Po viacerých pokusoch o sluchátkové zosilňovače a množstve schém a všetkého čo je na internete som sa rozhodol že si navrhnem svoj vlastný elektrónkový sluchátkač bez výstupných transformátorov.

Vývoj zosilňovača

Vývoj a simulácie trvali celkom dlho asi tak 1-2 mesiace po večeroch kým som sa rozhodol čo bude najlepšie použiť. Po nekonečných dilemách a simuláciach som došiel k záveru, že ak má byť bez vystupného trafka musí byť na výstupe bezpodmienečne WCF (zapojenie známe ako white cathode follower), snažil som sa vymyslieť aj kadejaké iné, dokonca aj symetricky budené push-pull riešenia ale z nevysvetliteľných príčín je WCF jednoducho na toto najlepší! Cieľom bolo aby to nebolo veľké, nežralo veľa elektriny a bolo zároveň praktické tak som sa rozhodol použiť výborné E88CC.

Na vstup pre budenie som použil diferenciálny zosilňovač s 6N2P (ECC83). Má samé výhody - môžem si zvoliť fázu a tým pádom je na výstupe rovnaká fáza ako na vstupe aj pri použití jedného predzosilňovacieho stupňa, ďalej perfektné a jednoduché zavedenie spätnej väzby, nejake to CMRR a odrušovanie bordelu a brumu zo signálu a mnoho ďalšieho. Aby bol diferak dokonale priamo viazaný na koncový stupeň je ním nastavený zhruba taký prúd aby na konkrétnom anódovom odpore vznikla cca U/2 ale to je aj tak ako strieľať naslepo, lebo každá elektrónka je iná a aby sa tento stupeň dal presnejšie doladiť a pre lepšie parametre má v katóde regulovateľné CCS osadené s výberovými BC547C - ref. napätie je cez zelenú LEDku. Celé CCS je spolu zlepené a zapúzdrené zmršťovacou bužírkou pre lepšiu tepelnú stabilizáciu. Zosilňovač má vďaka tomu všetkému dokonalý odstup signálu od šumu/brumu - viď merania nižšie.

Celé nastavovanie kľudového prúdu pre predzosilňovač a tým pádom aj pre koncový zosilňovač som nastavoval počas merania FFT a doladil presne namieru pre dané elektrónky kedy mali najnižšie THD. Výsledný prúd koncového stupňa je cca 13mA pri 100V na systém čo je strata necelé 3W na elektrónku.

Zdroj zosilňovača

Keď som mal zosilňovač ako tak vymyslený musel som ešte vymyslieť nejaký zdroj ktorý by mal špičkové parametre a zároveň aby bol jednoduchý a nezaberal veľa miesta. Podarilo sa mi nakoniec čosi dokombinovať s LM317 a mosfetom IRF840, tento zdroj má perfektné parametre a zabezpečuje dokonale hladké napätie pre zosilňovač. Pre žhavenie je použitý jednoduchý regulátor s LM317 s pomalým nábehom a toto vinutie je ešte použité pre vytvorenie záporného predpätia, ktoré je ešte tiež stabilizované s LM7912 pre CCS diferáku . Pre pomocné obvody/relátka a standby je tu ešte ďalší pomocný zdroj. Na všetkých regulátoroch je použitá minimálna napäťová strata a schottkyho diody v zdrojoch pre absolútnu minimalizáciu odpadového tepla.

Transformátor je tienený toroid, ktorý má ešte medzi primárom a sekundárom medenú bandáž pre kostru. Kostra je potom pripojená o skrinku a trafko. Zem sluchátkového zosilňovača nie je prepojená s kostrou kvôli zemným sľučkám medzi PC a zosilňovačom - inak mi to dosť zhoršovalo SNR. Je to taká kombinácia druhej a prvej bezpečnostnej triedy, asi by sa to dalo vyriešiť nejakou kombináciou diody+odpor+kondenzátor ale toto riešenie som neskúšal.

AC napätia transformátora naprázdno sú uvedené aj v schéme a potrebné vinutia teda sú:

• 165V / 0,1-0,2A
• 14V / 0,8-1A (alebo 24V / 0,5A pri žhaveni do série)
• 9V / 0,5-1A

Údaje pre transformátor, potrebné pre navinutie:

• Primár 1: 230V
• Sekundár 1: 165V / 0,1A
• Sekundár 2: 14V / 1,2A
• Sekundár 3: 9V / 0,3A

Všetky napätia sú bez záťaže, teda  naprázdno, prúdy vinutí môžu byť kľudne aj vyššie. Ideálne je prevedenie audio s tienením po obvode a tieneným primárom bandážou pre ukostrenie.

