Wpływ obciążenia na pasmo przenoszenia wkładki

Lip 16, 2020

Ciekawy temat, niestety rzadko poruszany przez producentów wkładek gramofonowych i przedwzmacniaczy korekcyjnych: Jak (i dlaczego?) impedancja obciążenia wpływa na parametry odsłuchu? Będzie trochę technicznie, ale chyba warto.

Tekst: Ludwik Igielski, Filip Kulpa


Lyra Delos

Wśród miłośników gramofonów oraz młodych adeptów techniki analogowej panuje powszechne mniemanie, że za słabą jakość brzmienia gramofonów są odpowiedzialne złe dopasowanie mechaniczne między ramieniem a wkładką, słaba zdolność śledzenia rowka przez wkładkę czy nawet jej określone cechy dźwiękowe. Nie zawsze okazuje się to prawdą. Nierzadko przyczyna problemu tkwi w nieodpowiednim dopasowaniu elektrycznym wkładki i wejścia phono.
Wkładki gramofonowe generują bardzo mały sygnał wyjściowy (szczególnie dotyczy to niskopoziomowych przetworników MC). Ponadto zawierają składniki reaktancyjne (cewki), przez co charakter obciążenia może wpływać na charakterystykę częstotliwościową układu. Poziom wyjściowy wkładek MC bywa na tyle mały, że czasem używa się sprzężenia transformatorowego z przedwzmacniaczem, a to kolejne źródło ewentualnego niedopasowania. O tym również przeczytacie w tym artykule.

 

Rezonans elektryczny

W każdym układzie drgającym występuje zjawiski rezonansu. Instynktownie, bez głębszej wiedzy technicznej, rozumiemy naturę rezonansu mechanicznego – w szczególności zjawisko dotyczy także gramofonów (ale to temat na inną okazję). Nieco trudniejszym pojęciem jest rezonans elektryczny. Dla potrzeb niniejszych rozważań ograniczymy się do stwierdzenia, że obwód elektryczny zawierający pojemność (C), indukcyjność (L) i rezystancję (R) również jest podatny na to zjawisko – tak samo jak huśtawka, kawał blachy, obudowa głośnika, zawieszenie gramofonu czy układ ramienia i wkładki. Występuje tu pełna analogia do układów mechanicznych. Różnica polega wyłącznie na tym, że jedne parametry zastępujemy innymi.

Wkładka gramofonowa wraz z przewodami łączącymi je z przedwzmacniaczem phono oraz nim samym również tworzy obwód RLC, który – w myśl powyższego – jest podatny na występowanie rezonansu elektrycznego. Pojawia się on przy określonej częstotliwości – tzw. częstotliwości rezonansowej. Zazwyczaj występuje ona poza górną granicą pasma akustycznego, może jednak występować w pasmie akustycznym – to w przypadku wkładek z ruchomym magnesem. Jednak nawet gdy rezonans pojawia się przy kilkudziesięciu kilohercach, może mieć wpływ na charakterystykę przenoszenia wkładki oraz brzmienie w ogóle. Z tego właśnie względu poprawne dopasowanie wkładki do obciążenia (przedwzmacniaczem) jest zagadnieniem, którego nie powinno się lekceważyć.

Na potrzeby naszych rozważań istotne będą dwie podstawowe zależności:

  • częstotliwość rezonansową układu wkładka-przedwzmacniacz określają dwie wielkości: indukcyjność wkładki (L) oraz pojemność wejściowa stopnia phono (C), a ściślej – jej suma z wartością pojemności interkonektu i przewodu w ramieniu. Uściślając, liczy się iloczyn obu tych wartości (LC), a uściślając jeszcze bardziej – pierwiastek kwadratowy z tej wartości. Szczegóły w dalszej części artykułu.
  • wielkość rezonansu (obserwowanego jako pik na charakterystyce częstotliwościowej) determinuje rezystancja wejściowa przedwzmacniacza. Jej zadaniem jest tłumienie rezonansu układu na analogicznej zasadzie jak amortyzator tłumi tendencję auta do bujania się na wybojach czy pofalowaniach nawierzchni. Rezystancja obciążenia minimalizuje dzwonienie i przerzuty w sygnale elektrycznym. Parametry obciążenia wpływają na poziom szumów, ale przede wszystkim na przebieg charakterystyki częstotliwościowej – na to, jak duże podbicie/tłumienie sygnału wysokoczęstotliwościowego może wystąpić.

