PS-2真空管穩壓器

本文發表於現代音響第71期(1994年4月號)

作者:本站站長

我在現代音響雜誌71期發表的「PS-2真空管電源供應」,各方面的反應都很好,有許多自己裝迷們都裝過了,也都認為真空管整流比晶体二極体整流的聲音圓潤、甜美、飽滿、有韻、透明、立体....等等,最主要是真空管的音色類真度高,比較像是真實樂器的聲音。

其中有一位內湖的鄔先生他的話可做為代表,他說:「我的Oboe真空管整流、穩壓已經裝好了,加了真空管穩壓,真想不到會有如此大的改善,音樂性真好的沒話說,音響性也好,真是全面性的三級跳!」

您知他以前問過什麼話:「真空管整流、穩壓電源供應是否比二極体整流好聲﹖據聞真空管整流速度慢,漣波大,若系統的聲音厚度已夠,速度也慢,再用真空管整流聲音會拖、肥﹖」

真空管整流與半導体整流的比較

我曾與幾位雜誌社的幾位作者,如熊園偉、黃卓駿、向精業、林大惟等人做過二極体與真空管整流的比較,高壓電源為280V-0-280V,分別用Motorola IN4007二極体與Mullard CV378互做比較,用半導体整流後的電壓為420V,而用真空管整流後的電壓為385V(均為加上負載值),穩壓後的電壓均為230V(加上負載值)。其結果分述如下:

一、二極体整流的音場與聲音都比較扁,聲音較尖,有砂礫的粗糙味道,所謂的砂礫味就是指聲音的密度很疏,而且聲音有渣,純淨度低,這就是電晶体的味道。

二、二極体整流的聽感頻率響應較窄,聲音較糢糊,尤其是低音不乾淨,一糰一坨的化不開,高音遇強音時會變尖,樂器的音像也比較扁、瘦。

三、用真空管整流的聲音比用二極体整流的聲音大很多,好像音量控制加大兩、三格似的,奇怪的是用真空管整流後的電壓比二極体低,而反而聲音比較大。

四、真空管整流的音場大很多,不論是高、寬、深都好很多,樂器前、後排列的位置拉長,後場透視清楚很多。頻率響應也寬很多,高、低兩端都延伸太多。

五、真空管整流的聲音圓、潤、透、聲音厚、有韻、沒渣、音樂有表情,樂器的音像也比較大,不會瘦扁,而且樂器有厚度,比較立体。

以上這些現象我們試獲一個結論:真空管整流的波形為連續的正弦波;而二極体因開關作用,在作整流時,呈現的波形是較不連續的鋸齒波,聲音聽起來也較不連續。

真空管整流的另二大好處

另外真空管整流還有二極体整流所沒有的好處:一是真空管整流的高壓直流是慢慢升起的,因此可使放大管先熱燈絲後才送高壓進去,所以得以防止高壓的脈衝而延長真空管的壽命。另一是濾波電容器的電壓也是慢慢升起的,也因此也延長了濾波電容的壽命。

PS2真空管穩壓電路說明

「穩壓電路視同放大電路之一部份,其性能亦影響放大器的性能。」這是本刊技術顧問郭哲誠先生在第74及75期的「設計一個真空管前級用的穩壓線路」中的一段話,在正式進入本文穩壓電路說明之前,我希望同好們能再仔細看一遍郭先生的這篇文章,將會對您有很大的助益。

