Kaan Seler VTM-SE40 Sıngle Ended Amplifikatör

Odyofil kültüründe özel bir yeri olan single ended ampliler özellikle insan seslerindeki berraklık ve dinleme keyfi özellikleri ile ön plana çıkmaktalar. Single ended yapı bilinen en basit ve ilk ampli mimarisidir. Zaman içinde elektronik mühendisliğindeki gelişmelerle daha yüksek teknik performanslı gelişmiş mimariler tasarlanmıştır. Gelişimin ilk halkası olması nedeni ile single ended amplilerin mimari özelliklerden kaynaklanan düşük güç, yüksek distorsiyon, kısıtlı frekans kapsaması, hoparlör etkileşimleri gibi bir çok olumsuz özellikleri vardır. Durum böyle iken odyofillerin bu tür amplilerin hangi olumsuz mimari özelliklerinden etkilendikleri hakkında ortak ve kesin bir karara
varılamamıştır. Bir çok uzman single ended amplileri 21nci yüzyılın bir şakası olarak görseler de single ended amplilerin odyofil dünyasında önemli bir yeri vardır. Bu felsefi konulara daha fazla girmeden yüksek güçlü, geniş frekans tepkimesine sahip, düşük distorsiyonlu yani teknik performansı yüksek bir single ended ampli tasarımını size aktaracağım.

Güç amplisi tasarımını yönlendiren vazgeçilmez teknik parametreler vardır. Birinci parametre amplinin gücüdür. Bu konuda Musical Fidelity firmasının yaklaşımı düzgün müzik dinleyebilmek için 1000Wlar (yazılım hatası değil gerçekten bin Watt) civarında güç gerekli olduğudur, Paul Klipsh’in yaklaşımı ise odyofillerin sadece bir watlık bir ampli ile mutlu olabileceğidir. Günümüzde ilk birinci wattın önemini vurgulayan bir çok üretici bulunmaktadır.

İkinci parametre frekans kapsamasıdır. Her ne kadar hoparlörlerin normal bir odada verdikleri performans 10l’arca “decibel” aralığında olsa da modern bir amplinin 20Hz -20000Hz aralığındaki kararlılığının 1dB altında olması bile yeterli kabul edilmemektedir.

Üçüncü parametre amplinin doğrusallığıdır. İdeal ampliler giriş sinyallerini sabit bir sayı ile çarparak yükselten matematik fonksiyonu gibi çalışırlar. Bu doğrusal (linear) bir fonksiyondur. Ancak gerçek hayatta bu tür bir ampli yapmak mümkün değildir ve bu doğrusal fonksiyonun yerini yüksek dereceli bir polinom alır. Polinomun derecesine göre çıkış sinyalinde istenmeyen harmonikler oluşur. Bilimsel olarak seste yüksek numaralı harmoniklerin daha rahatsız edici olduğu kanıtlanmıştır. Amplilerde çıkış karakteristiklerinin daha düşük dereceli polinomlarla uyumu olmasının ses kalitesi açısından tercih edilir olduğu bir çok bilimsel çalışmalar ile doğrulanmıştır. Geri besleme, tüm mimarilerde polinom derecesini arttıran bir bir uygulamadır. Geri besleme genel toplam harmonik bozulmayı azaltsa da harmonik bozulmayı yüksek sayılı harmoniklere taşıyarak daha rahatsız hale getirirler.

Genel gürültü seviyesi parametresi de istenmeyen sinyaller kapsamında değerlendirilmelidir. Ancak özellikle “his” olarak duyulan geniş bantlı gürültü en az rahatsız edici olanıdır.

Sürme kapasitesi ve yüke göre performans etkileri de önemli bir özelliktir. Bu özellik amplinin çıkış empedansı ile ilintilidir. Hoparlör ampli uyumu olarak algılanan bu durum aslında değişken bir hoparlör empendansından amplinin ne kadar az olumsuz etkilendiğidir.

Değişken sinyaller ile ilgili bozulmalar kapsamında TIM (transient intermodulation distortion) SID (slew induced distortion) gibi bozulma şekilleri mevcuttur. Matti Otalla bu tür bozulmaları tanımlayan kişidir. Ancak 80’li yılların sonunda bu tür spesifikasyona dayalı pazarlama yöntemlerinin etkisini kaybetmesi sonucu popülaritesini kaybetti.

