Zaloguj
- maksymalna moc wyjściowa: około 15 W,
- znamionowa impedancja obciążenia: 8 Ω,
- jeden kanał (monoblok),
- wejście sygnału: asymetryczne,
- wykonany w całości na elementach dyskretnych, bez układów scalonych,
- stopień końcowy pracujący w klasie AB z wysokim prądem spoczynkowym (przeważa praca w klasie A),
- zasilacz transformatorowy ze stabilizacją napięcia,
- chłodzenie wyłącznie pasywne, za pomocą masywnych radiatorów.
Obudowa
Układ modelowy został zmontowany w obudowie MINI DISSIPANTE 2U o symbolu 1MNPDA02/33/300B, która została zakupiona w firmie EX-OR modushop.pl z Wrocławia. Przedni panel jest wykonany z płyty aluminiowej o grubości 10 mm w kolorze naturalnym (srebrnym), jest on anodowany dla zabezpieczenia przed brudzeniem. Do obudowy została dokupiona płyta montażowa, Mini PD 33/250 244×240 mm perforowana, na której osadzono płytki oraz transformator sieciowy.
Układ podzespołów wewnątrz obudowy został pokazany na rysunku 6 wraz z wymiarowaniem. Takie rozmieszczenie elementów na panelu przednim i tylnym jest ergonomiczne, a zarazem umożliwia redukcję długości najważniejszych połączeń. Transformator sieciowy jest odsunięty od czułych obwodów wejściowych wzmacniacza, co zmniejsza przenikanie przydźwięku sieciowego. Obudowa została spersonalizowana przez firmę EX-OR (usługa dodatkowo płatna) poprzez jej wycięcie, wyfrezowanie i nawiercenie w odpowiednich miejscach.
W płycie tylnej zostały wycięte otwory pod złącza sygnałowe, złącze zasilające IEC i dwa zaciski głośnikowe (rysunek 7). Użyte w prototypie gniazdo RCA zostało przykręcone dwiema śrubkami M3, z kolei gniazdo BNC ma cztery gwintowane otwory w rogach, idealnie pasujące pod śruby z gwintem M2,5.
Natomiast gruba płyta przednia musiała zostać nie tylko powiercona, lecz również miejscowo pocieniona (podfrezowana), aby możliwe było przykręcenie do niej oprawki diody LED, potencjometru regulacji głośności oraz wyłącznika sieciowego. Szczegóły zostały pokazane na rysunku 8. Wszystkie trzy elementy znajdują się w połowie wysokości płyty czołowej. Kreski na panelu przednim ułatwiają precyzyjne ustawienie pokrętła regulacji głośności, a jest ich więcej niż jedna na wypadek, gdyby któraś się starła w trakcie eksploatacji. Podłużne frezowanie od strony wnętrza obudowy służy zabezpieczeniu potencjometru regulacji głośności przed przekręcaniem się.
Boki obudowy są jednocześnie czernionymi radiatorami, które doskonale odprowadzają ciepło z tranzystorów. Zostało w nich wykonane łącznie siedem otworów z gwintem M3, które służą przykręceniu tych elementów półprzewodnikowych. Szczegółowe wymiary znajdują się na rysunku 9. Radiatory są na tyle duże, że chłodzenie pasywne jest całkowicie wystarczające.
Omówione tutaj rysunki znajdują się w materiałach dodatkowych. Każdy z nich występuje zarówno w formacie DXF, jak i PDF, co ułatwia ich przeglądanie, zmodyfikowanie oraz przesłanie do firmy wykonującej wycięcia.
Montaż
Płytki zasilacza i wzmacniacza należy przytwierdzić do płyty montażowej obudowy za pośrednictwem izolujących tulei dystansowych o długości 8 mm, najlepiej wykonanych z poliamidu. Najlepiej przykręcić je krótkimi śrubami M3 do płytek, a dopiero potem włożyć w wykonane w płycie montażowej otwory. Wtedy można przykręcić gwinty tulei dystansowych nakrętkami od spodu. Płytę montażową trzeba nawiercić samodzielnie – zwykła wiertarka i ostre wiertło do metalu pozwolą wykonać to zadanie w kilkanaście minut.
Po takiej przymiarce można włożyć tranzystory mocy w przeznaczone dla nich otwory na płytkach drukowanych, przykręcić do radiatorów (ich nóżki trzeba będzie lekko dogiąć dla zachowania dobrego styku z powierzchnią radiatora) i przylutować, choćby prowizorycznie.
Potem tranzystory należy odkręcić, płytki wyjąć z obudowy, po czym poprawić lutowanie tranzystorów: wyprowadzenia skrócić i zalać pola lutownicze spoiwem. W ten sposób uzyskamy pewność, że tranzystory znajdą się dokładnie na swoich miejscach po przykręceniu płytek do obudowy, bez żadnych przesunięć które będą później trudne do zlikwidowania.
