120 Watt Ultralinear Stereo Amplifikatör

Lambalı cihazlar ile ilk tanışmam 30-35 yıl önce çocukluk yıllarımda babamın Tandberg A4 makara teypi ile oldu. O dönemin popüler Garrard pikapı ile yaptığım kayıtlar makara teyp üzerinden çalındığında orjinalinden daha iyi ses veriyordu, bunun lambaların etkisinden olduğuna inanmıştım. Yıllar sonra lambalı amfilerin gizemini çözmek için bu proje benim için bir fırsattı.

Setimin bir parçası olan Magnepan 1.5QR Planar hoparlörler, sürülmesi zor hoparlörler olduğu için düşük çıkış güçleri benim için uygun değildi. Stereophile dergi arşivimden yaptığım teknik parametre araştırması sonucu en az 100W çıkış elde edebilecek stereo bir amfinin makul bir hacim ve ağırlıkla gerçekleştirilebileceğini gördüm. Çoğunlukla üst sınıf amfilerde kullanıldığını tespit ettiğim 6L6, EL34 ve 6550 gibi güç pentodları içinden 90lı yıllarda Svetlana firmasının yeniden meşhur ettiği SV6550C “beam” pentodunu kullanmaya karar verdim. Bu proje ile uğraştığım yıllarda, Rusya’nın en büyük lamba üreticisi olan Svetlana firmasının batı dünyası tarafından yeni tanınmaya başlaması, yüksek kaliteli 6550leri çok uygun fiyata alma imkanını sağlıyordu.

Lambalı amfilerden önce birkaç transistörlü çalışmam olmuştu, aslında bunların hiç biri high-end felsefesinde cihazlar değildi. Bana göre high-end felsefesi mühendislik yaklaşımı ile ölçülemeyen ancak var olduğu düşünülen bir çok unsuru birinci seviyede dikkate almak, bir anlamda tamamen analitik olan mühendislik disiplinine spiritüel yaklaşım denilebilir. Kablolarda bakır kristalleri arasındaki oksidasyonun minik diyotlar oluşturması ve bunun sesi etkilemesi gibi bu güne kadar kimsenin ölçemediği bir olguyu bir çok üreticinin ön plana çıkarması ve bu olguya dayalı çözümlere yüksek paraların ödenmesi örnek olabilir.

Oldukça pahalıya çıkacak bu çalışmamda başlangıç olarak high end malzemeleri ikinci plana attım ve tasarım felsefesi olarak lambalı cihazların günümüzün elektronik teknolojisine uygun yapıda olmasını hedefledim. Kulağa hoş geldiğine inanılan özellikler yerine tasarımda ölçülebilecek frekans kapsaması, distorsiyon, gürültü gibi parametreler üzerine yoğunlaştım.

Elektronik mühendisliği eğitimim transistör dönemine rastladığı için lambalar konusunda fazla bilgim yoktu. Bu nedenle önce lamba modellemesinin inceliklerine girerek daha sonra da SPICE simülasyonları kullanarak çeşitli lambalı devre simülasyonları ile sanal dünyada tecrübe kazandım. SPICE yazılımı University of California, Berkley kampusunda özellikle entegre devre simülasyonları için tasarlanmış son derece etkili bir devre simülasyon yazılımı. Ancak kütüphanesinde lamba elemanları bulunmamakta, buna karşın birçok lamba meraklısı oluşturdukları analitik modeller ile SPICE yazılımını lambalı devreler için de kullanmaktalar. Bende benzer bir yoldan giderek kendi modellerimi oluşturdum. Artık internette popüler lambalar için değişik modeller bulmak mümkün. Yine de SPICE devre simülatörü DIY’ler için kullanması oldukça zor bir yazılım.

Amplifikatörlerin tasarım başlangıç noktası çıkış katıdır, bu nedenle çıkış katı mimarileri amfi tasarımında belirleyici olur. Lambalı amfi tasarımları ilk olarak “Single Ended” mimari ile başladı ve çesitli evrelerden sonra “Ultra Linear” mimari ile altın çağlarına ulaştı. “Ultra Linear” mimari David Hafler ve Herbert Keroes isimli mühendislerin zamanın en verimli lambaları olan beam pentodları bir çeşit “screen feedback” kullanarak triod benzeri bir çalışma şekline dönüştürmelerine dayanmakta idi. Bu yapı o zaman için o kadar mükemmeldi ki daha sonra bir çok firma bu mimariyi kullandılar. 1998 yılında başladığım sizinle paylaştığım ilk lambalı amfi projeme bu denenmiş mimari ile başlamayı tercih ettim.

