OTL một hướng đi của ampli đèn điện tử

Chất âm của ampli OTL không giống điện tử mà cũng không giống bán dẫn. Nó mạnh mẽ, nhanh và tươi sáng, sống động hơn các ampli đèn bình thường dùng biến áp.

Nổi tiếng bởi chất âm ấm áp và quyến rũ, nhưng một trong những nhược điểm của đèn là phải dùng biến áp xuất âm (vốn khó chế tạo và đắt tiền) để phối hợp với tải loa. Giải pháp ampli đèn OTL (Output Transfomer Less) – không dùng biến áp xuất âm là một hướng đi không mới, nhưng khá hiệu quả được một số nhà chế tạo ampli ứng dụng.

Ampli OTL hiệu Eternal Art.

Đối với đôi tai của nhiều tay chơi audio, đèn điện tử chân không vẫn là thiết bị điện tử duy nhất được chấp nhận làm công cụ khuyếch đại âm thanh. Đâu đó vẫn đang xảy ra những cuộc tranh cãi dường như không bao giờ chấm dứt về những ưu nhược điểm mà sò bán dẫn hay đèn điện tử mang lại. Tuy nhiên, nhiều người vẫn phải thừa nhận rằng âm thanh của đèn điện tử có những bản sắc riêng, rất hấp dẫn.

Tuy có những ưu điểm về âm thanh, nhưng đèn lại có nhược điểm cố hữu, đó là trở kháng ra rất cao làm cho chúng không thể phối hợp trực tiếp với các bộ phận loa thông dụng trên thị trường, vốn có trở kháng 4 – 16 ohm. Vì thế, người ta phải dùng một biến áp xuất âm để phối hợp giữa trở kháng ra cao của đèn với trở kháng thấp của loa. Vấn đề phát sinh ở chổ các biến xuất âm khá khó chế tạo. Biến áp rẻ tiền thì chất lượng thấp, biến áp chế tạo cầu kỳ bằng những vật liệu tốt thì giá lại rất cao. Có thể nói, chất lượng cũng như giá thành của một ampli đèn phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của biến áp xuất âm.

Về mặt kỹ thuật, ở phạm vi tầng số thấp, độ tự cảm hữu hạn của biến áp sẽ làm cho tiếng trầm khó sâu, còn ở tần số cao, điện dung tạp tán giữa các vòng dây biến áp sẽ gây mất tiếng cao và tạo ra hiện tượng méo phi tiếng và lệch pha tín hiệu. Vì thế, các nhà thiết kế âm thanh đã nổ lực để tạo ra những biến áp cao cấp ngay từ những ngày đầu của công nghệ âm thanh hi-fi. Các nghiên cứu và tài liệu quan trọng về máy biến áp cũng như các phương pháp phân tích tính toán căn bản đã có từ đầu thế kỉ XX. Nhưng chế tạo ra biến áp tốt luôn đồng nghĩa với giá thành rất cao. Nếu một chiếc ampli đèn không thể tốt hơn và biến áp xuất âm, thì tại sao lại không loại bỏ đi chiếc biến áp xuất âm để ampli mang lại hiệu quả và chất lượng xuất sắc hơn. Vì thế, hơn 50 năm qua, các audiophile vẫn tìm kiếm câu trả lời cho các câu hỏi: Làm thế nào để thiết kế ra một ampli OTL (Output Transfomer Less – không cần biến áp xuất âm) mạnh mẽ, công suất lớn hơn?

Một headamp (ampli cho headphone) OTL dùng bóng 6AS7G.

