兹把我实验的结果归纳下列几点:

一、把EF86的屏极电阻改为22KΩ,并改由V2的输出供电,照理说屏极电阻改由稳压之后供电应该涟波较低才对,结果反而较高,为160mV,猜想是由于EF86的屏极电阻降低而使得误差比较放大级的放大率较低而使的涟波排斥比较差之故。

此时的声音比较紧,频率响应较窄,音场的高度降低,动态变小。

二、EF86依然用22KΩ的屏极电阻,但帘栅极改由R7、R8的82KΩ与220KΩ分压供应,涟波降低到只有22mV,此时的声音干净很多,但音场变浅。

三、EF86的屏极仍改由V2之前的180KΩ供应,帘栅极仍由82KΩ与220KΩ分压取得,此时的涟波为50mV,但由示波器看到的涟波线条较细。 声音比较有肉,声音的密度也较高,频率响应较宽,乐器的发声顺序较佳,但音场仍浅。

四、依照郭哲诚先生提供的方法,调整EF86帘栅极的供电为150KΩ与220KΩ分压,此时的涟波只有20mV,但涟波的线条较粗。此时的频率响应较宽,声音的密度更高,但高频杂音较为明显,猜想是电阻的阻值提高,热噪音增加之故。

五、把EF86改为三极管的接法,当然150KΩ及220KΩ的分压就用不到了,此时的涟波又增加到100mV,可见误差比较器的增益与涟波排斥比有关。 
  此时的频率响应变窄,但声音的密度更高,细节与微动更多,高音变的非常平顺自然,声音的纯净度也有提高,这等于是三极管与五极管之差别,可见三极管的声音还是要比五极管好很多。

六、改用π形滤波电路:以上都实验过之后,最后再试π形滤波的功能,先前已经提过,最早的滤波只用一支滤波电容,这次加上一支100 Ohms的电阻形成一个π形滤波电路,稳压电路仍为上一次的三极管EF86的接法,此时的输出涟波又降低到20mA。 
  再试声音,这次可不得了了,频率响应最宽,尤其是高频的延伸与量感的增多,不但音场好,而且舞台乐器的排列最清楚,连第一与第二小提琴都能分辨出来,细节多出一箩筐。音色与音质也大幅改善,声音圆、润、有韵,而且饱满,宽厚,且不会发肥,差别的程度是非常大的。 
  为了输出涟波更低,又把π形滤波的电阻加大到330Ω,最后的定案就是(图一)的电路,所不同的是(图一)的EF86仍为五极管的接法,这是为求更低的涟波而决定的,希望读者能自己试试EF86三极与五极接法的声音差别而自己决定用五极管或三极管的声音。 
  我自己试过很多种三极管,其中有一支声音最好,但这支真空管在台湾是买不到的,所以在这里就不提出来。

经过这次的实验,有一统计的结果: 
  涟波愈低,听感的频率响应愈宽。 
  涟波的线条愈细,声音的纯净度愈高。

  但这并不能在稳压输出加上滤波电容器来更进一步地改善涟波,我曾试过在稳压的输出地方加装一支220uF的滤波电容器,涟波虽然会降低到不可测的地步,但声音变拖、变粗、变燥、变脏,这都是来自于电容器本身的音色,所以稳压之后最好还是不要用滤波电容器较好。

  也有人问把π形滤波的电阻改为滤波线圈不是涟波会更低吗? 
  是的,用滤波线圈的效果要比用电阻的效果好太多,但一般前级扩大机的电源电流很小,涟波比后级要小很多,所以很少有人在前级电源用滤波线圈的,当然也可以使用滤波线圈来滤波。

 

为什么要把灯丝电源分开﹖

  我们都知道稳压电路的最大优点是可以改进电源的稳定与各级放大电路电源之间的串音,而使得互调失真降低,声音的清晰度提高,其实我们如能使用分离的电源变压器也有稳定电源与降低级与级之间的串音问题,譬如每一级放大级都使用单独的电源变压器。 
  但另一个问题是真空管的灯丝电源如与高压电源共享一支电源变压器,也会使灯丝与高压之间相互影响,所以如能把高压电源与灯丝电源分别使用独立的电源变压器也可改善声音的清晰度的。 
  根据我实际的实验,把原Oboe的电源变压器灯丝线圈拆掉而改用另一支灯丝专用电源变压器后,声音更透明、更纯净,层次更分明,声音的毛边降低,密度提高,而且声音更饱满,频率响应也更宽,乐器的轮廓更明晰,乐器与乐器之间分的更开、更清楚,尤其是舞台上乐器纵深的间隔更明显,更难能可贵的是音场的后场左右两边会清楚,这是很少扩大机包括极昂贵的能达到的,所以多用一支灯丝电源变压器,其好处是非常难能可贵的,在「原装进口」的扩大机几乎是找不到的。
 
 