Seçilen çıkış mimarisi, lambalar ve amfinin A, AB veya B sınıfı olması çıkış gücünü belirler. Triyod lambalar en linear lambalardır. Tetrodlar en yüksek gücü verse de en fazla distorsiyon üreten lambalardır, pentod lambalar sabit ekran voltajı ile kullanıldıklarında tetrod benzeri bir performans sergiler. Ultra linear mimari, pentod lambalardan tetrod ve triyod arası bir performas sağlarken yeterli gücü de almamıza imkan verir. Benim tercihim olan 6550 odyo pentodlar, tipik AB sınıfı bir amfide en fazla 75 watt güç verebilirler. 2 çift kullanıldığında 150 watt, 3 çift ile 225 watt çıkış gücü alınabilir ve bu şekilde paralel yapı ile lamba sayısını artırarak gücü daha da artırmak mümkün olur. Tabii trafo kayıpları, çıkış empedansı uyumsuzluğu çıkış gücünü bir miktar düşürür. Bu lambaları belirttiğim sayılarda kullandığı halde daha fazla güçleri iddia eden üreticilere güvenmemek gerektiğini bilmeniz gerekir. Reklam edilen değerler ya doğru değildir ya da lambalar çok zorlanmaktadırlar. Benzer yapıdaki daha yeni lambalar olan KT88 ve KT90lar, 6550lerden daha fazla güç verebilmekteler.

Besleme voltajı olarak seçeceğiniz voltaj ise lambaların grid voltajlarını ve sinyal salınım değerlerini tanımlıyor. Normal olarak 6550 plate ısıl dissipasyon değeri olan 35 wattın ve maksimum plate voltajı olan 600 voltun altında çalışmak gerekiyor. Benim hedef olarak seçtiğim 100 watt üzeri çıkış gücü için 2 çift 6550 kullanmak gerekiyordu. Ben 475 volt ve 15 watt dissipasyon değerlerinde ve 6 ohm hoparlör yükü için 3.9 Kilo ohm “plate to plate” yük empedansında çalışmayı tercih ettim.

Ultra linear yapı, bir push-pull yapı olduğundan, sürücü devrelerinde giriş sinyalinin artı ve eksi fazlarını ayrıştırmak gerekiyor. Bu işlem için en uygun yapı “differential pair” yapısı olmasına karşın ilave sabit akım kaynağı ihtiyacı eski tasarımlarda popüler olmamasının ana nedeni. Ayrıca differential pair veya bir başka ismi ile “long tail pair” mimarisi geri besleme uygulamak için çok uygun bir mimari. Ben bu yapıyı giriş lambaları için sabit anode voltajı ve düşük empedans sağlayan “cascode” mimari ile daha düşük gürültü ve daha geniş frekans kapsaması elde edecek şekilde değiştirerek kullandım. Daha çok radyo frekans devrelerinde kullanılan Cascode yapı, mühendislik açısından ideal olmakla birlikte pentoda benzer çalışma şeklinden ötürü triyod severlerin tercih etmediği bir yapı.

Power amfiler tipik olarak 20-25dB kazanca sahip olurlar. Eğer geri besleme kullanacak ise, geri besleme değeri kadar daha yüksek kazanç elde etmemiz gerekir. Bu nedenle 15 dB geri besleme uygulayabilmek için benzer differential yapıyı peş peşe bağlayarak 36dB kazanç elde ettim. Odyofiller geri besleme konusunda pek iyi duygulara sahip değildirler. Aslında mühendislik eğitimim bunun aksini söylese de geri beslemenin ses üzerindeki kötü etkilerini daha sonra yaptığım başka bir çalışmada su götürmez bir şekilde gördüm.

