Moje przemyślenie na temat hi-fi
Hiroyasu Kondo, Audio Note Co., Ltd., Tokio
[tłumaczenie na angielski Hiro Yoshizumi]
CZĘŚĆ 2 (napisana latem 1999 roku)
Brzmienie transformatora, część 1
Osoby, które studiowały na wydziałach elektrycznych nie mają zwykle wielkiego pojęcia na temat transformatorów, ponieważ w szkołach mówi się jedynie o transformatorach mocy używanych w przemyśle. Dlatego też inżynierowie chcący zająć się budowaniem sprzętu audio muszą poszukiwać informacji o nich w wyspecjalizowanych magazynach. Tyle, że nawet magazyny branżowe nie piszą wiele o transformatorach stosowanych w audio. Czy oznacza to, że stosowanie transformatorów w audio to już historia? Oczywiście transformatory mają swoje nieodłączne problemy – kwestia liniowości magnetycznego rdzenia, zniekształceń prądu wzbudzającego, czy zjawisko Barkhausena. W oczach bardzo drobiazgowych teoretyków problemy te dyskwalifikują stosowanie transformatorów. Konstruktorzy zorientowani na minimalizację kosztów produkcji starają się unikać wykorzystywania transformatorów, zastępując je układami z kondensatorami i rezystorami. W ten sposób wyeliminowano transformatory z wielu urządzeń elektrycznych. Moim zdaniem to błąd. Uważam bowiem, iż wysokiej jakości transformatory potrafią dostarczyć wysokiej klasy dźwięk.
Jestem w stanie podać wiele dobrych przykładów na poparcie swoich słów. W stacjach nadawczych (np. radiowych czy telewizyjnych) transmitowany sygnał przechodzi po drodze od wejścia do wyjścia przez dziesiątki transformatorów. Gdyby to transformatory były głównym powodem złego brzmienia to wszystkie stacje radiowe i telewizyjne dostarczałyby nam dźwięk bardzo złej jakości, a przecież tak nie jest, nieprawdaż? Dlaczego więc tak nie jest? Spróbuję na to odpowiedzieć.
Brzmienie transformatora, część 2
Bardzo interesowało mnie to, jak zmienia się jakość sygnału dźwiękowego po tym, jak przejdzie on przez transformator. Transformator można uznać za swego rodzaju filtr ze stałą czasową w zakresie niskich i wysokich częstotliwości. To dlatego po pojawieniu się transformatorów inżynierowie, którzy zaczynali ich używać w audio mieli obawy przed rozszerzaniem pasma przenoszenia. Ja, nawet i dziś, mam pewne obawy przed pozostawianiem transformatora włączonego przez dłuższy czas ponieważ doskonale pamiętam jak przegrzewające się trafa potrafiły spowodować pożar. Produkcja transformatorów była prawdziwym wyzwaniem w czasach, gdy zarówno żelazo stosowane w rdzeniach jak i materiał drutu, którym trafo nawijano, były kiepskiej jakości. Po wielu przeprowadzonych eksperymentach z wieloma różnymi transformatorami podzieliłem je wszystkie na dwie główne kategorie: miękko i twardo brzmiące. Głównymi czynnikami decydującymi o brzmieniu są materiały użyte zarówno w rdzeniu, jak i w nawijanym drucie. Zacznijmy więc od używanych materiałów. Do sygnałów niskopoziomowych używa się permaloju (stop żelaza i niklu), a do średnio- i wysokopoziomowych stali krzemowej. Nie ma jednego idealnego materiału, stosuje się więc różne w zależności od potrzeb. Materiał dobiera się w zależności od początkowej prędkości odpowiedzi strumienia magnetycznego, oraz maksymalnej gęstości tegoż strumienia. Zastosowanie permaloju i stali krzemowej daje inne efekty brzmieniowe.