Potrebný transformátor: je si ho možne aj objednať vo firme tronic (trafo.cz) pod výrobným číslom: 1700406 Tor Zs

Ovládanie zosilňovača

Celý zosilňovač je ovládaný pomocnými obvodmi, ktoré bežia v režime standby a teda umožňujú zapínanie tlačítkom. Zapínanie je prostredníctvom preklápacieho NE555, ktoré pri zapnutí pripojí napájanie zosilňovača a pripojí aj napájanie čítača CD4060, ktorý začne počítať s frekvenciou cca 1Hz kým sa nažhavia elektrónky, po ubehnutí času sa zapne obvod ochrán proti jednosmernému napätiu na výstupe a pripne relátko na výstupe. Ochrana je veľmi jednoduchá s citlivosťou od cca 1-2V ktorá sníma len prítomnosť kladného napätia na výstupe. Záporne sa na výstupe vyskytuje len pri vypnutí a vtedy relátko odpadáva. Výstup oscilátora CD4060 je símaný tranzistorom, ktorý spína LED ktorá indikuje stav zariadenia. Ledky som umiestnil na malú pomocnú DPS ktorá drží vo vyfrézovanom vybraní predného panelu a je utiahnutá oskou potenciometra a rovnomerne podsvieťuje točítko pre reguláciu hlasitosti. Všetky pomocné obvody sú napájané z hlavného trafka zo samostatného vinutia a ostatné vinutia sa len pripájajú cez relátka. Použité trafko je maličký tienený toroid, ktorý má v kľudovom stave nižší odber ako väčšina zalievaných EI trafiek.

Mechanická konštrukcia zosilňovača

Celý zosilňovač som chcel uzavretý v skrinke či už z bezpečnostných ale aj praktických dôvodov. Aby sa mi zosilňovač páčil dizajn som vymýšľal fakt veľmi dlho. Chassis je vyrobené z 1mm oceľového plechu vyrezaného laserom podľa návrhu aký som si vymyslel, plechy som dal potom ešte nalakovať práškovou farbou, ktorá ma polomatný odlesk a jemnú perleť aby pasovala k prednému panelu. Predný panel je z quickpanelu - prírodný elox. Okienko je kus skla z fotorámčeku vyrezný namieru a obrúsený dohladka a vlepený silikónom z vnútronej strany. Všetko je umiestnené na jednej veľkej spoločnej DPS za ktorú veľmi pekne ďakujem Tomelovi, že mi pomohol s jej návrhmi a tvorbou.

Určite by sa dalo veľa vecí urobiť aj lepšie ale už som na to nemal čas a ani nervy a aj tak kým som to celé dotiahol do finále tak to trvalo zhruba 6 mesiacov. S celkovým výsledkom som veľmi spokojný a zvuk zosilňovača je neskutočne pekný. Ak to porovnám napr. s priamym výstupom zo zvukovky Creative Xfi HD, alebo iným sluchátkovým s 6AS7 čo som mal kedysi má tento môj nový výtvor neuveriteľne krásne čisté výšky a perfekné "rýchle" a presné basy, fakt lahoda počúvať. Keď neide hudba brum a ani šum neexistuje a ani neviem či je zosilňovač pustený nebyť svetielok z LED. Prikladám aj podklady pre stavbu ak by niekto chcel niečo podobné poskladať nech sa činí, v prílohe je aj .brd súbor pre DPS. Kódové označenie súčiastok nesúhlasí s priložnými schémami, takže treba nejako vydedkukovať čo je čo ale hodnoty sú v eagle.

Podklady pre krabičku a predný panel sem nedávam a ani ich odo mňa nepýtajte, kto je šikovný nech si to premerá sám a navrhne si svoju podľa svojich doplnkov, nebaví ma totižto niekomu vysvetlovať, že má inak zafrézovať nejakú kapsu, aby mu vošlo jeho koliesko na potenciometer, alebo vypínač ktoré má logicky o pár mm iný priemer a podobne. Zároveň je to aj môj Copyright (poznámku o tom nájdete na spodku stranky).