Trở ngại lớn nhất để "xây dựng" một ampli OTL là vấn đề trở kháng. Các đèn điện tử vốn được thiết kế là những thiết bị hoạt động theo cơ chế dòng diện thấp và điện áp cao, còn các loa hiện đại cần những dòng điện lớn ở mức điện áp tương đối thấp. Đại đa số các đèn công xuất phô thông như EL-34, KT-88, 6550… đều có trở kháng ra lớn gấp mấy trăm cho đến hàng ngàn lần so với trở kháng của loa. Ampli OTL thương mại đầu tiên trên thế giới là của hãng Stephens, nhưng chỉ được thiết kế với mục đích khuyếch đại âm thanh cho chiếc loa 500 ohm của chính hãng này. Tuy nhiên, nó không phải là thành công của hãng. Nhưng qua sản phẩm OTL của Stephens, người ta đã biết những khó khăn căn bản khi thiết kế một mạch OTL: Làm thế nào để kết hợp một tải trở kháng thấp với một đèn chân không trở kháng cao mà không cần sử dụng biến áp phối hợp trở kháng?

Với sự ra đời của đèn ba cực kép công xuất lớn 6AS7G (đèn ổn áp cho các thiết bị quân sự Mỹ) vào năm 1946, nhiệm vụ chế ra ampli OTL xem ra khả thi hơn. Trở kháng anode của một đèn 6AS7 là 280 ohm. Nếu đấu song song 2 nữa của một đèn, thì nó còn khoảng 140 ohm. Nếu ta có lượng đèn đủ đế kết hợp song song, thì sẽ không quá khó để kéo một tải loa, mà vào thời xưa, có trở kháng thường là 16 ohm.

Kế tiếp kết quả của Stephens, trong những năm 1970, một số nhà sản xuất đã chế tạo ra những chiếc máy hát phono có kèm radio kích thước lớn. Trong đó, họ gắn những chiếc loa điện động được quấn một cách đặc biệt để có trở kháng lên đến 400-600 ohm. Với trở kháng cao như thế, loa có thể nối thẳng vào đèn mà không cần qua biến áp xuất âm và âm thanh của những chiếc máy quay đĩa này khá ấn tượng, song đây cũng là một giải pháp nửa vời, bởi những loa của loại máy này được gắn cố định trong máy và không thể nối thêm loa ở bên ngoài. Mặt khác , công xuất của máy hát này khá nhỏ, tối đa khoảng 5-7 Watt.

Ampli OTL dùng bóng 12B4.

Đèn công xuất đầu ra tốt cho ampli OTL được sử dụng ban đầu chính là các bóng có nội trở thấp dùng trong mạch ổn áp, trong đó phải kể đến các bóng đèn kép công xuất lớn như: 6AS7G, 6080, 6082, 6336/A/B, 7236 và 7241. Tất cả đều là các bóng đèn ba cực đốt gián tiếp.

Juliius Futteman, kỹ sư người Mỹ là người đầu tiên nghiên cứu sâu về các thiết kế ampli OTL lại bắt đầu bằng một mạch điện sử dụng 8 chiếc đèn 12B4 ( một loại đèn 3 cực đơn có kích thước nhỏ hơn các loại đèn kép nói trên ). Sau khi thành công với những thiết kế 12B4, ông đã thử nghiệm chuyển qua dùng đèn 5 cực (penthode) ở tầng ra, bởi đèn 5 cực có công xuất lớn hơn và dễ thiết kế tầng driver hơn. Tuy nhiên, các ampli OTL dùng đèn 5 cực lại cần số lượng đèn nhiều hơn và có độ méo nhiều hơn so với đèn 3 cực.

Trong thời "chiến tranh lạnh", dân chơi audio có thú vui tự chế ampli. Các kỹ sư thiết kế ampli OTL chỉ biết đến các loại đèn của quân đội Mỹ như đã nói ở trên và người ta cho rằng đèn 6336A là đèn triode công xuất tốt nhất dành cho OTL. Đèn này được dùng khá phổ biến trong các mạch OTL tự chế (DIY), nhất là ở hai quốc gia Pháp và Nhật Bản. Trong một bài báo đăng trên tạp chí JAES (Journal of Audio Engineering Society), Futteman có đề cập tới bóng đèn 6336A với sự ưu ái lớn. Bởi ông thấy lượng phát xạ lưới khá cao và hệ số khuyếch đại thấp của đèn 6AS7G là những nhược điểm. Trong khi đó, đèn 6336A có hệ số khuyếch đại cao hơn và điện trở anode chỉ còn dưới 100 ohm (với cả hai đèn đấu song song) hoạt động rất tốt và phù hợp với thiết kế của ông.