Z punktu widzenia szumów duża wartość rezystancji obciążenia jest korzystna. W odniesieniu do wkładek MC nie jest to jednak zazwyczaj dobre rozwiązanie, ponieważ im większa wartość obciążenia (w skrajnym wypadku – 47 kΩ), tym słabsze tłumienie rezonansu. Optymalny przedwzmacniacz gramofonowy dla wkładek MC powinien się cechować małą impedancją obciążenia: 20–200 Ω. Tak mała wartość utrudnia jednak utrzymanie niskiego poziomu szumów.

arcam rPhono gniazda

 Współcześnie produkowane przedwzmacniacze phono – nawet te niezbyt drogie, jak Arcam rPhono – są wyposażane w możliwość dość dokładnego strojenia wejść MM i MC.

 

Trochę teorii (dla dociekliwych)

Wkładkę gramofonową można przedstawić w formie układu zastępczego, zawierającego źródło napięcia Vc, połączone szeregowo z indukcyjnością wkładki Lc i rezystancją wkładki Rc. Pojemność kabla połączeniowego i pojemność wejściową przedwzmacniacza przedstawiono za pomocą kondensatora Ca (suma obu wartości), a rezystancję wejściową przedwzmacniacza – jako Ra. Dla dalszych rozważań istotne są wartości Lc, Ca (dalej, dla uproszczenia, będziemy używać symboli L i C) oraz Ra (R).

Schemat

Za pomocą symulacji kalkulatora zamieszczonego na stronie: http://www.hagtech.com/loading.html

lub po prostu wzoru:

F rez

można łatwo obliczyć częstotliwość rezonansową układu. Weźmy praktyczny przykład: wkładka Goldring GX1042 (L=570 mH) obciążona typową pojemnością wejściową C=100 pF. Częstotliwość rezonansowa wynosi w tym przypadku 21,1 kHz. Zwiększenie pojemności wejściowej do 200 pF (co nie jest „trudne”, zważywszy na fakt, że przeciętny interkonekt ma pojemność rzędu 100 pF, którą należy zsumować z pojemnością wejściową stopnia phono) przesuwa rezonans układu do zaledwie 14,9 kHz, co bezdyskusyjnie będzie wpływać na reprodukcję wysokich tonów. Dalsze zwiększanie pojemności wejściowej – na przykład do 400 pF – przesuwa pik do częstotliwości 10,5 kHz, co będzie tym bardziej słyszalne.

Warto wspomnieć, że standardowa rezystancja obciążenia dla wejść MM wynosząca 47 kΩ zapewnia dość skuteczne tłumienie rezonansów, jednak nie da się łatwo przewidzieć, jak duże byłoby podbicie. Tym bardziej, że w naszym obwodzie wkładki i obciążenia (przedwzmacniacza) tworzy się filtr dolnoprzepustowy. Ze względu na duże wartości indukcyjności wkładek MM (kilkaset mH) pasmo wkładki tego typu jest dość silnie ograniczone. I tak, dla naszej przykładowej wkładki (L=570 mH) górna granica odcięcia wynosi 13,1 kHz. Na ten wczesny spadek nakłada się wspomniany rezonans układu wkładka-przedwzmacniacz – zależny od pojemności wejściowej i kabla. Nic dziwnego, że charakterystyka przenoszenia systemu analogowego, opartego na wkładce MM, nie może być płaska w górnym zakresie pasma akustycznego.

 

inductance

Symulacja wpływu indukcyjności wewnętrznej wkładki (MM/MC) na jej rezonans i pasmo przenoszenia. Wartości bezwzględne nie są istotne – ważna jest ogólna tendencja. Źródło: www.hagtech.com

 

capacitance

Symulacja wpływu pojemności wejściowej przedwzmacniacza (wraz z kablem) na rezonans i pasmo przenoszenia wkładki MM. Niewielka pojemność może pomóc „wyciągnąć" dość słabo rozciągniętą górę większości wkładek MM, ale zbyt duża pojemność obciążenia (powyżej 200 pF) spowoduje mocne podbicie góry. Wartościami bezwzględnymi nie należy się sugerować. Źródło: www.hagtech.com

 

cart load f2

Symulacja wpływu pojemności obciążenia dla wkładki MM o indukcyjności 500 mH. Obciążenie 47 kΩ dobrze tłumi rezonans i przy pojemności wejściowej 100 pF otrzymujemy płaską charakterystykę. Źródło: http://sound.whsites.net

 