Technické parametre zosilňovača

• Maximálny výkon je cca 50mW do 250Ohm záťaže
• Slew rate: pôvodne 80V/us ale znížené na cca 20V/us kvôli muzikálnejšiemu prejavu a úprave vstupného diferáku
• SNR: ~120dB
• Skreslenie: "rozmatnité"  podľa impedancie, väčšinou okolo 0,2% pred limitáciou, okolo 0,0xx pri nižších výkonoch...

Meral som skôr vyššie impedancie, na ktoré je zosilňovač primárne určený a na linkovej úrovni. Nečakajte žiadne exoticke mega rozkmity pre utrhnutie hlavy. Tj. namerané dB súhlasia s reálnymi hodnotami linkovej úrovne dB.

Schéma zapojenia

Schéma v plnom rozlíšení - klikni

Realizácia zosilňovača

Mechanická konštrukcia polotovaru skrinky

Mechanická konštrukcia polotovaru skrinky

Mechanická konštrukcia polotovaru skrinky

Mechanický prepínač High / Low a jeho umiestnenie na spodku skrinky zosilňovača

Skrinka a zosilňovač počas kompletácie. Je osadená doska plošných spojov a sieťový transformátor.

Skrinka a zosilňovač počas kompletácie. Je osadená doska plošných spojov a sieťový transformátor.

Osadenie transformátora, predného a zadného panela zo sieťovými komponentami.

Finalizácia zosilňovača. Sú osadené všetky komponenty, rovnako aj predný a zadný panel.

Skompletizovaný zosilňovač pred oživením, nastavením a zakrytovaním.

Zostavený a oživený zosilňovač.

Detail po kompletácii zosilňovača

Detail predného panela zosilňovača spohľadom na hlavné spínacie tlačidlo a konektor slúchadiel.

Pohľad s predu na zapnutý zosilňovač.

Video

Video je bez zvuku a iba demonštruje proces zapnutia a žhavenia elektrónok.

Merania prenosových parametrov zosilňovača

Meral som skôr vyššie impedancie, na ktoré je zosilňovač primárne určený a na linkovej úrovni, žiadne exotické mega rozkmity pre utrhnutie hlavy. Tj. namerané dB súhlasia s reálnymi hodnotami linkovej úrovne dB. Čo ma teší najviac je odstup od šumu a tiež od brumu a tento sa výrazne zlepšil o desiatky dB. Parádna je celková odozva a až priam analytická zvuková presnosť, tiež pevnosť pri prenose nízkych tónov je až neuveriteľné, k tomu nižšie celkové skreslenie atď... takže tu je viditeľny parametrový pokrok vpred. Nie žeby -100dB bolo málo - to uz fakt nepočuť, ale keď už to vie atakovať hranice -120dB tak to ma veľmi teší.

Pre záujemcov o nízke impedancie poviem asi len toľko, že na 32Ohm sluchátka to určite určené nie je, na rozumné úrovne hlasitosti s dobrými a citlivými slúchadlami to ale použiteľne je. 32Ohm slúchadla doma ani nemám, jediné čo mám doma nízkoimpedančné sú apple sluchátka "štuple" a tie maju asi 45Ohm. Sú dosť cilitvé a hrajú aj cez tento zosilňovač fakt veľmi hlasno, či je to pre takú veľkú záťaž lepšie ako priamy nízkoimpedančný výstup zo zvukovky? tažko povedať. Vo farbe zvuku a detailoch to má výhodu určite, pri veľmi vysokom vybudení sa ale už začne prejavovať skreslenie hlavne pri basových tónoch, to už je ale dosť vysoká a nie veľmi rozumná hlasitosť.

Merania THD, SNR ~120dB.

Plné rozlíšenie obrázka - klikni

Plné rozlíšenie obrázka - klikni

Plné rozlíšenie obrázka - klikni

Plné rozlíšenie obrázka - klikni

Plné rozlíšenie obrázka - klikni

Stavba, oživenie a nastavenie zosilňovača

Stavba a poznámky k stavbe

• všetky použité odpory postačujú pre záťaž 0,6W klasické 0207
• kondenzátory, elektrolyty odporúčam nichicony, alebo iné lepšie značky, fóliové kondenzátory wima, keramické kondenzátory napr. mám celkom obľúbene X7R Hitano...
• odporové trimre odporúčam viacotáčkové a značkové napr. Bourns, lacné môžu šumieť
• potenciometer regulácie hlasitosti napr. ALPS nejaký 2x10k, alebo 2x50k to je jedno
• napájacie svorky wago odporúčam pružinové
• jeden faston, ľubovoľného rozmeru - pre prípadné zemnenie dosky / transformátora atď...