Thực tế trong nhiều năm, đèn 6336A chỉ đứng sau đèn 7241 của Sylvania với điện trở anode rất thấp (7241 là đèn 3 cực có 3 đèn trong một vỏ). Đấu song song 3 phần lại, ta có trở kháng anode của 7241 chỉ còn là 67 ohm và dòng anode lên đến 550mA. Tuy nhiên, đèn này quá hiếm và rất đắt nên 7241 chưa bao giờ phổ dụng ở ngoài biên giới nước Mỹ. Nó cũng là đèn đặc biệt, nên Mỹ sản xuất với số lượng khá hạn chế, vì thế rất khó tìm.

Kết thúc "chiến tranh lạnh", các kỹ sư và dân chơi âm thanh phương tây mới được biết đến một "của hiếm" của quân đội Liên Xô (cũ), đó chính là chiếc đèn 6C33C huyền thoại. Thực chất 6C33C cũng là một đèn 3 cực kép công xuất lớn, có cấu tạo kì dị và cực kì chắc chắn về mặt cơ học với lớp vỏ thủy tinh dày và hai nữa đèn với lớp thép anode dày tới cỡ milime-tre. Thực chất trong những năm 6C33C còn trong vòng bí mật, LiênXô (cũ) cũng khá hạn chế việc sản xuất dòng đèn EC33C.

Được sản xuất tại Liên Xô, nhưng chủ yếu cung cấp cho thị trường Nhật Bản. Đèn này được cho là nguyên mẫu đầu tiên của sản phẩm danh tiếng bây giờ là Sovtek 6C33C-B Đèn 6C33C có nhiều tính chất rất phù hợp để lắp ampli OTL như điện áp sử dụng thấp. Ví dụ ở Ua khoảng 145V, dòng qua đèn có thể lên đến 400mA, trở kháng anode là 100 ohm và hệ số khuyếch đại là 2,7. Đèn 6C33C có chất lượng cũng như các đặc điểm tương tự như 6336A, nhưng có giá rẻ hơn rất nhiều. Vì thế, từ khi "lộ diện", 6C33C nhanh chóng trở thành lựa chọn hàng đầu cho các thiết kế ampli OTL trên toàn thế giới.

Trong các dòng điện tử, trở kháng anode là một tham số động, nghĩa là khi cho đèn chạy ở chế độ dòng thấp - áp cao thì trở kháng tăng và ngược lại. Do đó, để có thể kéo được loa trở kháng 8 ohm, trong hầu hết các thiết kế OTLdùng 6C33C nói riêng và các đèn khác nói chung, người ta phải đấu song song nhiều đèn để hạ trở kháng ra, đồng thời chạy ở điện áp anode thấp, dòng anode cao.

Ampli OTL dùng bóng 6C33C.

Cho đến nay, chỉ còn hai loại đèn hay được các hãng và các tay tự ráp DIY dùng để làm ampli OTL là 6AS7 (hoặc 6H13C của Nga ) và 6C33C, vì những đèn này có nhiều, giá rẻ và dễ thay thế.

Một số hãng nổi tiếng với các thiết kế ampli OTL như Atmasphere, Joule Electra, Transcendent (Mỹ), Tenor Audio (Canada)… có những sản phẩm OTL chất lượng rất tốt, được trưng bày ở các triển lãm hi-end quốc tế. Chất âm của ampli OTL không giống điện tử mà cũng không giống bán dẫn. Nó mạnh mẽ, nhanh và tươi sáng, sống động hơn các ampli đèn bình thường dùng biến áp, tiếng trầm gọn, có độ tiềm tàng của công xuất và hình khối. Trung tâm rõ nét, trong trẻo, nhưng không ngọt theo kiểu dịu như ampli có biến áp. Dải tần công mở rất rộng, tinh tế và giàu chi tiết. Vì không có biến áp xuất âm, nhiều ampli OTL có dải tần cao lên đến hàng trăm kHz.