Bu ana özellikler dışında bir çok ikincil özellikler sıralamak mümkün ancak bu detaylar ile okuyucuları daha fazla sıkmaya gerek yok sanırım.

Yukarıda sıralanan tüm özellikler açısından single ended mimari tam bir fiyaskodur. Tek olumlu özellik single ended mimarilerin basit yapıları gereği düşük dereceli polinom karakteristiğine uygun olmalarıdır. Her ampli tasarımında olduğu gibi single ended mimarilerde de tasarıma ana performans özelliklerine odaklanarak başlamak gerekmektedir.

Ben de 30 wattın üzerinde, en az 20Hz-20KHz aralığında çıkış veren, düşük distorsiyonlu ve gürültülü, her türlü hoparlörle çalışabilen bir ampli hedefleyerek projeme başladım. 30 Watt çıkış gücünün 300bin dolarlık Wavac ampliler için dahi zor bir değer olduğunu hatırlatmak isterim. Wavac 150w (rms) değeri çıkış reklamı olarak kullansa da Stereophile dergisi tarafından yapılan testlerde 30 watt civarında düzgün çıkış verebildiği ölçülmüştür.

Genellikle yüksek güçlü (10-15 watt) single ended ampliler RF verici lambaları kullanırlar. Bunların en popüleri 211 ve son zamanlarda Rus eşdeğeri olan GM70 lambasıdır. Bu lamba 1000 volt çalışma voltajı ve 125watt güç tüketim değerlerine sahiptir. Single ended yapıda bu en fazla 25W ve diğer kayıplar ve çalışma noktasındaki problem ile maksimum 20 watt çıkışa düşer. Single ended lambaların kralı olarak kabul edilen WE300B 36 wattlık bir lambadır ve maksimum 8 watlık bir çıkış ile sınırlıdır.

Ben “Lamm Audio”nun tercihi olan 6c33c kullandım. Lamm Audio bu lamba ile 18 watt single ended çıkış alabilmekte. Paralel yapı ile 30 watt üzerinde çıkış almak mümkün. Benim tasarımımda 6c33c lambaları 185volt anot voltajı ile çalışmakta ve kontrollü bir şekilde 50 Watt disipasyon değerinde çalıştırılmakta.

A sınıfı amplilerde çıkış sesizlik akımı ile bağıntılıdır. Sesizlik akımı lambanın sesizlik dissipasyonunu belirler ki, bu lambanın maksimum anot gücü ile sınırlıdır. İdeal olarak bu değerin en fazla dörte biri kadar güç elde edilebilir. Bu şekilde kullanılan lambaların ömrü çok kısa olur. Maksimum değerin %80 kullanmak çıkış lambalarının ömrü açısından daha uygun olur. Trafo kayıpları da %5 civarındadır. Kısaca tasarıma bağlı olarak çıkış değeri ideal seviyenin altında olur.

Amplinin linear çalışması için daha az çıkış elde edilebilecek bir çalışma rejimi de seçilebilir. Sesizlik akımı ve çalışma karakteristikleri optimizasyonu için TubeCad sitesinde bulunan çeşitli programlar kullanılabilir.

Single ended yapıdaki en büyük sıkıntı çıkış transformatörüdür. Tüm A sınıfı ampliler gibi single ended ampliler de çıkış güçü için gerekli maksimum akımın yarısını sesizlik halinde geçirmek zorundadır. Bu akım single ended amplilerde trafo üzerinden geçmesi gerekir.

Trafo içinden DC akım geçirmek sargı sayısına ve akıma bağlı olarak trafo içindeki manyetik alanın artması ve satürasyon demektir. Trafo sarım sayısının arttırılması endüktansı ve düşük frekans performasını arttırır. Manyetik akımı düşürmek için trafolarda hava aralığı kullanılır ancak bu endüktansı düşürerek düşük frekans kapsamasını bozar. Yani kısacası her yönüyle birbirine ters çalışan performans özellikleri vardır.

Düşük sürme empedansı trafo endüktans ihtiyacını azaltır. Trafo olumsuzluklarını azaltmanın en doğru yolu sürme empedansını azaltmaktır. Düşük empedans sürme empedansı elde etmek amaçlayarak, 6C33C gibi düşük empedanslı bir lamba, hatta parallel iki lamba ve daha da önemlisi düşük sürme empendanslı katod çıkışlı mimari seçimi başlangıç noktam oldu.

