管球聲．石仔聲 － 淺談整流濾波電路 [复制链接]

／老膽機新世界／

管球聲．石仔聲 － 淺談整流濾波電路
沈皓中

對於擁護晶體機和愛好管球的愛樂者們，這的確是個艱難且爭議多年的問題。用慣晶體機的人認為，晶體機具頻率響應較佳、分析能力強、反應速度快、高頻延伸良好、三度空間感驚人。阻尼因素高，使得低頻及超低頻有絕對的重量感及權威性。某次在前輩徐先生家裡聽SOTA LP、Audio Research SP-11、Classic 150 Mono、Westlake，各類型音樂，尤其大編制交響樂、歌劇等表現，都近乎理想。喜愛管機的朋友認為，管球的音色豔麗，中頻溫暖且相當飽滿，高音甜美、低頻多汁有彈性，音樂性絕佳等等。多年前在獨奏小游介紹下，於黃醫師處聽Mark Levison 30/31、全套Cello、Goldmund、Siltech信號線及喇叭線，我不禁有了懷疑迷惑。原來全套晶體機（這套系統，印象裡本刊顧問劉仁陽先生好像也曾經聆賞過，還帶了塊狀似浴巾之類的調音材料 － 希望沒搞錯）也能出落得亭亭玉立，該有的一點也少不了，不該有的也絕對不會突然冒出來，而且極為溫暖、華麗和高貴。

唉呀！如何是好？無端挑起如此管石話題。非也！筆者真正的用意，只是想提出來，不論是管球或電晶體，只要盡心地把它們搞好，它們在聲音的品質上，都值得人人尊敬。常常聽到普羅燒友們討論：真空管是電壓放大元件，電晶體則是電流放大元件。這種區分大致上看起來似乎頗正確，然而仔細研究一番，事實的情況如何呢？不管是電壓放大或功率強放，我們所欲獲得的增益或是放大器所能提供的能量，事實上都離不開P與VI互等的關係，亦即功率是電壓和電流的乘積。在相同能量P的需求下，電壓用得高，則電流小一點；電流用得大，則電壓低一些。許多往昔的管機和晶體機裡，大部份是這種情形。其實它們的分野，最大部份是真空管的內阻很高，而電晶體的內阻很低。因此在功率放大部份，真空管電路不能避免的，需要用變壓器來做為和喇叭之間能量傳輸的工具。有少部份的OTL設計，但是由於電路穩定性、多管並聯所產生的配對、高溫及後續維修等問題，使得OTL真空管機不能成為主流。另外特別值得一提，東樺行的林明賢先生多年前也曾推出OCL的真空管機，好像是使用6BQ5多對並聯。將輸出端短路了也沒關係，絕不燒機器，聲音蠻好的。個人認為那是一個絕佳的設計，可惜掌聲很少。原因大概是有太多管機愛好者，不能習慣沒有輸出變壓器的管球機。或許也擔心減低「膽味」之故吧！再則讓心愛的喇叭，直接就連接在一群真空管上頭，是會有許多人坐立不安的。看來管機的設計者所面臨的困境，應該不是技術層面，而是管球迷心理層面的問題了！就讓用家和製造者共同努力吧！

「膽味」，沒錯吧！各廠製造同型號，電子參數相似的真空管，聲音的表現上是各異其趣而相去甚遠的。其實電晶體也是一樣，就算同廠不同年代的同型號管球，聲音也都有某一程度的差異。換用不同牌子、年份的真空管以獲得不一樣的聲響，的確是玩管機人最大的樂趣。不管他人對其聲音品質的感覺如何，只要自己認為恰當、美好，這種嚐試都是正確而值得的。各型真空管的聲底是大不相同的，造成了本身獨特的「膽味」，滿足各個喜愛它的人們。因此，在這裡我們粗略地來瞭解一下「聲音」。

幾乎所有的樂音均包含了音調、音色及音壓（響度）。音調有高有低，人耳的聽覺範圍大致是20Hz-20KHz。音壓大的響度大，音壓越小響度越小。至於音色，同樣音調的「Do」，小提琴、小喇叭與鋼琴給我們的感覺各有不同。原來各種樂器（包括人聲）的發聲，其音波中除了基本頻率（決定音調高低）外，還包括了其他部份的諧振頻率（使各樂器或人聲聽起來各個不同的因素）。所以，王菲、蔡琴不會一樣，鋼琴、伸縮號也不相同。好玩的是同型號真空管，因為製造廠家不同，也有這些個物理條件上的相似之處。它給了玩管機的人一個絕對的快樂 ~ 很方便地去調校音色。依個人的認知、喜好與品味，相當有彈性且有效率地聆聽音樂。