Generalnie rzecz biorąc, im wkładka ma mniejszą indukcyjność, tym szersze jest jej pasmo przenoszenia. Oznacza to, że wkładki MC mają o wiele szersze pasmo niż wkładki MM. Weźmy dla przykładu wkładkę MC (Audio-Technica AT-OC9XSL) o indukcyjności 25 uH (1 kHz) – (to aż o cztery rzędy wielkości mniejsza wartość niż dla wkładek MM!) i jej obciążenie rezystancją 100 Ω – typową wartością „domyślną” dla wejść MC. Otrzymujemy wynik 637 kHz, tymczasem pasmo przenoszenia dobrych wkładek MC sięga z reguły 50–60 kHz. Skąd tak duża różnica? Nie można zapominać, że wkładka MC jest elementem mechanicznym, o określonej masie, a co za tym idzie – bezwładności. Oczekiwanie, że igła wraz ze wspornikiem mogłyby przenosić drgania o częstotliwości 500 kHz jest nierealistyczne.

Proste wyliczenia częstotliwości rezonansowej układu wkładka MC-przedwzmacniacz phono także dają wyniki rzędu setek kiloherców (a nawet powyżej 1 MHz), więc wydawać by się mogło, że problem konieczności tłumienia rezonansu w tym wypadku nie istnieje. Niestety, mało który producent wkładek MC podaje wartości indukcyjności, a pomiar tej wartości zwykłym miernikiem rodzi ryzyko uszkodzenia cewki i jest obarczony dużym błędem. Tak więc w znakomitej większości przypadków nie możemy określić, choćby w przybliżeniu, jak wysoko leży rezonans i jak szerokie jest pasmo, a w związku z tym – jak bardzo należy ów rezonans tłumić mniejszą rezystancją obciążenia. Co w tej sytuacji? Jedyną miarodajną metodą jest pomiar pasma przenoszenia wkładki za pomocą specjalistycznej płyty testowej (co wymaga użycia urządzenia pomiarowego, oscyloskopu) i wyciągnięcie na tej podstawie wniosku, czy potrzebne jest większe (za dużo góry), czy też mniejsze (za mało góry) tłumienie.

Optymalną wartość obciążenia w zależności od indukcyjności wkładki i pojemności wejściowej obciążenia można także próbować określić ze wzoru:

Ropt

Reasumując, wkładki MC mają dużo szersze pasmo przenoszenia niż bardziej popularne i przystępne cenowo przetworniki MM. Szerokość tego pasma zależy jednak od wartości rezystancji wejściowej przedwzmacniacza (i do pewnego stopnia także pojemności).

 

Obciążenie MC – praktyka

W praktyce, najczęściej stosowaną rezystancją obciążenia wejścia MC jest wartość 100 Ω, co wynika także z ogólnego zalecenia dotyczącego dopasowania impedancji wejściowej wzmacniacza do rezystancji cewki wkładki. Mówi ona, że ta pierwsza wartość powinna być od 5 do 10 razy większa od drugiej. Natomiast w przypadku transformatorów wielokrotność powinna wynosić od 1 do 5 razy. Przyczyną tego jest fakt, że indukcja w cewkach transformatora ma bezpośredni wpływ na wielkość obciążenia wkładki.

Zwiększanie rezystancji obciążenia ze 100 na przykład do 330 Ω czy 1 kΩ powoduje zmniejszenie tłumienia rezonansu wysokoczęstotliwościowego i generalnie przyczynia się do uzyskania nieco jaśniejszego brzmienia wkładek MC. W ich przypadku wpływ pojemności wejściowej jest znacznie mniejszy niż dla wkładek MM. Niektórzy producenci, jak np. Lyra, udzielają bardzo konkretnych wskazówek dotyczących rekomendowanych wartości obciążenia zależnie od pojemności wejściowej. Większa wartość pojemności wejściowej redukuje optymalną wartość obciążenia (i vice versa), przy czym ta współzależność jest raczej słaba i nie ma charakteru liniowego, o czym warto pamiętać.

Niektóre przedwzmacniacze gramofonowe MC nie umożliwiają dokładnego dopasowania w zakresie impedancji i pojemności. Dotyczy to głównie sytuacji, gdy jest to moduł wbudowany we wzmacniacz zintegrowany albo występuje jako część przedwzmacniacza kompletnego. Ma to swoje dobre i złe strony. Korzystną cechą będzie to, że z góry zadana rezystancja wejściowa prawdopodobnie będzie miała wartość w zakresie od 50 do 100 Ω, co stanowi przydatną wartość dla wielu modeli wkładek z ruchomymi cewkami. I tylko w sporadycznych przypadkach może się okazać zbyt mała. Ograniczeniem takiego rozwiązania jest gorsza kompatybilność z bardziej nietypowymi wkładkami. Z tego względu godne polecenia są te modele phonostage’y, które wyposażono w obrotowe przełączniki lub potencjometry umożliwiające zmianę nastaw wejściowych w czasie rzeczywistym podczas krytycznego odsłuchu.

