晶體擴大機中的輸出變壓器－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　輸出變壓器可使電晶體功率放大器更可靠,更有變化,且更有力。同時輸出變壓器可在輸出電晶體裝置崩潰時,對喇叭提供最佳的連續保護。

　　時間顯示輸出變壓器可使電晶體放大器穩定且安全地工作。無輸出變壓器放大器(OTL)在需要放大器作長期恆定的操作時就較不吸引人了。

　　現在讓我們看看從過去到現在,輸出變壓器在放大器中的使用......,以及為何McIntosh實驗室使用變壓器能繼續在放大器領域中居領導地位。

您還記得真空管放大器嗎?

　　直到1960年初,McIntosh以及幾乎每個從事高傳真組件製造的廠商都毫不例外地製造真空管放大器。

圖一中熟悉的推挽式電路最為流行,在此線路中我們用一對有高輸出阻抗的三極管或五極管來傳輸功率到低組抗的喇叭系統,因此需用一變壓器來提供二者間的阻抗匹配。但在真空管與喇叭間欲達到最佳的功率傳輸仍存在一些問題,舉例說,使用一對6L6輸出管作推挽時,真空管輸出阻抗為4000歐姆,要傳送功率到阻抗為8歐姆的喇叭,阻抗比值為500比1,縮需變壓器匝數比約為23比1(匝數比為阻抗比的平方根)。此所需的匝數比在聲頻頻譜二端均有問題產生,漏電感及旁路電容(圖一中虛線所示)產生高頻衰減(roll off),變壓器一次側電感加上其天生的非線性限制了低頻響應。而且不欲有的漏電感中儲存能量會造成缺口失真(notch distortion),如圖二所描述。

McIntosh共同耦合線路

　　在晶體化功率放大器發明之前,McIntosh已發現一種解決上述問題的有效方法,我們稱之為共同耦合線路(Unity Couple Circuit)。基本線路如圖三,此時變壓器一次側與二次側的阻抗比僅為一般線路的¼,為匝數125比1(1000/8),匝數比因而僅為原先的½,漏電感及旁路電容都小多了。

使用雙重(bifilar)繞線技術完全消除一次側繞阻每段(section)間之漏電感耦合問題。由於McIntosh在1947年發展出的共同耦合線路使我們能製造比同時期別的競爭者有更低失真的放大器。譬如說,我們甚至可在加上為減少失真用的負回授環路之前,製出總諧波失真小於百分之一的功率輸出線路。若僅加20分貝的負回授,總諧波失真進一步減至低於百分之零點一!

在電晶體放大器方面又如何呢?

　　音響工業很歡迎功率輸出晶體,認為它可解決一切問題。經過一段遲疑的發展過程(早期鍺功率輸出晶體非常不穩定,且容易受操作溫度損壞),矽功率晶體成為功率放大器中的標準功率裝置。

　　由於功率輸出晶體有一低輸出阻抗,因此就能設計直接匹配8歐姆負載的輸出線路──無須使用音頻匹配輸出變壓器。事實上,大多數OTL放大器在連接8歐姆電阻性負載作測試時,均能長時間對付在發出全額功率而不致過熱或超過安全的熱發散極限值。問題再於我們要聽的是喇叭而不是電阻,「標稱」阻抗8歐姆的喇叭在不同頻率下阻抗值會較高或較低,這是不足為奇的,同樣有些喇叭系統標稱阻抗為4歐姆的很容易在某些頻率降到2歐姆,如此低的阻抗接至OTL放大器會有什麼結果呢?理論上而言,若一輸出級設計來匹配8歐姆阻抗的話,則接4歐姆阻抗時功率輸出將加倍。但此時熱發散將是工作於8歐姆阻抗時的二倍,可由圖四看出來。

不幸的是若有一放大器是設計操作於8歐姆,則其熱發散極限值是以8歐姆操作加上一個安全因數來設計以符合新的FTC要求,即放大器能在⅓額定阻抗下以額定功率輸送一小時,但正如您可在圖四中看出此安全極值並不足允許在4歐姆或2歐姆或1歐姆阻抗下操作。同時要記住有很多放大器或接收擴大機可駁接一對以上的喇叭以在不同的聆聽室使用,音此若同時使用2對喇叭(各為8歐姆)時,淨阻抗為4歐姆,在頻譜中某些頻率會更低,因此除非廠商願意使用不成比例的大型散熱片或冷卻風扇,或二者組合,否則對OTL放大器而言,欲設計能在8歐姆及4歐姆或更低的阻抗均能達到最大輸出的放大器是不切實際的。

答案是──使用輸出變壓器!

