Fórum ElektroLab.eu

Tranzistorový zosilňovač s výstupnými auto transformátormi

Tranzistorový zosilňovač s výstupnými auto transformátormi
Wili Pridal  Wili
  994 zobrazení
2
 0
Audio zapojenia

Už dlho som premýšľal, že by bola sranda postaviť "tranzistorák" s výstupnými trafami. Každý to odsudzuje, no nikto to nikdy nepostavil (aspoň pokiaľ viem), tak som si povedal prečo nie. Najnedosiahnuteľnejším cieľom po technologickej stránke pre mňa vždy bol MC275, ale ten som už postavil, tak som si povedal že postavím dalšie monštrum a keď už, tak poriadne a vo veľkom štýle.

Obsah

  1. Ovládacia elektronika
  2. Doska vstupov
  3. Indikátory vybudenia
  4. Koncové stupne
  5. Zdroj
  6. Parametre
  7. Realizácia
  8. Finálny vzhľad zosilňovača
  9. Video

Pamätám si, že už ako malý chlapec som videl v obchode veľký mcintosh za pol milióna sk a vedel som že to je nedosiahnuteľná blbosť na ktorú by som nikdy nemal alebo nebol ochotný dať toľké peniaze. Aby som si splnil detský sen a zároveň splnil ďalšiu technologickú výzvu pustil som sa do toho. Postupne sa začali rysovať nápady a vznikla kópia McIntoshu MC452. Nie je to síce úplny klon, veľa vecí je robených podľa mňa a inak, aj elektricky aj mechanicky. "Stavbu" som začal zhruba v októbri 2019 a zabralo to presne pol roka. Samotná stavba je jednoduchá a relatívne rýchla, ale prototyping a návrhy, objednávanie, zhánanie materiálu zabralo more času. Asi 1-2 mesiace som študoval a vymýšľal princíp ako to bude celé fungovať a navrhoval výstupné autotransformátory.

Tu začína najväčší omyl väčšiny ľudí ohľadom transformátorov v tranzistorovom zosilňovači. Pretože autotrafo funguje dosť inak ako klasické trafo, neoddeľuje galvanicky výstup zosilňovača ma veľa výhod a nevýhod, ktoré vymenujem nižšie a je zavedené schématicky "vnútri" zosilňovača vrátane spätnej väzby, ktorá ho kompenzuje. Autotrafo magneticky neprenáša celý výkon, ale len rozdiel ktorý transformuje a funguje len ako prevodník impedancie. Okrem toho, ak sa použije v mostíkovom zosilňovači, a každý koncový stupeň budí len polovicu trafa, prinesie ďalšie výhody...

Výhody autotrafa:

  • rovnaký výkon do všetkých impedancií
  • odpadá nutnosť DC ochrany pre reproduktory, aj keď trafo galvanicky neoddeľuje tak svojím veľmi nízkym DC odporom v prípade havárie skratuje koncový stupeň a ochráni reproduktory
  • zvolím si vstupnú a výstupnú impedanciu akú chcem = oveľa lepšie a efektívnejšie využijem SOA koncových tranzistorov
  • v trafe pri mostíkovom zapojení získam dodatočné CMRR (common mode rejection ratio), takže akýkoľvek brum alebo VF bordel v signále je odrušený nie len na záťaži ale aj priamo v trafe
  • veľmi malé jadro v porovnaní s klasickým transformátorom. Transformuje sa tu len zmena napätia, nie celý prenášaný výkon.