整流電路的內阻、雜音、效率
使用於音頻放大器整流電路裡的元件，最常用的就屬二極真空管和矽二極體。由於放大電路之主動元件（真空管、電晶體）以直流工作，所以必須將市電升降壓後，予以「整流」，使成為脈動式的直流，經濾波電容平整後，供各放大級來應用。整流用的真空管，結構上可分為旁熱式和直熱式兩大類，結構雖然稍有差別，都還方便使用。6X4、5Y3、5U4、5AR4、5R4及一些數字管都是常用的整流管。整流管的內阻仍然相當高。用在前級放大器及單端後級較為輕鬆，拿來用在推動大電力的功率放大就困難許多。由於各整流管的內阻相差不小，所以即使更換一只整流管，也很容易造成非常不同的聲音表現。較柔、甜、硬、乾、瘦等等的形容不一而足。反觀半導體材料科技突飛猛進，這十數年來所生產的整流二極體，早已達到超高速、高耐壓、大電流、低漏電、低雜音等高水準的需求。各廠家都有許多相當優秀的品項供選擇應用，而且價格廉宜。常聽人說，使用二極體整流，聲音較乾較硬，較沒有管球味，而且並不好聽。筆者倒是有不同的看法。事實上使用整流管的電源內阻，是比使用二極體整流之電源內阻高出甚多。兩者的效率相差很多，加上負載後，二者的差異就更明顯。另外，高電壓、大電流（其實也僅數百毫安而已）的整流管，其熱噪音也相對提高。因此在那些類型的放大電路上，要選擇何種整流管、作成什麼方式的整流，都是一個極費心的問題所在。在任何狀況下，我們大家都希望電源內阻越小越好。它真正的含意即是希望有個取之不盡、用之不竭的大容量電源供應，使擴大機在工作上能瞬變反應極佳。能量充足，出好聲的機會必然大一些。許多管友也曾討論，每隻強放管頂多用掉百餘毫安，即使四支也不過六、七百毫安，是否需要像那些發燒機一樣，使用那麼大容量的濾波電路，固態橋式整流子等？這裡我們願意指出，大部份發燒機的電源都儘量維持2-4倍所需的最大電流需求；更有甚者，4-6倍的功率容量也是常事。如此的電源，絕對有一個好處，那就是內阻較低、能量豐沛、對各種音樂的演出都能輕鬆愉快。我們大家所懷念的銘機，包括Mclntosh C-22前級在內，幾乎都使用了類二極體的整流。因為這是最簡單、可靠且效率較高的一種方式。

目前眾家的運用大致上有：（1）全真空管整流（2）半截真空管、半截二極體（3）先二極體再真空管（4）二極體整流等等。其中（1）（4）多出現在廠機裡，而（2）（3）就比較多是業餘雜誌DIY族的喜愛，筆者不欲多作評論，但是有一個很重要的觀念，是我們必須慎重考量的，那就是變壓器的效率問題。任何形式的變壓器因為具有鐵損及銅損的自然現象，設計製造再好的變壓器，其效率頂多也僅80至90%之間。如果整流電路的效率也是80%，那麼整個電源的有效使用率就僅剩65至75%而已，其他的就都變成熱，使得擴大機處在較高的溫度下工作。如何作恰當的選擇運用，就端賴各個製作者的明智決定。筆者並不反對全波橋式真空管整流（必要時還可以併聯以降低阻抗、增大電流），以供大功率放大之用。然而那幾組相當耗電的燈絲繞組，所帶來電源變壓器的溫升，製作成本的增加，大電流管所帶來的高溫和昂貴，必然使擴大機處在相對高溫、穩定性極度考驗的惡劣情形下工作。製作成本、重量、體積等其他的因素，是否也應詳細考慮。
整流電路的型式及紋波率