　　若一晶體化放大器加裝輸出變壓器,您可將負載阻抗升高或降低以維持全功率輸出而不致過度地消耗掉,因為放大器輸出級永遠工作於理想的負載。

　　對許多音響迷而言,輸出變壓器似為落伍的設計,其實並非如此,近年來在材料及變壓器設計的技術上均有大幅的進展,而且要記住我們是在處理低阻抗裝置,並非真空管機。

　　現在不再需將陽極回路轉換至喇叭阻抗──降低率為幾百對一,使用電晶體輸出級時阻抗比僅約4比1。使用真空管放大器時,若要避免有缺口失真,必須一次側推挽線路非常平衡,現在使用單端推挽晶體輸出級,變壓器亦以單端型式被驅動,即一端接地,由於變壓器有接地,故輸入輸出間不需隔離,亦即可使用簡單的自耦變壓器。

　　圖五是我們新型的MC 2205放大器的典型佈置圖,輸出級設計以負載阻抗為2.1歐姆為最適工作點,故很容易可接入自耦變壓器以求精確的阻抗匹配,1、2、4、8歐姆的抽頭排列使輸出晶體連續工作在其最適阻抗,結果可在這些阻抗均能得到全功率輸出,而不致引起過度散熱的可能。

　　我們的高級機MC 2300放大器亦使用自耦變壓器,圖六顯示負載阻抗從0.5歐姆至16歐姆,此機均能達到其全額功率(每聲道300瓦rms),變壓器上亦有25伏及70伏抽頭可供多喇叭系統使用,我們將這結果與一類似額定的OTL放大器(圖七)比較,可看出後者除了在8歐姆及16歐姆以外,由於保護線路限制及過熱以致無法在理論上最大功率作連續操作,且雖然可用在16歐姆操作,最大功率輸出也限制在150瓦,而且由於受到供給電壓的限制,也無法作70伏恆壓輸送。

相位移的問題又如何呢?

　　反對在音頻放大器中使用變壓器的人馬會說「變壓器會在高低頻二端產生相位移」。事實上,一個設計良好的變壓器在20千赫處僅造成約3度的相位移(圖八A),實在是微不足道的,

在一般放大器上使用的音量控制器(包括OTL放大器及加上變壓器的放大器)導致更大的相位移,約20度(圖八B)。因為輸出變壓器是由極低阻抗來驅動,故實際在低頻時,由一般的輸入交連電容導致的相位移要比變壓器來得大。

　　既然這樣,為何沒有很多廠商在固態放大器中使用輸出變壓器呢?可能是他們不了解此種技術,但更可能他們不願花費額外的成本。一個好的變壓器是很昂貴的,體積又大,以致佔據很大的空間,如此又與一般音響迷的觀念相牴觸,他們認為晶體化的器材必須又小又輕。雖然如此,FTC條文上仍建議若欲在4、8、16或任何其他所需阻抗均能達到音頻放大器的額定值,則輸出變壓器是唯一合理的辦法。

並非任何變壓器均可使用

　　在McIntosh,我們自己繞輸出自耦變壓器,當然我們可向變壓器的專門工廠購買(事實上,我們用的電源變壓器便是向別的廠家買的),但我們很早便發現並非照著書本便可把變壓器做成功。為了要配合特別的放大器線路來設計一種新的變壓器需要大量的經驗,為了MC 2205我們開發出成打的變壓器樣品,最後的結果就是如圖九所示的成品,變壓器做成三重繞以得到每段間的耦合,總共需要23個個別繞組,分成五段做並聯連接。我們採用粒狀指向性矽鋼積層鐵心,因為此種鐵心用鐵量較少,也就是耦合較密,同樣線徑的繞線,繞線電阻較低。這種粒狀指向性矽鋼有較高的磁飽和點──約為一萬七高斯,而一般無指向性材料僅約一萬二、三高斯,因此前者鐵心損較少,簡單說,我們做的變壓器效率更高,能將放大器輸出更有效地傳至喇叭負載。

為了進一步改良耦合問題,我們在電源變壓器沒用任何中間層絕緣紙,因它可能會產生崩問題,但我們採用絕緣額定為每圓密爾4000伏的聚亞胺脂絕緣線(一個音頻變壓器最高電壓僅約56伏),因此實際上完全沒問題。我們所有的輸出變壓器均採用有高導熱率的材料,同時可幫忙把變壓器內部操作溫度降低,這樣一來,變壓器積層哼聲便低不可聞,我們想您大概寧願聽喇叭而不是變壓器的聲音吧!

我們的變壓器僅是精采的一部分

　　不論放大器是否使用輸出變壓器,輸出裝置都需設計工作在最適負載,這樣輸出晶體送出的最大電流才不會超過電晶體所定的安全操作區。圖十一係MC 2205放大器中採用的epibase型輸出晶體的電流對電壓限制曲線。