Brzmienie żelaznego rdzenia
W transformatorach używa się żelaznych rdzeni. Ponieważ transformatory sygnałowe mają dużą ilość uzwojeń, sygnał może przez nie przepływać nawet bez udziału żelaznego rdzenia, przynajmniej w zakresie wysokich częstotliwości. Problemem są niskie i średnie częstotliwości. Tu właśnie leży nieodłączny problem transformatorów. Właściwości żelaznego rdzenia ocenia się w pierwszej kolejności po jego krzywej histerezy magnetycznej. To jednakże tylko jedno z kryteriów. Następnie ocenia się przepływ strumienia magnetycznego, oraz ustala punkt nasycenia. O ile te kryteria są wystarczające do oceny transformatorów mocy, o tyle w stosunku do traf, które mają być użyte w audio należy wykonać kolejne badania. W przypadku transformatorów zasilających nie trzeba brać pod uwagę transmisji bardzo małych sygnałów. Jeśli chcemy przesyłać bardzo małe sygnały potrzebujemy żelaznego rdzenia, który jest bardzo wrażliwy na niewielkie zmiany pola magnetycznego. Do tych celów potrzebujemy rdzenia zwanego niklowym, który zawiera od 45 do 78% niklu. Problemem rdzeni niklowych jest mała gęstość maksymalnego pola magnetycznego. Co więcej dostępnych jest wiele różnych rodzajów rdzeni niklowych, a każdy z nich brzmi inaczej. Nieco generalizując można powiedzieć, że im mniejsza zawartość niklu tym twardszy dźwięk uzyskujemy. Z drugiej strony rdzenie ze stali krzemowej (OPT) zwykle brzmią „miękko”. Różnice w brzmieniu między nimi nie są aż tak wyraźne, jako że przy małych sygnałach pole magnetyczne nie jest wytwarzane.
Rendezvous z transformatorem i srebrnym drutem
Wiele czynników składa się na brzmienie danego transformatora. W szczególności ważną rolę odgrywa materiał, z którego wykonuje się uzwojenie. Porównując trafo niklowe dla wzmacniacza single-ended z trafem dla wzmacniacza typu push-pull, ten pierwszy wydaje się produkować bardziej konturowy dźwięk. Jestem w stanie wymienić wiele znanych czynników, które mają na to wpływ, ale jest jeden, o którym nikt do tej pory nie pomyślał. To kwestia tego, czy w uzwojeniu trafa powstaje jakieś pole magnetyczne generowane przez przyłożenie do niego napięcia i czy dzieje się tak w zależności od tego, czy mamy do czynienia z rdzeniem niklowym dla single-ended, czy dla push-pulla. Wydaje mi się, że to właśnie owo pole magnetyczne generowane w uzwojeniu przez przyłożone napięcie może decydować o różnicy w brzmieniu między różnymi materiałami uzwojenia. Innymi słowy, jest to kwestia zależności między polem magnetycznym, a zachowaniem elektronów. Doświadczenie podpowiada, że jeśli nawiniemy drut wokół magnesu w kształcie podkowy i wyślemy nim sygnał to łatwiej będzie zauważyć różnicę w dźwięku między dwoma materiałami uzwojenia, niż gdyby drut nie był owinięty wokół magnesu. Powtarzane wiele razy doświadczenia ze srebrnym drutem pokazały, że w jego przypadku zmiany w brzmieniu są dużo mniejsze. Drut miedziany zwykle brzmi nieco bardziej „szorstko”. Gdy wokół rdzenia nawiniemy srebrny drut brzmienie zmieni się diametralnie. W takim przypadku twierdzenie, że transformator ma negatywny wpływ na brzmienie staje się bezpodstawne. Nie można zaprzeczać temu faktowi tylko dlatego, że nie ma na dziś odpowiedniej teorii, która wyjaśniałaby zależność między polem magnetycznym a srebrem. Prędzej czy później wszyscy zaakceptują, że tak właśnie jest.