（圖1至圖3為常用的整流電路。A為真空管整流，B為二極體的方式。RL表示負載電路。）

▼圖1為半波整流電路。F繞組供整流管燈絲使用，輸出的直流波形有如圖示。前面的是整流前的交流高壓波形，後面的則是整流後的脈動直流波型。燈絲加熱，陰極即發射電子。當整流管屏極的電壓處於交流電的正半週時，屏壓為正，屏極吸收自陰極放射出來的電子，負載就有電流通過。當屏極處於負半週時，由於和放射電子的極性相同，相互排斥而沒有電流通過負載RL。所以輸出的直流電壓就如圖示，僅是正半週有輸出；電流也始終是同一方向，但卻是波動式的直流。半波整流僅得一半的輸出，效率不佳，通常僅用在耗電較少的電路。實用上音頻放大器的偏壓電路適合使用此種方式，它有個優點：簡單及成本低。

▼圖2為全波整流電路。為了能解決半波整流效率太低的缺點，增加一組相同的高壓繞組，結合成一個有中間抽頭的繞組，使用雙二極管，就成為圖示的電路。如此一來，不管正負半週，都會有一支二極管在工作，亦即都會有輸出（輸出的波形如圖示）。效率當然也是半波的一倍，大部份管球機都使用此種方式作為高壓整流電路。

▼圖3為橋式整流電路。不需增加高壓繞組，使用4支同型號的整流管。其結果是無論交流電處於任何半週，都有二支管子（圖上是交叉的）在工作，效率極高。但如果是以整流管來製作，它的成本確是最高的。近些年來，半導體科技突飛猛進，高耐壓、大電流、快速的橋式整流子各大廠都有生產。為了保持橋式整流的多項優點，筆者建議，不妨以半導體的橋式整流子負責高壓整流。時下幾乎大部份名廠的大功率管機都採用這種方式，即連數十年前製造的一代銘機Marantz 9，也是以二極體作高壓倍壓的方式處理。如此麻煩的安排，明智的 Marantz工程師仍然放棄了唾手可得的整流管方式，而打造了一代名機。稍後也是經典的Mclntosh MC-275採用了橋式整流子作為高壓整流。大部份的發燒友很能欣賞它們的表現。今日，我們製作擴大機，是否還需堅持管球整流？

就以上的參數觀察不難發現，全波整流的高PIV和較低的變壓器利用率，顯然是較橋式整流的方式遜色許多，半波整流就更無法相提並論。有部分發燒友喜歡以整流管作全波整流。舉個300BSE的例子，在許多的電路圖裡，高壓繞組的電流量大多不超過350毫安。參照上列參數，真的是不太夠；如果再估算整流管之高內阻造成的損失，情況就更不理想。這是真空管整流應特別注意的。否則，所謂的球仔聲，就僅是功率不足，高電源內阻所形成的聲響，要表現目前動態極廣的錄音軟體是相當困難的。

電源濾波器
經過整流後的直流是脈動之直流，含有大量的紋波成份，而放大器工作所需要的直流是純淨之直流。因此，在整流器與放大器之間，必須加以濾波，將脈動的成份消除。基本上，濾波電路是使用平滑濾波電容和扼流圈組成。
電容輸入式的方式是整流器之輸出與地端先併上一支平滑濾波電容，然後串一支扼流圈或電阻，再在扼流圈或電阻的另一端對地併接一支濾波電容，形狀有如「兀」，所以又稱「兀型濾波器」。當然使用扼流圈是比使用電阻的效果優異很多，且直流阻抗很小。
扼流圈輸入式的方式，為整流器之輸出端先接上一支扼流圈或電阻，再在扼流圈的另一端和地之間併上一支濾波電容器。形狀有如倒寫的「L」，有稱「L型濾波器」。
不管是「兀型」還有「L型」濾波器，都可以再增加一至數組成為雙兀、3兀或2L、3L型，以增加濾除紋波的效果。但是濾波級數也不能太多，級數太多，電源內阻必然加大，並不是很理想的事情。實用上，推挽功率輸出級有個一組的兀濾波即已足夠。單端後級多給一級也已足矣！基本上，L型的輸出直流電壓是要低於兀型的輸出。
電源濾波器的C與L值當然是越大越好。當電源加上的瞬間，電容器形同短路，電流理論上為無限大。太大的C值，會致使「短路」的時間變得很長，對整流器將造成永久的傷害。L太大，直流阻抗急速增加，也不是十分理想。因此，適度的C與L值需視放大電路所需來決定方為上策。一部能發好聲的擴大機，電源的部分正扮演著極為重要的角色。■

154期SRPP放大器的電源供給器、橋式整流子的部份有錯誤。這裡我們將改正後的電路圖刊出，並向讀者致歉。

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