Kademeler arası bağlantıyı kapasitörler ile gerçekleştirdim. Kapasitörleri film yapıda ve uygulanan voltajdan 2 kat yüksek voltaj değerinde, polyproplene tipi, endüktif olmayan kapasitör (MKP) çeşitlerinden seçtim. Vima, Epcos, Phillips gibi audio spesifik olmayan kapasitör üreticilerinin ürünleri doğru spesifikasyonlarda seçildiğinde odyofil markaları geride bırakacak performansa sahipler.

Sürücü ve çıkış katını ayrı ayrı çift yüzlü FR4 cinsi baskılı devrelerde tasarladım. Birinci giriş katında 12AX7 ve 12AT7 lambaları, ikinci kademede de aynı yapıda 12AU7 lambaları kullandım. Lamba markaları için özel bir tercihim yoktu, lambaları New York’ta bulunan NewSensor firmasından temin ettim. Daha sonra değişik marka lambalar da denedim.

Yan duvarlar iç kenarlarında sağ ve sol kanallar için sürücü ve güç katı baskılı devreleri monte edilmiş.

Çıkış transformatörleri lambalı amfilerin en önemli parçasıdır. Bu nedenle çıkış transformatörlerini kendim sarmayı tercih ettim. Nüve mimarisi için en uygun yapı olan “Double C Core” yapısını kullandım. Transformatör nüvesini yerli bir üretici olan ENPAY firmasınından sığabilecek en büyük ölçülü nüvesi olan SU120B grain oriented SiFe nüvesini seçtim. Silikonlu demir, nikel demir, nikel cobalt, superpermaloy ve daha da egzotik amorphous materiyaller nüve materiyali olarak kullanılmakta. Yine de daha kolay temin edilebilen büyük ölçülü, ince laminasyonlu, C yapılı bir silikon demir nüve optimum performansı verebilecek şekilde tasarlanabilmekte. Trafo tasarımında belirlenmesi gereken parametreler devre için gereken primer/sekonder oranı, en düşük çalışma frekansını belirleyen “primer endüktans” değeri ve “saturasyonu” belirleyen en düşük çalışma frekansındaki maksimum manyetik alan değerleridir. Sarım mimarisi ile kaçak endüktans ve yakınlık etkileri ve bunların yüksek frekans performansına olan olumsuz etkilerini de tasarım ile en aza indirdikten sonra trafoyu sarmaya başlıyorsunuz. Benim tasarımımda 12 katmandan oluşan iki adet bobin çıkış katındaki iki bacağın tamamen eşdeğer olmasını sağlıyor. Plate to plate 23 Henry endüktans değeri düşük frekanslara ulaşabilmeyi sağlıyor. Katmanlar arası izolasyonun mükemmel olması, 1000 voltluk salınımlarda katmanlar arasında ark yaratmamak için şart. Bu tür bir trafonun sarımı elde yapıldığında en az 40 saatlik yoğun bir işçilik gerekiyor.
Çıkış Trafosu ve tek kanal için sürücü ve güç lambaları görülmekte

Amplifikatörlerin en fazla besleme kaynakları kadar mükemmel olabildikleri unutulmamalıdır. Besleme kaynakları hem ses performansını hemde amfinin sağlamlığını etkiler.

Antik tasarımlarda lambalı diyotların kullanılması ile lambaların ısınması ve diyotların aktif hale gelerek besleme voltajlarının uygulanması aynı zamana denk gelir. Yarı iletken redresör diyotlarının kullanıldığı cihazlarda, lambalara katodunun ısınmadan besleme voltajının uygulanması, katod soyulması olarak adlandırılan lambanın kısa sürede tahrip olarak emisyondan düşmesine neden olan durumu oluşturur. Yarı iletken diyotların kullanıldığı yapılarda bu durumun oluşmaması için besleme voltajının başka yöntemler ile geciktirilmesi gerekir. Profesyonel RF güç amfilerinde kullanılan negatif grid voltajın da arada uygulanması, soft start, soğuk filaman için akım kısıtlaması gibi incelikler lamba ömrünü arttıran diğer önemli detaylar. Modern yada antik, binlerce dolarlık yüksek güçlü radyo frekans güç amplifikatörleri için bu önlemler uygulan-makta. Ancak bir adet WE300 triyodunun bin dolarlık fiyatı düşünülünce, 6 wattlık bir Single Ended amfi için dahi bu tür önlemlerin değeceğini düşünüyorum.