 

Czym się objawia brak dopasowania?

Słabe dopasowanie impedancji między wkładką z ruchomymi cewkami a wejściem phono czy urządzeniem zapewniającym dodatkowe wzmocnienie (step-up) najczęściej jest przyczyną rozczarowującej jakości dźwięku. Objawy mogą być różne i trudno jest w tym miejscu uogólnić, czego dokładnie można się spodziewać. Typowe objawy to słyszalne „dzwonienie” wysokich tonów, nierównomierne pasmo przenoszenia (łatwe do wychwycenia), a także zwiększony poziom szumów. Instrumenty strunowe mogą mieć „skrzeczące” brzmienie, wokale będą stłumione, a cały przekaz nie będzie żywy i interesujący.

Słyszalne efekty przy zbyt dużej impedancji obciążenia objawiają się zwykle brakiem niskich częstotliwości, nieco twardym lub „technicznym” dźwiękiem, o słabym obrazowaniu. Jeśli z kolei brzmienie jest nieco zawoalowane i martwe, to najprawdopodobniej impedancja obciążenia jest zbyt mała. Jednakże przed podjęciem jakichkolwiek działań dobrze jest ustalić, jak producent określił wymaganą impedancję obciążenia oraz oczywiście sprawdzić parametry wejścia gramofonowego lub transformatora dopasowującego.

Moon 110LPV2 spod

 

Transformatory dopasowujące

Dla wielu osób może być to dość niezrozumiały i trudny temat z powodu nieliniowości transformacji impedancji. Mówiąc najprościej, zmiana impedancji zależy od kwadratu ilorazu zwojów. W przypadku przekładni 1:10 (20 dB) impedancja jest przekształcana o współczynnik 100. Oznacza to, że przy obciążeniu uzwojenia wtórnego rezystancją 47 kΩ (transformator dołączony do standardowego wejścia MM) uzwojenie pierwotne odzwierciedla impedancję 470 Ω – taką wartość „widzi” wkładka MC.

Spotyka się różne rodzaje transformatorów. Standardowe przekładnie to 1:5 (14 dB), 1:10 (20 dB), 1:20 (26 dB) i 1:30 (30 dB). W związku z tym przy współpracy z wejściem 47 kΩ każdy z nich będzie charakteryzował się inną wartością impedancji wejściowej widzianej przez wkładkę.

Aby uzyskać właściwe dopasowanie, możliwe są dwa scenariusze:

  • zmieniamy impedancję wejściową we współpracującym z transformatorem przedwzmacniaczu albo dokładamy równolegle do 47 kΩ dodatkową rezystancję. Wartość można obliczyć ze wzoru na rezystancję zastępczą dwóch rezystorów połączonych równolegle (iloczyn wartości podzielony przez ich sumę).
  • drugą opcją jest umieszczenie równoległego rezystora po stronie pierwotnej transformatora, ale wtedy należy w obliczeniach uwzględnić wartość przekładni zwojowej podniesioną do kwadratu.

Każdy transformator czy cewka charakteryzuje się indukcyjnością, a więc pewną nieliniowością. Z kolei indukcyjność transformatora zmienia się wraz z częstotliwością. I tu mogą się pojawić słyszalne komplikacje, a uzyskane wyniki okazać się nieprzewidywalne. Okolicznością łagodzącą będzie to, że szum wnoszony przez takie urządzenie pasywne praktycznie nie istnieje. Zwłaszcza gdy porównamy z aktywnym przedwzmacniaczem, który zawsze wytwarza pewien poziom niepożądanego szumu.

jc3jr black back

Zbyt mała impedancja obciążenia transformatora, tłumiąc efekt dzwonienia i rezonansu elektrycznego, może spowodować znaczny spadek mocy na wyjściu. Jeśli producent transformatora nie określił inaczej, należy zacząć eksperymenty od standardowej wartości 47 kΩ stosowanej dla wkładek MM. Jeśli dźwięk jest zbyt jasny i ofensywny, to warto spróbować zmniejszyć impedancję obciążenia wejściowego, o ile opcja ta jest dostępna.