Na fotografii 4 zostały pokazane płytki z przylutowanymi tranzystorami, osadzone na stałe w obudowie. Pod tranzystory należy zastosować podkładki izolacyjne, zaś pod łebki śrub tulejki izolacyjne dla galwanicznego odseparowania ich od radiatorów. Warto pamiętać również o cienkiej warstwie pasty termoprzewodzącej dla poprawy przewodnictwa cieplnego.
Transformator sieciowy można przykręcić do płyty montażowej, używając do tego jednego z otworów jej perforacji – mają wystarczającą średnicę. Połączenia prowadzące napięcie sieciowe powinny być, w miarę możliwości, skręcone ze sobą dla zmniejszenia natężenia emitowanego przez nie pola o częstotliwości 50 Hz. Ta sama uwaga powinna dotyczyć przewodów uzwojenia wtórnego, które prowadzą do płytki zasilacza, lecz są one dosyć twarde i zachodzi obawa ich złamania. Szczegóły można zobaczyć na fotografii 5.
Na tej samej fotografii są widoczne również szczegóły montażu złączy na tylnej płycie oraz połączeń między nimi. Pod jedną ze śrubek mocujących gniazdo BNC do ścianki zostało podłożone oczko lutownicze, a do niego został dolutowany odcinek drutu łączący je z masą złącza RCA oraz bolcem PE złącza IEC. Obudowa jest połączona z masą układu tylko przy gniazdach sygnału wejściowego.
Od tego samego oczka lutowniczego został poprowadzony przewód łączący je z zaciskiem GND złącza J2 na płytce wzmacniacza. Z kolei przewód ekranowany, który łączy gniazda sygnałowe z potencjometrem, ma ekran połączony z masą tylko przy gniazdach – przez ekran nie płynie prąd. Taki sposób prowadzenia masy gwarantuje brak pętli masy. Sygnał wyjściowy z potencjometru oraz jego masa są podłączone do zacisków złącza J2. Ponieważ odcinek pomiędzy potencjometrem a płytką wzmacniacza jest relatywnie krótki, nie użyto przewodu ekranowanego, lecz opleciono przewód sygnałowy wokół przewodu masy. Można to zobaczyć na fotografii 6, a układ połączeń jest zgodny z rysunkiem 3. W układzie prototypowym użyto gałki na potencjometr z precyzyjną podziałką, aby móc dokładnie ustawiać żądany poziom głośności.
Potencjometr regulacji głośności ma wyprowadzenia przystosowane do wlutowania ich w płytkę drukowaną. W układzie prototypowym zastosowano odpowiednia płytkę-przejściówkę, która ułatwia montaż, choć nie jest ona konieczna. Użyto jednej sekcji potencjometru, druga jest niepołączona.
Kontrolka LED ma przylutowany szeregowo rezystor. Jej połączenia zostały zaizolowane odcinkiem rurki termokurczliwej, z której wychodzą dwa cienkie przewody. Łączą się z zaciskami V+ i V– złącza J1 płytki wzmacniacza.
Pola przekroju poprzecznego użytych przewodów są następujące:
- między płytkami zasilacza i wzmacniacza oraz do zacisków głośnikowych: 2,5 mm2;
- do zasilania sieciowego, połączenie masy i sygnał z potencjometru: 1,5 mm2;
- dioda LED: 0,22 mm2.
Przewód ekranowany łączący gniazda wejściowe z potencjometrem regulacji głośności powinien mieć możliwie gruby ekran. Wystarczy, aby miał jedną żyłę środkową. Przewody zostały pospinane ze sobą i/lub przytwierdzone do płyty montażowej opaskami zaciskowymi.
Uruchomienie
Pierwsze uruchomienie nowo zbudowanego sprzętu zawsze wzbudza wiele emocji, ponieważ może wydarzyć się dużo rzeczy, trudnych do przewidzenia wcześniej, dlatego warto podzielić tę czynność na etapy. W ten sposób będziemy mieli gwarancję, że uruchamiając następny stopień, poprzedni mamy w pełni sprawny.
Na początek proponowałbym odłączyć przewody V+ i V– od modułu wzmacniacza, dioda LED może pozostać podłączona do zasilacza. Włączamy napięcie sieciowe i sprawdzamy woltomierzem, czy napięcia między V+ i GND oraz GND i V– w złączu J2 zasilacza wynoszą około 25 V. Żaden element na płytce zasilacza nie powinien się w tym momencie silnie nagrzewać, jedynymi wyjątkami mogą być tranzystory T1 i T4 oraz T6 i T9, które osiągają temperaturę obudowy nie wyższą niż około 80°C.