Çıkış transformatörü tasarımında 10 Hertz gibi düşük frekanslara inebilmek düşük sürme empedansı nedeni ile çok daha düşük endüktans değerleri ile mümkün olacaktı. Düşük trafo endüktansı ise daha az sargı sayıları ve buna bağlı düşük manyetik akım ve trafonun satürasyona girmeden çalışması demekti. Trafo tasarımı açısından yüksek sargı değerleri başka bir problemi de yanında getiriyor. Sargı sayısına bağlı olan kaçak endüktans ve yüksek frekans kapsamada performans kaybına neden oluyor.

Katod sürmeli çıkış katı bir önceki devrenin yüksek sürme voltajı salınım ihtiyacı nedeni ile kolay bir uygulama değildir. Ancak daha önce tasarladığım amplide de benzer bir yapı kullandığımdan sürücü devrem hazırdı. Bu devrede paralel kullanılan 6H3NE Rus triyodu ve kapasitör kuplajlı olarak sürülen ECC85 triyod lambaları var. Anod rezistif yüklü bu lambalar +185 ve-350volt arasında bulunmakta ve rezistif yük üzerinden direk kuplaj ile 6C33C lamba gridlerini sürmekte. Tamamen A sınıfı olan bu amplide trafonun tam istenen manyetik akım değerinde seyir etmesi gerektiğinden bayas noktası otomatik olarak ayarlanmakta. Otomatik bayas paralel çıkış lambası kullanımı nedeni ile lambaların sesizlik akımını eşit paylaşması için de gerekli idi.

Bu amplide daha önce hiç bir tasarımda görmediğim bir özellikten bahsedeceğim. Bu yaklaşım lamba devrinde gerçekleştirilemeyecek kadar devre elemanı ve komplikasyon oluşturduğundan da kullanılmamış olabilir.

Hifi amplilerin büyük bir kısmında grid- katod voltajı negatif tutularak grid akımı yaratmadan çıkış elde edilir. Bu elde edilebilen güç seviyelerini biraz düşürse de grid akımının oluşturduğu distorsiyonun artması nedeni ile avantajlı bir uygulamadır. Sesizlik akımı ayarlanmasında çıkış lambaları eşleşmediği durumlarda grid katod voltajları farklı seviyelere ayarlanır. Aynı seviyede sinyal salınımı uygulandığında daha yüksek durağan voltaja ayarlanmış lamba daha erken grid akımı oluşturur. Buna bağlı olarak diğer lamba daha tam sürülmeden ampli sürücüden satürasyona girer. Bu ancak sürme seviyesinin lamba için ayarlanan voltaj bayas seviyesine bağlı olarak ayarlanması ile engellenebilir. Bu uygulamada bayas ayarı tamamen otomatik yapılmakta ancak lambalar için optimum kazanç değeri ampli üzerindeki led’ler yardımı ile manuel olarak her lamba için ayrı ayrı ayarlanıyor. Bunu gerçekleştirmek için her iki lamba için bağımsız sürücü devreleri kullanmak gerekiyor. Bu sayede tam olarak eşleşmemiş lambalarla da elde edilebilecek maksimum güç alınabiliyor.

Geri besleme kült odyofiller tarafından çok sevilmeyen bir uygulamadır. Geri besleme hatasız uygulandığında daha önce belirttiğim performans özelliklerinde ölçülebilir iyileştirmeler sağlanıyor. Ancak geri beslemeli bir amplinin matematik modeli daha yüksek dereceli bir polinom oluşturuyor. Bu da seste olumsuz bir etki oluşturabiliyor. Bu etki o kadar minimal ki dinleme testlerinde algılanabilmesine inanmak güç. Bu nedenle ampli üzerinde 0 ila 6 dB arasında ayarlanabilir geri besleme fonksiyonu uyguladım. 6 dB oldukça az bir geri besleme değeri. Tipik olarak geri besleme oranları 20 dB üzerinde uygulanmakta, opamp kullanan tasarımlarda 60dB ye kadar çıkmakta. Dinleme testlerinde 0 geri besleme seçiminin en iyi sesi oluşturmasına hayretle tanık oldum.