Pre lepšie pochopenie autotrafa v tomto konkrétnom zosilňovači tu je schéma:

Ak chcem výstupy 4R a 8R, kedže je mostík, tak každy zo zosilňovačov budí polovicu z toho, tj. 2R a 4R. Najefektívnejšie vychádza aby zosilňovač krmil odbočku na trafe do impedancie cca 2,9R, resp. 5,8R od kraja po kraj pre mostík. Ak chcem výkon 500W potrebujem 63V RMS do 8R a 45V RMS do 4R. Aby som s 5,8R záťažou dostal 500W potrebujem 54V. To je len 9V od 5,8R odbočky ku každej z impedancii a to je pre celý mostík! trafo je na polovicu vďaka symetrii, takže pre impedanciu 2,9R to je pre každý zosilňovač len 4,5VRMS od odbočky k záťaži. Konkrétne v mojom prípade je to realizované na trafe ako 16 závitov 2x1,4mm drôtom čo pri dosť vysokej prúdovej hustote zvládne s prehľadom cez 10A. Akú výstupnu tlmivku máte v bežnom zosilňovači a akým hrubým drôtom? tipujem to tak na 1-1,2mm a 10-15 závitov. Len tu je vnútri tej "cievky" magneticky orientované mäkké jadro. Áno je to "železo", ale až o toľko horšie to nie je, a prelezie tamad pár stovák khz zaručene o to viac že je kompenzovaná v rámci spätnej väzby.

Prenášaný výkon autotrafa v tomto prípade pre celý mostík, ak transformujem z 54V a 500W do 9V, zvyšok prelezie cez spoločné vinutie. Tj. 500/54*9 = transformujem tu len 83W! Ak sa to prepočíta na impedancie vychádza to na cca 160W jadro pre 20Hz. Ak použijem 200W jadro z 1,2T magneticky orientovaných plechov dostanem sa možno na 10-15Hz a toľko mi ani netreba. Čo sa týka vysokých frekvencií jediné čo tu obmedzí VF výkon bude tá "tlmivka" na výstupe a tiež kapacita medzi polovicami symetrie trafa. Aby bolo autotrafo dokonale symetrické a zároveň aby bola nízka kapacita medzi kladnou a zápornou polvlnou dal som si ho navinúť s rozdelenou kostričkou. Najväčším problémom bolo navrhnúť autotrafo tak, aby tam vošiel hrubý drôt a dosť to bolo o kompromisoch ale nejako sa to podarilo. Prečo výrobci nepoužívajú autotrafá je jasne, lebo je to zbytočne drahé a dá sa to aj bez toho. Je trafo nezmysel? určite je, ale je to niečo iné, má to iné vlastnosti, každý sa toho bojí a nikto to nevyskúša. Či je to dobré zvukovo a z hľadiska skreslenia?

Dosť bolo teórie, konštrukcia

Ovládacia elektronika bola spolu s trafami pre mňa jedna z najzložitejších častí zosilňovača. Vymyslieť všetko tak, aby to fungovalo správne a zároveň aby všetko bolo spolu jednoducho prepojiteľné. Je tu pomocné napájanie z malého trafka 2x15VAC. Toto napätie je usmernené pre 3 samostatné vetvy: 24V pre relé a pomocné obvody a stabilizovaných 2x15V pre napájanie OZ VU metrov a vstupov. Pri zapnutí hlavného relé napájania sa cez obmedzovacie odpory pripojí hlavný zdroj. Hlavné relé zároveň aktivuje napájanie pre časovač softstartu NE555 a komparátor LM393. Po 3s sa zopne relé softstartu a zároveň sa pošle ovládacie napätie, ktoré zopne tienené jazýčkové relátka a pripoja vstupný audio signál. Spínanie relé zároveň používa spínanie pomocného napätia remote-out pre prípadné zopínanie ďalšieho zariadenia. Ovládacie napätie je nulovateľné výstupom LM393, ktorý sníma teplotu vnútorných chladičov cez LM35 a funguje ako funkcia mute v prípade prehriatia. Hysteréziu som si nastavil na 80<->65st. Na tejto relatívne jednoduchej doštičke bol paradoxne asi najzložitejší layout aby mali logiku zeme. Aby sa mi nezavádzal bordel "výkonových" dolnkových zemí pre relé a podsvietenia a audio OZ.