Jeżeli test został zaliczony pomyślnie, należy wyłączyć zasilanie sieciowe i rozładować kondensatory elektrolityczne zasilacza (na przykład rezystorem 1 kΩ o mocy 5 W podłączonym między V+ i V–), po czym wkręcić w złącza przewody łączące zasilacz z płytką wzmacniacza. Zaciski głośnikowe powinny być pozostawione bez obciążenia, zalecam też brak sygnału wejściowego. Potencjometry P1 i P2 warto ustawić w połowie, zaś P3 skręcić na minimum rezystancji lub chociaż na kilkaset omów. Można to skontrolować omomierzem, którego końcówki zostaną przyciśnięte do wyprowadzeń bazy i kolektora tranzystora T8, znajdującego się pomiędzy tranzystorami MOSFET. Zapewni to zerowy prąd spoczynkowy tranzystorów mocy po włączeniu zasilania.
Tym razem woltomierz włączamy równolegle do wyprowadzeń rezystora R25 lub R26. Polecam przyczepić te przewody krokodylkami, ponieważ operacja ustawiania prądu spoczynkowego zajmie kilkanaście minut. Włączamy zasilanie i powoli zwiększamy rezystancję P3 (obracając jego główkę w stronę przeciwną niż poprzednio), aż na R25 lub R26 pojawi się spadek napięcia rzędu kilkunastu miliwoltów. Od tej pory polecam powoli manipulować P3, próbując uzyskać odczyt z woltomierza na poziomie 110 mV, co będzie odpowiadało prądowi spoczynkowemu 0,5 A (0,22 Ω·0,5 A=110 mV). W miarę rozgrzewania się radiatora wokół tranzystorów mocy to napięcie będzie lekko spadało, wówczas należy ponownie doregulować położenie ślizgacza P3 – ta zabawa „w kotka i myszkę” potrwa około kwadransa. Docelowa temperatura radiatora chłodzącego tranzystory modułu wzmacniacza wynosi około 40°C. Tranzystory T4 i T5 oraz T6 i T7 będą wyraźnie ciepłe, ale w dopuszczalnych granicach.
Po ustabilizowaniu się punktu pracy tranzystorów mocy można odłączyć woltomierz od rezystora R25 (lub R26) i sprawdzić napięcia zasilające V+ i V–, czy nie uległy one wyraźnemu obniżeniu, co wskazywałoby na nieprawidłowe działanie zasilacza. W układzie modelowym te napięcia wynosiły odpowiednio 25,1 V oraz –24,5 V względem masy. Z kolei między bramkami tranzystorów MOSFET było napięcie o wartości 8,1 V (po nagrzaniu).
Pozostawiając włączone zasilanie, mając jednocześnie rozgrzany już układ, można przejść do ustawienia zerowej składowej stałej napięcia wyjściowego. Woltomierz podłączamy do zacisków głośnikowych i regulujemy P1 w ten sposób, aby uzyskać napięcie jak najbliższe wartości 0 mV.
Jeżeli i to się powiodło, układ jest w pełni gotowy do działania. Można wyłączyć jego zasilanie, zamknąć obudowę, podłączyć kolumnę głośnikową oraz źródło sygnału i cieszyć się z czystego brzmienia ulubionej muzyki.
Nie omówiłem dotychczas roli potencjometru P2. Za pomocą można ustawić symetrię przenoszenia, czyli wyrównać wzmocnienie dla dolnej i górnej połówki sygnału. Najłatwiej ewentualne zaburzenie w tej materii można zweryfikować oscyloskopem podłączonym do zacisków wyjścia głośnikowego i generatorem sygnału sinusoidalnego, o częstotliwości na przykład 1 kHz i amplitudzie 500 mV, podłączonym do wejścia. Jeżeli wartość minimalna i maksymalna sygnału wyjściowego nie są sobie przeciwstawne, należy lekko doregulować P2. Jednak w praktyce ta regulacja jest zbędna, bowiem wypadkowa rezystancja „widziana” przez emitery T4 i T5 jest na tyle duża, że niewielkie różnice w napięciach kolektor-emiter nie mają praktycznego znaczenia i symetria „ustawia się sama”.
Pomiary
Czym byłby wzmacniacz audio, gdyby nie zmierzyć chociażby jego podstawowych parametrów? W pierwszej kolejności sprawdzono czas narastania i opadania sygnału na wyjściu, co odbyło się przy użyciu sygnału prostokątnego o częstotliwości 1 kHz i wartości międzyszczytowej 50 mV dla zachowania pracy małosygnałowej tranzystorów stopnia wejściowego. Obciążenie rezystancyjne 8 Ω, regulator głośności ustawiony na maksimum.
