Wzmacniacz w układzie Williamsona – lampowa legenda

0
144

Konstrukcja, w której przypadku termin “legendarna” jest jak najbardziej na miejscu. Przez dziesięciolecia stanowiła poziom odniesienia dla ogromnej liczby lampowych projektów hi-fi, jak również wczesnych wzmacniaczy półprzewodnikowych. Wiele manufaktur produkujących aparaturę audio posiadało w swojej ofercie urządzenia oparte na tym klasycznym układzie i jego późniejszych modyfikacjach, by przypomnieć tylko kultowe McIntosh 50 i QUAD II. 

Klasyk Williamsona

W kwietniu i maju 1947 roku brytyjski magazyn Wireless World opublikował cykl artykułów pod tytułem „Design for a High-quality Amplifier”, których autorem był David Theodore Nelson (DTN) Williamson. Na łamach magazynu przedstawiona i omówiona została konstrukcja, znana później jako “wzmacniacz Williamsona” – zbudowany na triodach (w oryginalnym stopniu wyjściowym wykorzystano tetrody KT66 połączone w układzie triodowym) przeciwsobny (push-pull) stopień końcowy pracujący w klasie A. Układ zaprojektowany z globalnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym, oraz precyzyjnie zaplanowanym potężnym transformatorem wyjściowym. Wzmacniacz charakteryzowały niewielkie zniekształcenia oraz niska oporność wewnętrzna, niestety nie był także zbyt wydajny, co uczyniło go obiektem późniejszych modyfikacji.

Wczesne konstrukcje przeciwsobne w celu uzyskania odpowiednich mocy musiały pracować bez polaryzacji wstępnej, czyli jedynie w klasie B. To jednak generowało wysoki poziom zniekształceń i część konstruktorów zarzuciła tego typu koncepcje na rzecz wzmacniaczy single-ended. Układ Williamsona był swoistą polemiką z obecnymi wówczas i rozwijanymi projektami tego rodzaju. Williamson dowodził, że konstrukcje typu push-pull nie muszą być obarczone nieakceptowalnym poziomem zniekształceń.

Wszystkie wcześniejsze konstrukcje wzmacniaczy wymagały zastosowania transformatorów pomiędzy poszczególnymi stopniami układu. Transformatory sygnałowe są jednak źródłem zniekształceń jeśli nie są objęte lokalnymi pętlami sprzężenia zwrotnego. Możliwość generowania zależnych od częstotliwości przesunięć fazowych sygnału czyniło takie układy dosyć problematycznymi.

Williamson wyeliminował w swym projekcie wszystkie transformatory z wyjątkiem transformatora wyjściowego, który był nieunikniony dla dopasowania wysokiej impedancji wyjścia układu do niskiej impedancji głośnika. Poprzez zastosowanie kondensatorów sprzęgających poszczególne stopnie układu oraz tzw. rozdzielacza fazy uzyskał wejściowe sygnały przeciwfazowe dla symetrycznych stopni wyjściowych push-pull. Przy starannym zaprojektowaniu i wykonaniu transformatora wyjściowego (przenoszącego sygnał w odpowiednim zakresie częstotliwości) Williamson mógł zastosować właściwe ujemne sprzężenie zwrotne w celu ograniczenia zniekształceń. Precyzyjny transformator był tutaj warunkiem koniecznym: zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego na wszystkich stopniach i transformatorze oznacza możliwość wystąpienia wspomnianego przesunięcia fazowego, które w przypadku nieodpowiedniego transformatora mogło powodować niepożądane oscylacje.

Projekt Williamsona wzbudził żywe zainteresowanie i bardzo szybko poddany został kilku modyfikacjom.

Ultra linear

W roku 1952 David Hafler i Herbert Keroes opublikowali w magazynie Audio Engineering artykuł “Ultra Linear Operation Amplifier Williamson” poświęcony modyfikacji obwodu przedstawionego kilka lat wcześniej. Poprzez zastosowanie układu ultra linear (UL) uzyskano zdecydowanie wyższą mocy wzmacniacza przy jedynie tylko nieznacznie większym poziomie zniekształceń i niższym współczynniku tłumienia.

Układ ultra linear przedstawiony został w 1936 przez Alana Blumleina, a w 1951 roku zaimplementowany przez wspomnianych Haflera i Keroesa w obwodzie Williamsona. Jego specyfika polega na zastosowaniu lokalnego sprzężenia zwrotnego dzięki podłączeniu siatki ekranującej do specjalnego odczepu w uzwojeniu pierwotnym transformatora wyjściowego. Zmieniło to działanie lamp z triodowego na pentodowy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym na siatce ekranującej. Odczep musiał być zaprojektowany tak, aby na siatkę trafiało od 20 do 50% składowej zmiennej napięcia anodowego. Dzięki temu wzmacniacz pracował w trybie pomiędzy triodowym (100% sygnału) a pentodowym (0%), przy którym istnieje możliwość uzyskania największej mocy obarczonej odpowiednio wysokim poziomem zniekształceń. Układ ultra linear wymagał jednak odpowiedniego transformatora o niewielkiej indukcyjności rozproszenia pomiędzy precyzyjnie zaprojektowanymi sekcjami uzwojenia pierwotnego, którego wykonanie nie było łatwe i amatorom nastręczało sporo trudności. Główne zalety wzmacniacza zbudowanego w oparciu o ultra linear w postaci możliwości uzyskania większych mocy oraz sporej tolerancji na zmiany obciążenia sprawiły jednak, iż układ stał się bardzo popularny. Jego implementacja w postaci wzmacniacza Dynaco Mark III może być tego przykładem. 

Chociaż Williamson nie był autorem modyfikacji, i sam wielokrotnie to podkreślał, tego rodzaju konstrukcja nadal potocznie nazywana była wzmacniaczem Williamsona. 

QUAD

Quad to kolejna modyfikacja klasycznej wersji Williamsona – układ z obciążeniem dzielonym między katodę i anodę. Podział zaprojektowano z wykorzystaniem dwóch oddzielnych uzwojeń transformatora wyjściowego (przy czym zalecane było aby uzwojenie katodowe miało nawinięte 10-20% całkowitej liczby zwojów). W kolejnym kroku Peter Walker, który był autorem tej koncepcji, podpiął siatkę ekranującą pod napięcie anodowe, aby lampy KT66 pracowały w trybie tetrodowym. Poczynione zabiegi pozwoliły na zmniejszenie zniekształceń nieliniowych (w stosunku do ultra linear), na co wpływ miało skierowania sprzężenia zwrotnego do lampy wyjściowej, zaś niższe anodowe napięcie zasilania KT66 spowodowało większą skuteczność obwodu, wpływając jednocześnie na wydłużenie cyklu życia lampy. Niestety układ wymagał chyba najbardziej precyzyjnego i skomplikowanego w budowie transformatora.

Oryginalnie obwód zastosowany został w modelu wzmacniacza QUAD II, był także inspiracją w przypadku całej grupy wzmacniaczy McIntosha (McIntosh MC-40, McIntosh 50) oraz wielu innych modeli.

Swym projektem Williamson stworzył standard wzmacniacza akustycznego o niskich zniekształceniach przy pełnej mocy znamionowej, synonim wysokiej wierności reprodukcji dźwięku. Był on przez wiele lat komentowany i poddawany różnym modyfikacjom. Projekt jest wciąż żywy, także dziś chętnie sięgają po niego konstruktorzy-melomani, amatorzy lampowego brzmienia.

Dodaj komentarz

avatar
  Subscribe  
Powiadom o