Schéma zapojenia

Ovládacia časť

Ovládacia časť.

Doska vstupov obsahuje prepínanie sym-nesym signálu a NE5532, ktoré v prípade potreby vytvorí symetrický signál pre mostík. OZ je trvale napájané stabilizovaným napätím z ovládacej dosky a pre lepšiu filtráciu je ešte priamo pri OZ RC filter a keramiky priamo pod OZ. Sú tu aj už spomenuté jazýčkové relé pre pripájanie vstupov. Okrem vyvedeného remote-out je tu aj gavalnicky oddelený vstup remote-in cez optočlen, ktorý len jednoducho pošle kladné napätie na bázu výkonového relé do ovládacej dosky a tak zopne celý zosilňovač.

Doska vstupov

Doska vstupov.

Indikátory vybudenia maju vlastnú elektroniku, uchytenú priamo na prednom panely. Inšpiroval som sa z mcintosh servisných manuálov a zvyšok upravil podľa seba. Jedná sa o veľmi šikovne vymyslený logaritmický zosilňovač s oneskorenou dobou dobehu (300ms) a funkciou signalizácie špičiek (hold) kedy drží poslednú maximálnu hodnotu. Okrem elektroniky pre VU metre je na doštičke aj logika prepínania podsvietení, signalizácie standby, prepínanie módov pre meráky a zapínanie atď...

Indikátory vybudenia

Indikátory vybudenia.

Koncové stupne sú 4 samostatne funkčné celky. Tu je zopár zásadných zmien oproti originálu. Schématicky sú podobné mcintoshovským, ale oni maju rozdelené budenie a koncovú časť samostatne, to som nechcel. Chcel som aby každý koncový stupeň bol samostatne funkčný celok od vstupu po výstup. Zmenil som osadenie rozkmitu a budičov, riadenie kľudového prúdu a prúdovú ochranu a zapojenie spätnej vazby. Je to viac menej veľmi jednoduchý zosilňovač. Zaujímavé je že vstupný diferák, VAS a predbudiče pracujú s veľmi nízkym prúdom, až budiče majú nastavený dosť vysoký prúd. Napájanie pre zosilňovač je 2x50V a pri tomto napätí majú 4 páry tranzistorov povolenú SOA 12A čo je viac než dosť a značne predimenzované, je to z viacerých dôvodov ale hlavným je minimalizovanie poruchovosti. Keďže mam dosť predimenzované chladenie kľudový prúd som nastavil na 30mA/tranzistor, čo sa zdá veľa ale celý modul ma takto odber len 12W + budiče a diferak sa zmestí do 15W/modul. Ako chladiče som použil profil K190 dlhý 160mm z gamaaluminia. Mal by mať tepelný odpor 0,47k/w čo pri dvoch chladičoch na kanál zabezpečuje značné predimenzovanie chladenia a zosilňovač je pasívne uchladiteľný aj pri syntetickom testovaní. Dva moduly v mostíku pracujúce každý do záťaže 2,9R mi dodajú výkon presne 500W. Odber zo siete je vtedy 800W, takže zhruba 280W ide na teplo. Vnútorné dva moduly, ktoré majú horšie chladenie obsahujú ešte malý doplnkový obvod na snímanie teploty s LM35. Spolu s výstupným audio signálom z koncových stupňov sú vedené do ovládacej dosky, kde LM393 kontroluje teplotu a výstupný audio signál je vedený dalej do dosky pre VU metre.

Koncové stupne

Koncové stupne.

Zdroj pre koncové stupne je tvorený gigantickým transformátorom s veľmi nízkym sýtením a nízkou tepelnou triedou a výkonom 800W. Môj osobný názor je že to trafo ma tak predimenzované jadro (5x9,2cm) že by zvládlo oveľa viac je to ale to najtichšie výkonné trafo aké som kedy počul. Má napätie 2x37VAC naprázno, ktoré je usmernené 50A mostíkom a hlavná filtrácia je tvorená priemyselnými kondenzátormi Kemet s kapacitou 91mF/63V a životnosťou 19.000h na doske zdroja je aj istenie pre každý kanál zosilňovača. Transformátory sú zaliaté do kovových krabičiek polyuretanom.