Oscylogramy są widoczne na rysunku 10 i rysunku 11. Czas narastania, zmierzony automatycznie oscyloskopem, wyniósł 370 ns, a opadania 385 ns – są więc praktycznie takie same. Co istotne, zbocza nie są opatrzone charakterystycznymi „dzwonieniami”, które zdradzają nieprawidłową pracę pętli sprzężenia zwrotnego.
W kwestii jakości pracy wzmacniacza, a zwłaszcza zachowania fazy sygnału, dużo może powiedzieć przepuszczenie przezeń sygnału trójkątnego. Rysunek 12 to oscylogram sygnału wyjściowego przy parametrach takich samych, jak użyte były wcześniej – tyle że zmieniono kształt z prostokątnego na trójkątny. Zbocza są symetryczne i proste, a wierzchołki ostre, co świadczy o zgodności fazy wielu kolejnych harmonicznych sygnału.
Wstępne pozytywne wnioski na temat pracy wzmacniacza można rozwinąć poprzez ocenę jego charakterystyki amplitudowej, znajdującej się na rysunku 13. Za odniesienie (0 dB) przyjęto taką amplitudę sinusoidalnego sygnału wejściowego, przy której moc wyjściowa wynosi 1 W dla częstotliwości 1 kHz. W układzie prototypowym było to 585 mVpp.
Pasmo przenoszenia, rozumiane jako punkty, w których charakterystyka amplitudowa spada o 3 dB poniżej wartości referencyjnej, jest najczęściej stosowane do urządzeń audio. Ale sprzęt z najwyższej półki jest oceniany według surowszego kryterium – spadku o 1 dB.
Na rysunku dodano linie pomocnicze, wyznaczające granice pasma 1 dB. Według nich ten wzmacniacz przenosi sygnał o częstotliwości od około 3 Hz do około 55 kHz, czym zadowoli nawet najlepiej wytrenowany słuch.
Następnie oceniono liniowość wzmacniacza, czyli stałość wzmocnienia w funkcji amplitudy sygnału wejściowego. To badanie przeprowadzono przy użyciu sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 1 kHz. Rysunek 14 dowodzi, że w całym użytecznym zakresie amplitudy sygnału wejściowego fluktuacje wzmocnienia mieszczą się w paśmie o szerokości 0,5 dB. Czerwoną linią zaznaczono moment, w którym wzmacniacz zaczyna zniekształcać. Powyżej tego punktu wzmocnienie w naturalny sposób spada, gdyż amplituda sygnału wyjściowego już nie wzrasta, a wejściowego owszem.
Eksploatacja
Omówiony w tym artykule wzmacniacz jest przystosowany do pracy z obciążeniem o nominalnej impedancji 8 Ω. Kolumny głośnikowe o mniejszej wartości tego parametru, na przykład 4 Ω, mogą przeciążyć końcówkę mocy oraz zasilacz, zwłaszcza przy silnym wysterowaniu.
Maksymalna, niezniekształcona moc wyjściowa wynosi około 15 W. Końcówka mocy pracuje ze znacznym prądem spoczynkowym (0,5 A po nagrzaniu, około 0,75 A przy zimnych tranzystorach), więc w cichszych partiach dźwięku pozostaje w klasie A – przechodzi w klasę B dopiero przy silnym wysterowaniu. Układ bezgłośnie załącza się oraz wyłącza, bez jakichkolwiek dźwięków, które dochodziłyby w tych momentach z głośnika.
Temperatura radiatorów podczas pracy niemal nie zależy od wysterowania i sięga 40°C w warunkach domowych i ze swobodnym opływem powietrza wokół ich żeberek. Nie zalecam zakrywania radiatorów ani otworów chłodzących obudowy, może dojść do przegrzania układu.
W układzie nie ma elektronicznego zabezpieczenia przed przeciążeniem ani przed zwarciem zacisków wyjściowych. Z tego powodu zalecam ostrożność przy podłączaniu głośników. Natomiast układ nie uszkodzi się, jeżeli obciążenie odłączy się w trakcie pracy, nawet przy wysokiej amplitudzie sygnału wejściowego.
Układ wzmacniacza jest podatny na modyfikacje, zwłaszcza na zwiększenie dopuszczalnej mocy wyjściowej. Trzeba w tym celu, przede wszystkim, zwiększyć napięcie zasilające końcówkę mocy, co wiąże się z wymianą transformatora sieciowego oraz rezystorów R7 i R13 w zasilaczu. Kondensatory elektrolityczne mają spory zapas dopuszczalnego napięcia.
Michał Kurzela, EP