Projemdeki Mosfet regülatörlü +475 volt ve grid beslemesi -100 volt kaynağı yukarıdaki kriterlere tamamen uyuyor. Ayrıca 6550’ler dışında tüm filamanlar DC ve regüleli olarak besleniyor. İki kanallı olarak şaselediğim
amfimde sağ ve sol kanalların beslemesi ortak olarak EKA firmasının özel olarak sardığı 1 kilowattlık besleme trafosundan sağlanıyor. Ayrı olması kesinlikle daha mükemmel olurdu ancak amfinin bu ölçülere sığması mümkün olmazdı.

Yaklaşık 40 kg aşan bu yapının şase tasarımının bu yapıyı taşıyacak düzeyde olması gerekiyor. Kozmetik unsurlara önem vermediğim alüminyum levhalardan oluşan bu şase tasarımı CAD ortamında yapılarak mekanik olarak yeterli destek ve soğutma imkanını sağladı. Lambaların iki yanda ve şase ile ayrılmış olması lambalardan ısı yayılımını engelleyerek devre elemanlarının aşırı ısınmasını engelledi. Lambaların görünür olduğu edildiği tasarımlardan farklı olarak lambaları şase içinde saklamayı tercih ettim.

Bütün malzemeyi temin edip, montajı tamamladıktan sonra lambalı amfilere ilk güç verildiğindeki stresi anlatmak mümkün değil. 1000 voltun üzerine çıkabilen ve arkasında 1000 watt anlık kapasiteye sahip bir güç kaynağı ile tam bir elektrikli sandalye! Bir de harcadığınız onca emek ve paranın sigorta atmaya bile fırsat bulamadan havai fişek benzeri bir gösteri ile yok olabilme riski. Bu kadar dramatik olmasa da ufak tefek patlamalar ve kıvılcımlar sonucunda çalışır hale gelen amfinin vereceği keyif ise sonsuz. O an için fiyatı ve markası ne olursa olsun yaptığınız size dünyanın en mükemmel ürünü gibi gelir. Tabi bu çok kısa süreli olur ve eleştirel dinleme testleri ile kendinizi sıkmaya başlarsınız.

Bende ilk dinleme testlerimi setimin ana parçaları olan Magnepan QR1.5 hoparlörler, Adcom GPF-565 preamp ve Sony CDP 991 CD player ile yaptım. Referansım, solid state ADCOM GFA-555MkII güç amfisi idi. ADCOM’lar Stereophile dergisinde çıktığı yıllarda üst seviye cihazlar olarak kabul görüyordu. Ölçümlerin Stereophile dergisinde yayınlanan Conrad-Johnson benzeri güç amfilerine benzer değerlerde olmasına karşın ses kalitesi için hiç bir beklentim yoktu.

Ancak amfinin sesini ilk defa duyduğumda yüzümdeki gülümsemeyi engelleyemi-yordum. 200W çıkış gücü olan Adcom’dan daha düşük çıkış gücüne sahip olmasına rağmen belirgin şekilde daha dinamik çalıyorlardı, lamba mucizesini yakalamıştım. Baslar daha dolgun, ortalar ve tizler çok daha gerçekçi idi. Kıyaslandığında Adcom’un sesi tadı tuzu olmayan bir yemek gibiydi. Bir hata olarak kabul edilebilecek iç kablaja bağlı olarak oluşan hum 85dBlik düşük randımanlı hoparlörlerimde ancak hoparlörün yanında duyulabiliyor ve benim kullanımımda olumsuzluk oluşturmuyordu. Sürülmesi çok zor olan Magnepan’lar ile dahi yüksek sesli orkestral parçalarda amfi performansında bir olumsuzluk yaratmıyordu.

Bunca emek ve paranın boşa gitmemiş olması ve başarı inanılmaz bir keyif vermişti. Tabii bu olumlu sonuç bu konuda daha fazla efor ve harcamalar yolundaki ilk adımdı. Bundan sonra lambalı DIY çalışmaları bir birini izleyecekti. 6C33C kullanarak gerçekleştirdiğim monoblok amfiyi Stereo Mecmuası’nın üçüncü sayısında sizlerle paylaşmıştım.

120 Watt Ultralinear Stereo Amplifikatör

Üretici: Kaan Seler
email: kaanseler @ gmail.com