71期我只發表了PS-2的真空管整流的部份,而未發表真空管穩壓的電路部份,所以這一期我繼續來說明PS-2的真空管穩壓電路部份。

其實真空管的穩壓電路與電晶体的穩壓電路原理都差不多,只不過把電晶体換為真空管而已,雖然如此,但由於主動元件不同,兩者之間的特性也會不同。

(圖一)可以說是最基本的晶體穩壓電路,讀者可對照(圖二)的 真空管穩壓電路,互作比較,就可發現這真空管的穩壓電路與電晶体穩壓電路是大同小異的了。

V1是真空管整流管,我在前面已說明二極体整流後的直流電壓比真空管整流高很多,因此當使用真空管穩壓時需要較高的交流電壓,在這裡我們使用280V-0-280V。

由於整流管不能使用太大的濾波電容,濾波效率較低,因此我們在這裡需要再經過一個簡單的π型濾波器來加強濾波效果,這裡我們用C1、C2與R1,也就是50uF+50uF的電容器與330Ω/2W的電阻來組成這π型濾波電路,不要小看這簡單的π型濾波電路,其濾波的效果比僅用一支大容量的電容器要好很多,而且π形濾波的聲音也要比只用一級濾波好的多,這將在本文的後面再提出說明的。

經過濾波之後的直流電壓進入控制單元的V2屏極,由於穩壓電路需穩多支電壓放大管之需,所以這裡我們使用到大電流的強放管,像KT-88、6550A、EL-34、6L6GC、12E1等,當然您也可用6BQ5之類的小型功率管,但用較大型的功率管 容裕度較高,聲音亦有所不同。

這支真空管的作用,與原電晶体穩壓電路的Q1、Q2所組成的控制單元是一樣的,其內阻對於負荷電流能發生可變電阻作用,將會隨著輸出電壓的變化而成為自動降壓電阻,使輸出的電壓一定。

而這支真空管是接成三極管來使用的,把五極管的簾柵極與屏極相連就成為三極管了,很多人會在簾柵極與屏極之間串一支約100Ω左右的電阻,來保護簾柵極,但我個人比較喜歡盡量少用零件,因為多一個零件就會多一種聲音,讀者們可依自己意願加或不加,如想加時,可在V2的第3腳屏極與第4腳簾柵極之間加上一支100Ω/1W的電阻,如使用12E1強放管時建議一定要用。

又由於真空管不似電晶体那麼不耐電壓的衝擊,所以我們在這裡也不使用限流電阻,又少掉一個污染聲音的來源。

V3是誤差放大級,其作用與原電晶体穩壓電路的Q3一樣,其柵極電壓由輸出負荷電壓中抽取,而其陰極則由穩定的V4參考電源供應,當輸出電壓隨著輸入電壓變動而發生變化時,經過V3的柵極加以放大,立即表現於V3屏極電阻R2的兩端,然後送到V2的柵極,而V2的屏內阻即會隨著柵極的變動而變化,因而得以調整電源電壓的變動,使輸出保持一定。原則上V3也是放大率愈高愈好,而真空管的五極管放大率較三極管高,所以此處我們採用一支五極管的EF-86,當然也可一改為一支三極管來放大,這在後面還會有說明。

R2的180KΩ就是EF-86的屏極電阻,簾柵極我們使用R3的100KΩ電阻。

屏極電阻也可以接在V2的輸出端,但我之所以要接在前面較高電壓之處的原因是為了獲得較高的動態,前面的電壓為385V,而輸出端的電壓只有230V。但簾柵極並不需使用太高的電壓,所以我們接到穩壓之後的輸出處。

又為求得「全真空管穩壓」的效果,所以參考基準電壓我們也使用氣体放電二極穩壓真空管V4來做參考電壓,而不採用一般的晶体稽納二極体,氣体放電管有正規輝光放電、異狀輝光放電與弧光放電等特性,在其正規放電的範圍內,是不會受輸入電壓影響的,也不會受負荷變化的影響,因此輸出的電壓始終都是一定的,所以我們就利用這種特性來作為穩定電壓之用。

氣体放電管有許多種,但我為了考慮到氣体放電管的耗電問題,所以採用了一支較新型的5651A氣体放電管來做為參考電壓之用,因為5651A只需1.5mA∼3.5mA就可以工作,比起其它的氣体放電管如OA2、OB2、 OC2等需要5mA∼30mA的電流要少多了,這支氣体放電管可以提供85.5V的基準電壓,所需的電流係由R4來提供,本機的穩壓後電壓為230V,如我們用3mA來提供給V4,則依R(電阻)=E(電壓)/I(電流)的公式計算為80KΩ,如果找不到80KΩ的電阻,可用82KΩ來取代。

提到這裡,我必需要說明一些5651A的特性,5651A的電壓調整自1.5mA∼3.5mA會有大約3V的電壓變動變化,也就是說給的電流高一點,電壓就高一點,電流低一點電壓就低一點。5651A的工作電壓變動率為0.05%,相當穩定。氣体放電管的最大優點是雜音要比稽納二極体低太多,使用稽納二極体時必需要用很大容量的電容器(還要並聯一支小容量的PP質電容器)並聯在稽納二極体上,以濾除稽納二極体的雜音,但使用氣体放電管由於氣体放電管本身的雜音極低,並不需要使用電容器來濾波,也因此就不會加入濾波電容器的音色,「少隻香爐少隻鬼」,聲音純淨度又將會提高不少。真空管特性表都會建議使用者並聯一支小電容器,依不同的編號而有所不同,5651A的並聯電容是0.02uF,但是我不用,至於您要不要用,就請您自己決定了。

氣体放電管的另一個好處是音質要比稽納二極体好,不會有晶體的尖銳粗糙聲,因為稽納二極体除了有晶体聲的特色之外,而且也是晶体中聲音最難聽、最髒的。

R5、R6是分壓電路,電流約1mA左右,分壓點的取樣電壓供給誤差放大級之用。

本機的工作原理與晶体穩壓電路可說是非常類似,分壓電壓值相等於參考電壓氣体放電管的85.5V,如果輸出電壓有變動,都會經過比較器V3與參考電壓比較,測出的誤差水平經V3放大後,用來驅動控制單元的V2,而使得V2像一支可變電阻,當輸入電壓變動時,控制單元就自動變換阻值使輸出電壓一定而達到穩壓的目地。

另外真空管與電晶体穩壓不同之處是真空管的放大率小於1,所以柵極與陰極間的米勒效應(Miller Effect)的等效電容較小,因而頻寬較電晶体穩壓電路寬(想不到吧!)。

又本機最好不要在輸出端接裝濾波電容器,原因是裝濾波電容器會使得頻寬受限於穩壓輸出阻抗與濾波電容器形成的CR網路之時間常數,且輸出阻抗的線性會變差,又可避免濾波電容器的音色渲染,而使聲音純淨很多,因為電解質電容器的聲音是所有電容器中最髒的,如有必需,我們可在輸出端並聯一支PP質的小電容器來增加高頻的穩定性,有興趣的朋友可試試加濾波電容器或PP質電容器與不加電容器的聲音比較。

另要注意的是電路圖上的6.3V燈絲組是不接地的,需將燈絲其中一端接在誤差放大管的陰級上,讓強放管與誤差放大管的燈絲墊高,原因是強放管與誤差放大管的陰級電壓均已超過各陰級與燈絲的耐壓值,因此需將強放管與誤差放大管的燈絲加上一個氣体放電管的電壓值。

穩壓電路的輸出阻抗

另外我們也可以來測量一下本穩壓電路的輸出阻抗,所謂的輸出阻抗仍負載電流變化所影響輸出電壓變化,公式是:

Z=△E/△I

測量的方法很簡單,可以用個電壓表測量輸出有無負載的電壓變化,無負載時的輸出電流為0,測量一下無負載的輸出端電壓值,然後再測量加上負載後(即前級)的電壓值,代入上面公式即為輸出阻抗。

根據實測這台前級的電流約為20mA左右,也可以用一支12KΩ的電阻並聯在輸出端做為負載,需注意的是其輸出阻抗值會因使用的強放管有所不同。

依公式Z=△E/△I

=未加負載時的輸出電壓)-(加上負載時的輸出電壓)/20mA-0mA

有興趣的朋友不妨自己測試一下。

漣波高低與聲音的關係

這個真空管的穩壓電路就這麼簡單,我曾經與我們在美國的技術顧問郭哲誠先生討論過,郭先生認為這個電路可能會有開闊及寬廣的聲音,低頻亦佳,但其漣波排斥比較低,因真空管的屏─陰阻抗約有數KΩ左右,設其為5KΩ,因此1V的P─K電壓變化會在V2輸出陰極產生0.2mA的電流造成漣波,因而設計了二種漣波排斥比較高的電路給我們的讀者,如(圖三)與(圖四),有興趣的同好不妨試試。

如採用(圖三)EF86用五極管的接法,則可用R7、R8 之分壓接至EF86的G2,在理論上應可在一個點得到最低的漣波,實際的值可用VR調整分壓使漣波最低。

後經過我多次的實驗,發現這個穩壓電路每變動一次,輸出的漣波都不相同,聲音也大不相同,本機在最早做此實驗時,只用了一級濾波,濾波電容為100uF,而並未使用π形濾波,此時的輸出加上實際前級的負載漣波為90mV。

茲把我實驗的結果歸納下列幾點:

一、把EF86的屏極電阻改為22KΩ,並改由V2的輸出供電,照理說屏極電阻改由穩壓之後供電應該漣波較低才對,結果反而較高,為160mV,猜想是由於EF86的屏極電阻降低而使得誤差比較放大級的放大率較低而使的漣波排斥比較差之故。

此時的聲音比較緊,頻率響應較窄,音場的高度降低,動態變小。

二、EF86依然用22KΩ的屏極電阻,但簾柵極改由R7、R8的82KΩ與220KΩ分壓供應,漣波降低到只有22mV, 此時的聲音乾淨很多,但音場變淺。

三、EF86的屏極仍改由V2之前的180KΩ供應,簾柵極仍由82KΩ與220KΩ分壓取得,此時的漣波為50mV,但由示波器看到的漣波線條較細。

聲音比較有肉,聲音的密度也較高,頻率響應較寬,樂器的發聲順序較佳,但音場仍淺。

四、依照郭哲誠先生提供的方法,調整EF86簾柵極的供電為150KΩ與220KΩ分壓,此時的漣波只有20mV,但漣波的線條較粗。此時的頻率響應較寬,聲音的密度更高,但高頻雜音較為明顯,猜想是電阻的阻值提高,熱噪音增加之故。

五、把EF86改為三極管的接法,當然150KΩ及220KΩ的分壓就用不到了,此時的漣波又增加到100mV,可見誤差比較器的增益與漣波排斥比有關。

此時的頻率響應變窄,但聲音的密度更高,細節與微動更多,高音變的非常平順自然,聲音的純淨度也有提高,這等於是三極管與五極管之差別,可見三極管的聲音還是要比五極管好很多。

六、改用π形濾波電路:以上都實驗過之後,最後再試π形濾波的功能,先前已經提過,最早的濾波只用一支濾波電容,這次加上一支100 Ohms的電阻形成一個π形濾波電路,穩壓電路仍為上一次的三極管EF86的接法,此時的輸出漣波又降低到20mA。

再試聲音,這次可不得了了,頻率響應最寬,尤其是高頻的延伸與量感的增多,不但音場好,而且舞台樂器的排列最清楚,連第一與第二小提琴都能分辨出來,細節多出一籮筐。音色與音質也大幅改善,聲音圓、潤、有韻,而且飽滿,寬厚,且不會發肥,差別的程度是非常大的。

為了輸出漣波更低,又把π形濾波的電阻加大到330Ω,最後的定案就是(圖一)的電路,所不同的是(圖一)的EF86仍為五極管的接法,這是為求更低的漣波而決定的,希望讀者能自己試試EF86三極與五極接法的聲音差別而自己決定用五極管或三極管的聲音。

我自己試過很多種三極管,其中有一支聲音最好,但這支真空管在台灣是買不到的,所以在這裡就不提出來。

經過這次的實驗,有一統計的結果:

•漣波愈低,聽感的頻率響應愈寬。

•漣波的線條愈細,聲音的純淨度愈高。

但這並不能在穩壓輸出加上濾波電容器來更進一步地改善漣波,我曾試過在穩壓的輸出地方加裝一支220uF的濾波電容器,漣波雖然會降低到不可測的地步,但聲音變拖、變粗、變燥、變髒,這都是來自於電容器本身的音色,所以穩壓之後最好還是不要用濾波電容器較好。

也有人問把π形濾波的電阻改為濾波線圈不是漣波會更低嗎?

是的,用濾波線圈的效果要比用電阻的效果好太多,但一般前級擴大機的電源電流很小,漣波比後級要小很多,所以很少有人在前級電源用濾波線圈的,當然也可以使用濾波線圈來濾波。

為什麼要把燈絲電源分開﹖

我們都知道穩壓電路的最大優點是可以改進電源的穩定與各級放大電路電源之間的串音,而使得互調失真降低,聲音的清晰度提高,其實我們如能使用分離的電源變壓器也有穩定電源與降低級與級之間的串音問題,譬如每一級放大級都使用單獨的電源變壓器。

但另一個問題是真空管的燈絲電源如與高壓電源共用一支電源變壓器,也會使燈絲與高壓之間相互影響,所以如能把高壓電源與燈絲電源分別使用獨立的電源變壓器也可改善聲音的清晰度的。

根據我實際的實驗,把原Oboe的電源變壓器燈絲線圈拆掉而改用另一支燈絲專用電源變壓器後,聲音更透明、更純淨,層次更分明,聲音的毛邊降低,密度提高,而且聲音更飽滿,頻率響應也更寬,樂器的輪廓更明晰,樂器與樂器之間分的更開、更清楚,尤其是舞台上樂器縱深的間隔更明顯,更難能可貴的是音場的後場左右兩邊會清楚,這是很少擴大機包括極昂貴的能達到的,所以多用一支燈絲電源變壓器,其好處是非常難能可貴的,在「原裝進口」的擴大機幾乎是找不到的。

關於真空管

本機共使用了四支真空管,其中較為重要的是整流管與強放管,我曾在以前提到過,我聽過最好的整流管是WE274B,GEC的CV378,再來是GEC的CV378,體型較胖,再次為體型較瘦的MullardCV378,其他 如RCA梨型管的5U4GB的聲音亦相當好。

強放管我也試過很多,包括GEC的KT88、KT66(這兩支管子都要好幾千元一支),Mullard的EL34,GE的 6550A,RCA的6L6GC,Mullard或ITT的CV345/12E1,當然還有各式其他強放管與各式各樣的大陸管。

其中最好聽的反而是價格並不太貴的CV345/12E1,但是這支管子的屏極是在頂上的,需要用屏帽, 我們只要用一條1.2mm的純銀線把屏帽連接到真空管座的第3腳即可當做其他的強放管使用,也可以由管座的第3腳拉一條純銀線由旁邊的散熱孔伸出來接到12E1的屏極。又EL34/6CA7的接腳與其他的強放管不同,但我們只要把第1及第8腳連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較好。5651A雖然也有聲音好壞之分,但這支管子的影響並沒有其他的管子大,而且市面的種類也不多,沒有什麼選擇的餘地,但無論怎麼說,聲音都要比稽納二極体好太多。

關於銲錫

天蠶變的作者林大惟君本來認為銲錫雖然重要,但總不如其他的零件那麼大吧,但有一次認真比較過,發現銲錫的聲音差別竟然比其他零件的差別還要大很多,而告訴我說:「如果只比一個 銲點的話,差別程度就與比較電阻、線材或電容器也差不多大了,但一台機器的銲點有那麼多,整体下來其聲音的差別要比整体零件的差別更大數倍!」可見銲錫的差別可以說是全部零件中最重要的了。

另一位台中的王先生曾裝過兩台Oboe前級,所有的零件都完全一樣,但起先的一套是用他認為是最好聲的Siltech銲錫,因為那時還不知道有Kester的 銲錫,後來的一台用Kester,結果竟然聲音完全不同,要比Siltech的聲音好太多!

另一位桃園的林清偉先生也認為Kester的銲錫由於沒有鉛的成份,所以聲音也最純淨,而且這種銲錫的附著性極佳,銲點特別牢固,且頻率響應寬且平,所以不必採用多種 銲錫的方法,而只要用這一種銲錫就可,但他認為這種銲錫的缺點是直徑太粗,銲點不夠亮,小接點如IC或小黑豆晶体的接腳也比較不好銲。

還有台北的吳正源先生對銲錫已有多年的研究,他也認為Kester銲錫的聲音純,頻率響應寬,附著力特強,但也認為這種銲錫並不太好用,經他多次的實驗,可以解決小 銲點的問題,其方法是用斜口鉗先把銲錫削成斜口,不但銲錫的頭變小,而且也較容易吃到銲錫中央的焊油,這樣就可以銲小銲點了,只不過每銲一個小銲點就要削斜一次,這個方法不妨提供讀者們做為參考。

雖然理論上銲錫只是連接零件與零件的接點,但是銲錫本身亦有導電的功能,與線的作用一樣,而且銲錫對零件的接點是否牢固有密切的關係,對聲音也當然會有所關聯,也因此自己裝迷們對 銲錫的品質要求就高,試想有那家音響廠商研究過銲錫的聲音變化而用好聲的銲錫的呢﹖

我自己也曾試過多種銲錫,包括台灣能買到的及到外國買的,試遍音響專用發燒銲錫之後也找非音響用途的銲錫,最後找到Kester銲錫,據美國的郭哲誠先生告訴我,這種 銲錫原來是專門銲不琇鋼水管用的,因為要食用,所以不能有鉛的成份,因為鉛是有毒的,另外銲水管必需特別牢靠,否則會漏水會滲水,所以這種銲錫的附著性要特別強,正好符合音響的條件,我也覺的用Kester銲錫就不必再用其他的 銲錫,因為這種銲錫的頻率響應非常平坦,不必互補。

本機的安裝

我自己較為喜歡搭棚式的裝機法,所以我採用搭棚式的裝機法,幸好這個電路內使用的零件並不多,只要依照(圖五)的實体安裝圖安裝,即使是初學者,我想也不會有問題的。

另外有關零件方面,目前以台北的唐竹公司零件較為齊全,各廠牌、各等級的零件都有,不必跑三家,倒是方便不少。

裝機的順序是非常重要的,可達事半功倍之效,本機的裝機順序如下:

一、管座、電源開關、保險絲座、電源插座、直流輸出座。本機隨機箱所附的管座全部由機箱內部安裝,其中9腳管座較機箱開口大,但還是要由內部安裝,是故管座面是埋在機箱的底面,會較其他的管座低些。

另外附圖的示範係以美規的管座為例,如果您用的管座方向不同的話,請自行依照實際的管座方向安裝。

二、電源變壓器、高壓濾波電容,地線柱。

三、電源變壓器配線。

四、純銀單蕊線。

五、燈絲接線排、燈絲整流器、燈絲濾波電容器。需注意的是燈絲接線柱的中央柱係焊接在電源插座的中間柱上來固定接線柱的。

六、直流電源線,使用的是Neutrik 3P的插頭,一公一母,母頭連接電源供應器的輸出,公頭連接到前級的主機箱上,連接線可用純銀單蕊線,或Audio Research的96蕊Litz線。

七、插上個真空管,先不要連到前級,開機測試高、低壓都正常之後再關機。

八、如果您原來的前級是用晶体穩壓的話,就必需先把原來前級電路板上所有的晶体穩壓電路零件拆除,直流電源的插座也改為Neutric 3P式的,高壓線用單蕊純銀線直接接到子穩壓的高壓輸入端即可。

裝好之後就可以好好享受全真空管整流穩壓的聲音了。

 

 
 

 

   

 

 
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