Ďalej pre kompletnú konštrukciu samozrejme treba ďalšiu bižutériu okolo ako sú vstupné Cinch konektory, dištančné stĺpiky, skrutky M3, napájaci konektor, poistkové púzdro do panelu pre istenie transformátora, tlačítkový spínač (napr. antivandal), diódu LED pre indikáciu, alebo spraviť dosku pre podsvietenie gombíka potenciometra, alebo čo už si vymyslíte.

Poznámky a doporučenia k stavbe

1. SMD odpory zo spodu pre LED môžu byť rôzne v závislosti od použitých LED. Ideálna je hodnota zhruba 2k2 a 3mm supersvietive LEDky ľubovoľnej farby. Ja osobne používam oranžové, pekne by mohli byť aj žlté, atď... možno aj zelené ako Mcintosh™ ak sa niekomu páči.  Pozor pri osadzovaní na polaritu LED!!!
2. Ak chce niekto počítať odpor je tu napájanie 6,3V (z pinov žhavenia konkrétnej elektrónky), takže podľa ohmovho zákona si vypočíta potrebný odpor.
3. Pozor na kondenzatory M1 pri tranzistoroch s ledkou ako je CCS hneď vedľa 1k odporov. Natomto mieste má byť keramika na 500V !!!
4. Všetky odpory stačia klasické 0207 na 0,6W vrátane anódových, čo sú na DPS s väčšiou šírkou RM.
5. Pri osádzaní CCS (regulátor prúdu / constant current sink), pozor na polaritu LED!!!, pred osadzovaním premerať a skontrolovať polaritu, aby Ledkou mohol tiecť prúd. Osadzovák tu nedám kvôli hustote spojov nie je dobre vidno. Je tu záporné predpátie, takže tu prúd tečie zo zeme do "mínusu"... krátka nožička na stvorček a dlhá na koliesko. Ideálne je použiť 5x2mm plochú červenú LED, na ňu z oboch strán nalepiť sekundovým lepidlom BC547 a potom to celé ešte pre istotu stiahnuť zmršťovacou bužírkou a "scvaknuť" na vrchu kliešťami aby ledka nesvietila do priestoru.
6. Všetky prekovy, kde nie je súčiastka ale len samotny prekov je vhodne "zaliať" cínom.
7. Časovač má trocha kratšiu casovu konštantu, tým pádom sa elektrónky nestihnú dostatočne nahriať a môže sa stať, že sa spustí DC ochrana. Preto odpor 390k pri pine č.10 cmosu 4060, treba vymeniť za inú hodnotu a to 470k. Tiež možno by bolo vhodné nabíjací odpor pre žhavenie znížiť na 1k (je to na DPS ten nad BC557), alebo prípadne upraviť hodnotu štartovacieho kondenzátora (na DPS naľavo od BC557) zmeniť 100uF na nižšiu hodnotu napr. 10uF...