Detail transformátorov

Detail transformátorov.

Parametre:

  • Výkon 2x500W
  • Fr. rozsah (-3dB) 8Hz - 80kHz
  • Slew rate 35V/us
  • Max. príkon pri max. výkone oboch kanálov je 1700W
  • Rozmery cca 24x42x42cm, hmotnosť cca 45kg


Meranie zosilňovača je veľmi komplikované, keďže zosilňovač ma plávajúce výstupy mimo zem, preto som zatiaľ nemal ako merať skreslenie, ale asi bude veľmi nízke časom sa k tomu nejako určite dopracujem.

1k sinus v limitacii do 8R

10k obdlznik do 8R

1k obdlznik do 8R

medzná spodná frekvencia transformátorov pre plný výkon je zhruba 26-27Hz potom sa začne presycovať jadro alebo ešte moja teória je, že dochádza od presytenia jadra k skratu koncov a blbne nadprúdovka alebo čo to je. Tu je 27Hz:

Tu je meranie preťaženia zosilňovača, 8R výstup do 4R zátaže, cca 51V maximum:

Nad 51V zopne nadprúdova ochrana a spraví toto:

Skúšal som merať aj extrémne VF pri nižšom výkone, zaujímavé je ako to veľmi zvoľna klesá k vysokým frekvenciám, nie ako klasické trafá čo majú VF hrb. Nameral som cca -10dB pri 500kHz, dokonca pri nižšom výkone to trafo prenesie aj nejaky MHz.

Podarilo sa mi zmerať aj THD, a poviem vám som dosť prekvapený, čumel som... problém bolo zohnať zdroj signálu s nízkym THD poháňaný batérioutak,  aby plával mimo meracej GND. Nakoniec už keď som nemal nič iné čo by mi napadlo, dal som šancu mobilu (iphone xr). Neverili by ste aký čistý signál ma ten mobil! Meral som cez Xfi-HD a signál som púšťal z mobilu z nejakej aplikácie signal generator. Takto vyzerá loopback samotného mobilu napojeného do zvukovky:

Neveril som, že mobil môže produkovať takto čistý signál, fakt parada, asi najvačšie prekvapenie. Tak som ho využil ako zdroj signálu, samozrejme úroveň signálu je nízka a vybudí mi zosilňovač maximálne na 25W, ale to plne postačí pre meracie účely, aj tak marketingovo sa mera len do 1W nie? Takže tu je THD pri 25W do 8R:

Čo ma teší na tom meraní asi najviac, je to že 3 hodiny strávené babraním sa s orientáciou transformátorov priniesli svoje ovocie a 50Hz brum mám na úrovni -120dB!!! Ak by som pridal viac signálu na vstup, bol by odstup aj väčší 0dB->120dB, len potom zvuková karta nemerá už tak nízke THD lebo sa prebudzuje vstup. Je to neuveriteľné ak si vezmeme, že tak malé trafko je iba pár cm od gigantického sieťového trafa a má pritom takýto odstup. Tiež dúfa, že toto meranie raz a navždy zruší dogmu, že ak je na vystupe železo tak je skreslenie zlé, ale ako vidiíe nie je a aj so železom na výstupe je možné mať skreslenie v tisícinach %

Dopnené : Omylom som neosadil na doske vstupov prepojku medzi GND a XLR pinom 4, takže celé chassis som nemal uzemnené. THD je s upraveným vstupom ešte nižšie a 50Hz som posunul o dalších 6dB nižšie.

Realizácia

Finálny vzhľad zosilňovača

 

Video

 

Autor konštrukcie : Wili



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis