Single-Ended vs. Push-Pull - lampowy pojedynek

Wraz z pojawieniem się triod wzmacniających sygnały elektryczne przystąpiono do prac nad konstrukcją wielostopniowych wzmacniaczy. Pierwsze tego rodzaju projekty posiadały architekturę określaną dzisiaj jako “single-ended” - pojedyncza trioda pracująca w stopniu końcowym wzmacniacza. Produkowane w latach dwudziestych ubiegłego wieku wzmacniacze pracowały w obwodach radioodbiorników i gramofonów, których obciążeniem były słuchawki albo wysokoomowe głośniki. Było to podyktowane warunkami pracy konstrukcji lampowych i występowaniem w ich obwodach wysokich napięć przy niewielkich prądach anodowych. Dopiero zastosowanie transformatora wyjściowego pozwoliło na skorzystanie z głośników o niskiej rezystancji. Ważną konsekwencją użycia transformatora było także wyeliminowanie składowej stałej prądu płynącego w obwodach głośnika - spoczynkowy prąd stały płynący przez lampę wyjściową płynął teraz przez uzwojenie pierwotne transformatora i można było stosować szeroką gamę głośników dynamicznych posiadających lepsze parametry akustyczne od stosowanych wcześniej głośników o wysokiej impedancji odpornych na składową stałą.

Single-Ended

Konstrukcja taka nie pozwalała jednak na uzyskanie dużego wzmocnienia. Pierwsze wzmacniacze posiadały poniżej 1 W mocy. Konstruktorzy zaczęli wykorzystywać lampy pracujące z większymi wartościami parametrów: przy większym prądzie i napięciu anodowym. Takie rozwiązanie wymagało jednak odpowiedniego zasilania, co na ogół bywało problematyczne. Pewnym rozwiązaniem stał się pomysł równoległego łączenia kilku lamp (Parallel Single Ended) pracujących w stopniu wyjściowym. Jednak zużycie energii było w takim przypadku wysokie, a sprawność urządzenia niewielka - moc oddawana do głośnika była dużo niższa od mocy pobieranej przez wzmacniacz. Był to zresztą podstawowy zarzut, który wysuwany był w stosunku do konstrukcji SE. Niezależnie od mocy oddawanej do głośnika, stale płynący prąd spoczynkowy powoduje ciągły pobór mocy. Nawet przy braku sygnału wzmacniacz pracuje zamieniając pobieraną energię w ciepło. To warunki, które charakteryzują pracę wzmacniacza w klasie A. Inni zarzucali tego typu projektom zbyt wysoki poziom zniekształceń, i choć niekwestionowaną zaletą konstrukcji SE jest możliwość ustalenia punktu pracy na najbardziej liniowym odcinku charakterystyki, projektanci poszukiwali innych dróg wzmocnienia sygnału.

Push-Pull

W konstrukcjach tego rodzaju nastąpiła zmiana sposobu sterowania lampami - sygnał dzielony jest tutaj na dwie części i wzmacniany przez osobne lampy. Jedna lampa wzmacnia dodatnie, druga ujemne połówki sygnału. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie większych mocy wzmacniacza i wzrost sprawności - zmniejszenie strat układu. Podczas spoczynku nie płynie bowiem prąd, a dopiero pojawienie się odpowiedniej połówki sygnału uruchamia pracę lampy. Ten tryb pracy nazwany został klasą B. We wzmacniaczu tej klasy punkt pracy lampy jest ustawiony na progu przewodzenia, za co odpowiada napięcie polaryzujące siatki. Zastosowane lampy muszą posiadać identyczne charakterystyki.

Sygnału obu lamp sumowane są w specjalnym transformatorze wyjściowym, który posiada odczep zasilający w uzwojeniu pierwotnym, zaś anody lamp podłączone są do obu końców tego uzwojenia. Ponieważ lampy pracują z przeciwnymi połówkami sygnału muszą dostać przebieg odwrócony w fazie, dlatego wzmacniacz tego typu musi być wyposażony w specjalny układ nazywany odwracaczem fazy. 

Układy tego typu są dużo odporniejsze na tętnienia napięcia zasilającego (wpływ prądu o tej samej wartości płynącego w jedną stronę w obu lampach znosi się w transformatorze wyjściowym). Także składowa stała prądu anodowego obu lamp magnesuje rdzeń w przeciwnych kierunkach, skutkiem czego namagnesowanie prądem stałym wzajemnie się redukuje - transformator nie musi zatem posiadać szczeliny powietrznej, może mieć mniejszą liczbę zwojów i rdzeń mniejszych rozmiarów niż transformator pracujący w układzie SE. Podobnie znoszą się parzyste harmoniczne sygnału, przez co układy PP posiadają mniejsze zniekształcenia.

Niestety układy tego typu mogą generować pewne zniekształcenia sygnału zwane zniekształceniami skośnymi. Po złożeniu obu połówek sygnału może się on różnić od podanego na wejście wzmacniacza. Najbardziej problematyczne jest przejście charakterystyki przez “0”. Aby temu zaradzić pracę każdej lampy ustala się tak aby w praktyce obsługiwała trochę więcej niż połówkę sygnału. 

SE vs. PP

Konstrukcje Single-Ended to prostota, mała moc i obecność parzystych harmonicznych. Push-Pull wymagają bardziej skomplikowanych układów (odwracacz fazy, obwód zasilania siatek, transformator głośnikowy), ale dysponują wyższą sprawnością, niższym poziomem zniekształceń i lepszą odpornością na niedoskonałości zasilania. Do mankamentów zaliczyć należy także konieczność zachowania symetrii obwodu - dokładne sparowanie lamp, w celu dopasowania ich charakterystyk. 

Choć konstrukcje typu Push-pull pozbawiły układy SE ich podstawowych mankamentów - małej mocy i dużych zniekształceń harmonicznych, to jednak w opinii wielu melomanów właśnie te drugie uchodzą za niedoścignione w jakości reprodukcji dźwięku. Ich zwolennicy podkreślają wierność przenoszonego sygnału, wierność niedoścignioną dla układów PP, gdzie przejście przez “0” nie może być idealnie liniowe. Za subtelny dźwięk układów single-ended odpowiada także paradoksalnie rodzaj oferowanych zniekształceń. Są to na ogół parzyste harmoniczne, doskonale odbierane przez ludzkie ucho, tworzące niekłamany walor i plastykę dźwiękowego planu. Brak sprzężenia zwrotnego tych układów oraz tzw. fenomen “pierwszego wata” także mają tu znaczenie. Konstrukcje i działanie transformatorów wyjściowych układów SE powodują, że niewielkie sygnały są bardzo wiernie eksponowane - zdaniem ich zwolenników drobne detale, niuanse i drobiazgi są doskonale czytelne, wpływając na walor muzycznego przekazu, choć niekiedy opis takiego brzmienia może trącać budzącą uśmiech magią znaną pod hasłem “audio-voodoo”.