关于真空管

  本机共使用了四支真空管,其中较为重要的是整流管与强放管,我曾在以前提到过,我听过最好的整流管是WE274B,GEC的CV378,再来是GEC的CV378,体型较胖,再次为体型较瘦的MullardCV378,其它 如RCA梨型管的5U4GB的声音亦相当好。 
  强放管我也试过很多,包括GEC的KT88、KT66(这两支管子都要好几千元一支),Mullard的EL34,GE的 6550A,RCA的6L6GC,Mullard或ITT的CV345/12E1,当然还有各式其它强放管与各式各样的大陆管。 
  其中最好听的反而是价格并不太贵的CV345/12E1,但是这支管子的屏极是在顶上的,需要用屏帽,我们只要用一条1.2mm的纯银线把屏帽连接到真空管座的第3脚即可当做其它的强放管使用,也可以由管座的第3脚拉一条纯银线由旁边的散热孔伸出来接到12E1的屏极。又EL34/6CA7的接脚与其它的强放管不同,但我们只要把第1及第8脚连在一起就可以使用全部的真空管了。 
  
EF86的管子也是以GEC或Mullard较好。5651A虽然也有声音好坏之分,但这支管子的影响并没有其它的管子大,而且市面的种类也不多,没有什么选择的余地,但无论怎么说,声音都要比纳二极体好太多。

关于焊锡 
  
天蚕变的作者林大惟君本来认为焊锡虽然重要,但总不如其它的零件那么大吧,但有一次认真比较过,发现焊锡的声音差别竟然比其它零件的差别还要大很多,而告诉我说:「如果只比一个焊点的话,差别程度就与比较电阻、线材或电容器也差不多大了,但一台机器的焊点有那么多,整体下来其声音的差别要比整体零件的差别更大数倍!」可见焊锡的差别可以说是全部零件中最重要的了。 
  另一位台中的王先生曾装过两台Oboe前级,所有的零件都完全一样,但起先的一套是用他认为是最好声的Siltech焊锡,因为那时还不知道有Kester的焊锡,后来的一台用Kester,结果竟然声音完全不同,要比Siltech的声音好太多! 
  另一位桃园的林清伟先生也认为Kester的焊锡由于没有铅的成份,所以声音也最纯净,而且这种焊锡的附着性极佳,焊点特别牢固,且频率响应宽且平,所以不必采用多种焊锡的方法,而只要用这一种焊锡就可,但他认为这种焊锡的缺点是直径太粗,焊点不够亮,小接点如IC或小黑豆晶体的接脚也比较不好焊。 
  还有台北的吴正源先生对焊锡已有多年的研究,他也认为Kester焊锡的声音纯,频率响应宽,附着力特强,但也认为这种焊锡并不太好用,经他多次的实验,可以解决小焊点的问题,其方法是用斜口钳先把焊锡削成斜口,不但焊锡的头变小,而且也较容易吃到焊锡中央的焊油,这样就可以焊小焊点了,只不过每焊一个小焊点就要削斜一次,这个方法不妨提供读者们做为参考。 
  虽然理论上焊锡只是连接零件与零件的接点,但是焊锡本身亦有导电的功能,与线的作用一样,而且焊锡对零件的接点是否牢固有密切的关系,对声音也当然会有所关联,也因此自己装迷们对焊锡的品质要求就高,试想有那家音响厂商研究过焊锡的声音变化而用好声的焊锡的呢﹖ 
  我自己也曾试过多种焊锡,包括台湾能买到的及到外国买的,试遍音响专用发烧焊锡之后也找非音响用途的焊锡,最后找到Kester焊锡,据美国的郭哲诚先生告诉我,这种 焊锡原来是专门焊不琇钢水管用的,因为要食用,所以不能有铅的成份,因为铅是有毒的,另外焊水管必需特别牢靠,否则会漏水会渗水,所以这种焊锡的附着性要特别强,正好符合音响的条件,我也觉的用Kester焊锡就不必再用其它的焊锡,因为这种焊锡的频率响应非常平坦,不必互补。

本机的安装 
  
我自己较为喜欢搭棚式的装机法,所以我采用搭棚式的装机法,幸好这个电路内使用的零件并不多,只要依照(图五)的实体安装图安装,即使是初学者,我想也不会有问题的。 
  另外有关零件方面,目前以台北的唐竹公司零件较为齐全,各厂牌、各等级的零件都有,不必跑三家,倒是方便不少。 
  装机的顺序是非常重要的,可达事半功倍之效,本机的装机顺序如下: 
  一、管座、电源开关、保险丝座、电源插座、直流输出座。本机随机箱所附的管座全部由机箱内部安装,其中9脚管座较机箱开口大,但还是要由内部安装,是故管座面是埋在机箱的底面,会较其它的管座低些。 
  另外附图的示范系以美规的管座为例,如果您用的管座方向不同的话,请自行依照实际的管座方向安装。 
  二、电源变压器、高压滤波电容,地线柱。 
  三、电源变压器配线。 
  四、纯银单蕊线。 
  五、灯丝接线排、灯丝整流器、灯丝滤波电容器。需注意的是灯丝接线柱的中央柱系焊接在电源插座的中间柱上来固定接线柱的。 
  六、直流电源线,使用的是Neutrik 3P的插头,一公一母,母头连接电源供应器的输出,公头连接到前级的主机箱上,连接线可用纯银单蕊线,或Audio Research的96蕊Litz线。 
  七、插上个真空管,先不要连到前级,开机测试高、低压都正常之后再关机。 
  八、如果您原来的前级是用晶体稳压的话,就必需先把原来前级电路板上所有的晶体稳压电路零件拆除,直流电源的插座也改为Neutric 3P式的,高压线用单蕊纯银线直接接到子稳压的高压输入端即可。

  装好之后就可以好好享受全真空管整流稳压的声音了。


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