Single ended amplilerde besleme devresi push-pull amplilere göre daha önemlidir. Balanced yapıda olan push-pull ampliler besleme devresindeki gürültü gibi olumsuzluklardan daha az etkilenirler. Buna karşın single ended ampliler besleme gürültüsünü trafo oranında çıkışa aktarır.

Özellikle geri beslenme olmadığında besleme ve lamba gürültüsü oldukça rahatsız edici olabilir. Bu nedenle besleme devreleri iyice filtre edilmeli ve regüleli olmadır. Bu uygulamada sürme ve çıkış katı ayrı filtre ile filtrelenerek aynı 185voltluk regüleli beslemeden faydalanmakta ve sürme katı için bağımsız -350VDC regüleli besleme bulunmakta. Regülatör devreleri IRF840 Mosfet ve LM317 regülator entegresi kullanılarak LM317 regülatör entegresi için tavsiye edilen uygulama notlarına uygun bir tasarı ile de gerçekleştirildi.

Çıkış trafosu 30-35Wattlık bir single ended ampli için oldukça büyük ölçüde (Enpay SU90B) double C nüve yapısında tasarlandı. En ideal trafo yapısı bobin yüksekliğinin en az bobin uzunluğunun da en uzun olduğu yani toroid yapı. Bildiğim kadarı ile sadece Piltron firması toroid çıkış transformatörü üretiyor. Toroid transformatörlerin de izolasyon, muntazam sarılabilirlik sorunları var. Ayrıca Single ended yapı için vazgeçilemez olan nüve de boşluk yaratmak imkansız. Toroidlerden sonra en uygun yapı C nüve yapısı. Bu yapıyı da bobini 2 guruba bölerek uygulamak en doğrusu. “Interleaving” bobin mimarisi ile yüksek frekansları bozan kaçak endüktans ve “proximity” etkileri azaltılabiliniyor. Trafo oranı düşük empedans sürmeli mimari nedeni ile 4 gibi oldukça düşük ve ideal bir trafo için avantajlı bir değerde gerçekleştirildi. Bu trafo ile frekans tepkimesi ve düşük frekans performansı mükemmel denebilecek seviyede.

Her modern lambalı ampli tasarımında olması gereken DC ve regüleli filaman beslemeleri bu amplide de kullanıldı. Yalnızca 6C33C filamanları AC beslemeli ve (Negative Temperature Coefidicent) NTC rezistans kullanımı ile akım limitli. Besleme trafosu Ankara’da EKA firması tarafından özel sipariş ile sarıldı.

Amplinin şaselenmeden önceki “breadboard” safhasındaki hali. Sağ tarafta audio transformatörü, sol taraftaki ise besleme tranformatörü.Önde solda besleme, sağda sürücü baskılı devreleri görülüyor. Arkada görülen alüminyum soğutucu ise hoparlörleri simüle eden reziztif yük.

Şase tasarımı tamamen aluminyum ve eloksal kaplamalı iç parçalar ise alodin kaplamalı. Şase tasarımı 3 boyutlu CAD kullanılarak gerçekleştirildi.

Bu tasarım DIY olarak aktarmakla birlikte kesinlikle DIY yaklaşımı ile yapılmış bir tasarım ve üretim değil. Bu çalışmaya “bunu sakın evde denemeyin” türü bir ikaz daha yakışır sanırım.

Sol tarafta besleme regülatörlerinin bulunduğu baskılı devre ve sağ tarafta sürücü devresi bulunmakta. Besleme regülatörleri ve çıkış lambaları alt panel üzerine monteli iki adet fan ile soğutuluyor. Fan soğutma sıcak yaz günlerinde amplinin güvenilir bir şekilde saatlerce çalışmasını sağlıyor. Orta odacıkta 6C33C soketleri görülüyor.