Oživenie zosilňovača

1. Pred prvým spustením nastavíme hodnotu trimrov zhruba na hodnotu 3k. (Je tu potrebné pouziť kvalitné značkové trimre aby nešumeli a držali pevnú hodnotu, napr. Bourns z tme)
2. Bez osadených elektrónok zistíme či funguje zapínanie standby: pripojíme napájanie 9VAC. Na miestach Test Point (na doske označené TP) a medzi zemou by sme mali namerať: TP1 = necelých 12V DC
3. Ak je hodnota správna, skratujeme dva piny na molexe pri nápise switch a malo by cvaknúť veľké relé. Na pinoch LED začne blikať ledka (32x). Po uplynutí nastaveného času led ostane svietiť a cvakne relé výstupu. Ak obvod ON-OFF funguje správne (preklápanie NE555) pripojíme 14VAC vetvu trafka a prípadne môžeme zasunúť aj elektrónky, zapneme tlačítkom a skontrolujeme napátia pred a za stabilizátormi: TP2 = 12,6V, TP3 = -12V
4. Ak sú napätia správne, skontrolujeme ešte či svieti LED medzi tranzistormi BC546 v obvode konštantného prúdu (CCS). Ak všetko ide ako má, vypneme vypínač, zasunieme elektrónky do odpovedajúcich pozícií a pripojíme aj anodovu vetvu trafka 165VAC.
5. Zapneme vypínač a elektronky by sa mali postupne pomaly nahrievať. Skontrolujeme či sedí napätie na anódach:TP4 = 190V. Keď sa elektrónky nahrejú a zopne sa výstup môžeme nastaviť pracovné body.
6. Ak sa náhodou stane, že výstupné relé bzučí, znamená to, že sa elektrónky ešte nestihli nahriať. Bzučaniu pri testoch sa vyhneme tak, že na výstup zavesíme umelú záťaž (napr. 2x32R alebo 2x250R) bzučí to preto, lebo na výstupe sa cez nabíjacie odpory nestihol nabiť výstupný kondenzátor a je tam ešte zostatkové maličké DC napätie okolo 1V, ochrana ostane v akomsi medzistave kedy sa nevie rozhodnúť či sa má kondenzátor ešte nabíjať, alebo odpájať výstup. V tomto prípade pomôže umelá resp. akákoľvek záťaž na výstupe... (na výstupnom jack konektore).
7. Nastavovanie pracovných bodov elektrónkam prevedieme trimrom ktorý je hneď v blízkosti prináležiacich meracích bodoch... trimrom nastavíme aby medzi zemou a TP5 resp. TP6 bolo +100V. Nastavenie prevedieme ešte raz po pár minútach a potom ešte raz a takto aspon 5x dookola. Čím bližšie sa ku hodnote dostavame, tým jemnejšie je potrebné narábať trimrom ktorý môže mať kvôli veľkým kapacitám trochu zotrvačnosť.
8. Skontrolujeme veľkosť prúdu ktorá tečie koncovou elektrónkou, meriame medzi zemou a TP7 resp. TP8 kde by malo byť zhruba 1,8V. Prípadne vypočítame hodnotu pretekajúceho prúdu podľa nameraného napätia podľa ohmovho zákona: namerané napätie U / 120 x 1000 = prud v mA. Malo by to byť okolo 15mA, záleží podľa elektrónok.

Ak je prúd jemne vyšší (napr. 16mA) to nie je závada, len prekontrolujeme či sedí napátie na TP5 a TP6 aby bolo +100V. Prúd záleží tiež od konkrétnej elektrónky a ako dlho je nažhavená a akú dobrú má emisiu. Ak je nameraný prúd koncovým stupňom výrazne menší napr. 12mA alebo menej, je elektrónka E88CC vyčerpaná a nemá 100% emisiu, prípadne je to nejaký vadný/starý kus, ktorý nespĺňa katalógové údaje. Čo sa týka finálneho prevedenia zeme tak pri používaní zosilňovača spoločne s PC to by malo byt zhruba nasledovné:

Kostra trafa, kolík v zásuvke a kovová krabička musia byť spojené dokopy. Zbytok tj. GND na DPS celého ampu spolu s izolovanými vstupnými cinch sú samostatné a oddelené od kostry..... Lebo keby sa prepojila GND zdroja a kostra tak keby sa to cez cinche napojilo do ukostreného PC tak by vznikla slučka. Ono sa to tak spravne veľmi nesmie robiť ale vtedy to je absolútne tiché a tiež ukostrené a bezpečné.

Možno by sa mohla kostra a zem zdroja prepojiť cez napr. 10-100R/2W odpor, alebo dať tam groundbraker = diody+odpor+kond alebo to aj nechať tak ako som popísal hore... popravde netuším, ktorá z variant je správna a ako to robia výrobcovia. Ale myslím, že výrobcovia robia 2.bezpečnostnú triedu a nemajú kostru a tak nemajú problém so slučkami. Lenže elektrónkač bez kostry nie je veľmi dobrý elektrónkač a ak chceme dosiahnúť SNR >120dB, tak kostru treba. Ani vypínač GND ani groundbreaker niesu v našich končinách legálne, aspoň myslím, a tiež nespojenie kostry so zdrojom bude diskutabilné či je legálne alebo nie, ale je to jediný spôsob ako prerušiť zemnú slučku medzi PC a ampom s tým, aby bol amp bezpečne ukostrený v zásuvke.

Podklady na výrobu zosilňovača

Doska a schéma zapojenia vo formáte eagle - klikni

Záverečné upozornenie a doporučenie autora