Natomiast jeśli dźwięk jest ciemny, stłumiony i pozbawiony dynamiki, impedancja może być zbyt mała, ale nie zawsze, ponieważ wartość 47–50 kΩ mieści się w zakresie oczekiwanej impedancji wejścia gramofonowego. Prawidłowe obciążenie skutkuje kontrolą nadmiernego „dzwonienia” i ogranicza słyszalne anomalie odpowiedzi częstotliwościowej do minimum.

Reasumując, jeśli to możliwe, należy stosować przedwzmacniacze gramofonowe z możliwością doboru impedancji obciążenia zamiast transformatora dopasowującego. Wyjątkiem może być sytuacja, w której transformator został specjalnie zaprojektowany dla konkretnej wkładki.

 

Dopasowanie wkładek MM

Wkładki z ruchomym magnesem są bardziej popularne, ale i dużo bardziej wrażliwe na pojemność wejściową przedwzmacniacza, rozumianą jako sumę pojemności kabla połączeniowego i pojemności obciążenia samego wejścia. Jest to dość istotny problem, ponieważ – jak wcześniej pokazaliśmy – wpływa na charakterystykę częstotliwościową systemu. W wielu przypadkach pojemność wynika przede wszystkim z samego kabla łączącego gramofon z przedwzmacniaczem. Dobry kabel powinien mieć nie więcej niż 150-200 pF pojemności. Generalnie, im mniej – tym lepiej. Oczywiście w przedwzmacniaczu może istnieć opcja dodania pojemności, ale bezpieczniej jest ograniczyć się do ustawienia minimalnego.

 

Źródła:
[1] http://www.hagtech.com/loading.html
[2] http://sound.whsites.net/articles/cartridge-loading.html
[3] https://www.mysonic.space/phono-cartridge-impedance-loading
[4] https://www.vinylengine.com/cartridge_database_tools.php#MCCartridgeBandwidth 

 

Podsumowanie

Merlin ramie wkladka

Wkładki gramofonowe charakteryzują się złożoną naturą elektryczną, skutkującą zachowaniem się, którego nie jesteśmy w stanie z góry przewidzieć. Pomocne są kalkulatory i symulacje, ale i one zawodzą, ponieważ rzadko kiedy znamy dokładne wartości pojemności połączeń elektrycznych (istotne dla wkładek MM) czy indukcyjność wewnętrzną wkładek MC. Niemniej, da się sformułować ogólne wnioski i zależności, co w tym artykule staraliśmy się przedstawić. Mimo to, niektóre kwestie pozostają otwarte i wymagają po prostu testów odsłuchowych, ewentualnie precyzyjnych pomiarów z wykorzystaniem płyty testowej, by móc określić potrzebne korekty parametrów obciążenia.

Z naszych doświadczeń wynika, że charakterystyka przenoszenia wkładek zawsze wykazuje duże odchyłki od liniowości powyżej 12–13 kHz, co – jeśli jesteśmy w stanie zmierzyć/usłyszeć – daje konkretne wskazówki, w którym kierunku powinniśmy podążać: zwiększenia czy zmniejszenia tłumienia (w przypadku MC), czy też zwiększenia albo zmniejszenia pojemności wejściowej/kabla. Na to wszystko nakładają się oczywiście osobiste preferencje słuchacza i to one zadecydują o tym, że albo większa pojemność, albo większa rezystancja obciążenia zapewni subiektywnie lepszy efekt. Niemniej, w tego typu eksperymentach, jeśli są prowadzone „po omacku”, warto zachować umiar i kilka razy sprawdzić przeprowadzoną korektę w myśl zależności psychoakustycznej: że brak pogorszenia jakości dźwięku bywa interpretowany jako jego poprawa.

 

Więcej w tej kategorii: « Co kryje klasa D?

Skomentuj

Upewnij się, że pola oznaczone wymagane gwiazdką (*) zostały wypełnione. Kod HTML nie jest dozwolony.

Aktualnie w testach

  • Gato Audio FM-15
  • Polk Audio Legend 100
  • Martin Logan Motion 35 XTi
  • Arcam CD73T
  • Primare PRE35 PRISMA & A32.2
  • T+A SD3100HV / PDT 3100HV
  • Gryphon Antileon EVO
  • Gauder Akustik Arcona 60 mkII
  • Podkładki i platformy antywibracyjne

Ranking urządzeń

ranking

Polecane strony

Kontakt z redakcją