Dinleme testlerinde elimdeki mevcut ampliler ile karşılaştırdığımda bu mimarinin hem güzel hemde çirkin özellikleri olduğunu farkettim. Performans özellikleri nedeni ile single ended mimarinin güç seviyesi, frekans tepkimesi ve distorsiyon seviyeleri bu tasarımda olabildiğince düzeltilmişti. Bu nedenle rahatsız edici mimari özellikleri de azaltılmıştı. Ancak 91dBW/metre randımanlı Dunlavy’ler bile karmaşık orkestral parçalarda daha fazla güç ve daha fazla bas kontrolü için kıvranıyordu. Daha düşük güçlü amplilerden ne beklenebilir ben bilemiyorum. Single endedlerin bir başka özelliği de eğer düşük frekanslarda hoparlörünüz yeterli çıkış veremiyorsa yarattıkları distorsiyon ile harmonik oluşturarak, hoparlör tasarımcıların “voicing” dedikleri sesi renklendirme işlevini amplinin sizin için yapıyor olması. Bu etki sesi daha yumuşak ve basları daha dolgun ve kuvvetli hissettiriyor. Özellikle bu tür bir bas etkisi olmadığı durumlarda orta sesler çok net ve gerçekçi. Feedback uygulanmamış hali inanılmaz dinamik ve rahat ancak teknik olarak bunu açıklayamıyorum. Ani seviye tırmanışlarının yarattığı distorsiyon ile oluşan bir enerji artışı söz konusu olabilir. Bas gevşekliğini algılamamak mümkün değil. Bunun bir nedeni de dinlediğim mekanda 25 Hertz civarında
kuvvetli bir rezonans olması ve bu bölgede düşük frekanslı seslerin şiddetinin artması ve gevşemesi. Bas yönünden fakir bir ortamda amplinin basları yayması bir avantaj olabilir. Single ended tutkunlarının Lowther gibi bas yoksunu hoparlör tercihleri bu nedenle çok uygun.

Bu yorumlarımdan olumsuz bir sonuç çıkarmanız kaçınılmaz ancak mekanik bir ölçü aleti gibi değilde bir müzikten keyif alan bir homo sapien gibi dinlemeye başladığınızda single ended büyüsünü algılamamanız mümkün değil! Aynı etkiyi CD’ler ile LP’leri kıyaslarken de algılamıştım. Meraklısına tavsiyem, kesinlikle düşük frekans kapsaması iyi olan büyük hoparlörler kullanmasınlar, hatta LP kullanarak 40 Hertzin altını tamamen unutmaları en hayırlısı. Müzik seçiminde Saint Saens gibi dinamik senfonik müzik yerine oda müziği jazz trioları ve vokal ağırlıklı müzikler tercih edilmeli. Biraz hangi şarabın hangi yemekle içileceği tarifi gibi oldu ancak benzerlik tartışılmaz.

Bir mühendis olarak bu tür yorumları yazarken kendimi çift kişilikli gibi hissediyorum. Bu nedenle biraz da ölçüm değerlerinden bahsetmek istiyorum.

Frekans kapsaması 10 Hertzten 20,000 Hertze kadar -0.1/-.25dB, 75KHz te -3dB değişme gösteriyor.

6 ohm yük ile %1 distorsiyon için 1KHz te 12Wrms, %3 distorsiyon için 26Wrms çıkış gücü alınabiliyor. 35 watlık çıkışı sinyal tepelerden kesilmeye başladığında almak mümkün oluyor.

20Hertzte 1Watt çıkışta bozulma (THD) %1.8. İdealde çok yüksek bir değer olmasına karşın single ended ampliler için çok iyi bir değer.

Yukarıdaki grafik: 40 Hertz 1 Watta bozulma %1 in altına, 100Hz te ise % 0.6 altına düşüyor. Bu single ended trafo çıkışının karakteristik özelliği.

Üst soldaki grafik, 1Watt güçte 1KHz lik bir sinyal ile oluşan bozulma seviyesi %0.08 in altınd. Üst sağdaki grafik; 1Watt çıkışta 19KHz ve 20KHz sinyallerden oluşan intermodülasyon bozulması %0.1 altında.

Üst sol: 10watt çıkışta oluşan inter modülasyon bozulması %0.3 altında. Üst sağ: Gürültü seviyesi 1Wattlık sinyale göre A filtiresi (sarı) ile 77dB, filtiresiz (mor) ölçüldüğünde 70dB cıvarında. Çok mükemmel değerler olmamakla birlikte 50 hertz şebeke gürültüsü çok belirgin değil. 91dB hasasiyette bir hoparlörün dibinde dahi duymak kolay olmuyor.

Bu değerleri Stereophile dergisinde yapılan detaylı testler ile karşılaştırdığınızda çok iyi sonuçlar olduklarını görebilirsiniz.

Son söz olarak single ended amfilerin herkese uygun olmadığını unutulmamamız gerekir.

Kaan Seler

kaanseler @ gmail.com