Vacuum Tube Power Amplifier - VA Tube Amp

Vacuum Tube Power Amplifier - VA Tube Amp
Wili Pridal  Wili
  879 zobrazení
23
 0
Audio zapojenia

Tento rok som sa zaoberal rekonštrukciou svojho starého elektrónkového zosilňovača. V článku sa dozviete či a ako je možné Teslácke výstupné transformátory z M70 alebo M130 prerobiť na 4 a 8 ohm výstup.

Tento projekt zosilňovača je "ťažký flaskostroj, kamna, nezmysel" s nízkou účinnosťou a niečo čo nemá zmysel stavať. Jednoducho ťažký high-end hifizmus na entú. Je to prerábka môjho úplne prvého hifi elektrónkového zosilňovača, ktorý som postavil pred vyše 10 rokmi a dlhé roky sedel nevyužitý u rodičov, odložený a prikrytý pod plachtou. Vždy som si hovoril, že raz niekedy v budúcnosti ho celý prerobím ak bude čas a financie. Budúcnosť asi prišla, a dlho som nič poriadne a výkonné elektrónkové nestaval a tak, aby som sa nenudil, tak som začal po večeroch kresliť, vymýšľať a simulovať. Návrhy a zisťovanie čo vlastne chcem trvalo celkom dlho. Prvotná myšlienka prišla niekedy začiatkom jari a začiatkom leta som postupne začal s jej realizáciou. Zháňanie materiálu a všetkého potrebného na stavbu ale trvalo dosť dlho, čo na druhú stranu bola výhoda, pretože to nebolo finančné náročné a náklady sa rozložili na dlhý časový úsek.

Zosilňovač som chcel prerobiť tak, aby som sa za neho po elektrickej stránke nemusel hanbiť, aby to bol plnohodnotný, využiteľný a najmä bezpečný hifi prístroj v štandardizovanom rozmere s krytom a všetkým čo treba. Samozrejme, že ak by som niečo takéto staval od nuly s novými materiálom, spravil by som to asi úplne inak - s inými elektrónkami a so svojimi vystupnými transformátormi. Ale aby stavba nebola finančné náročná a aby som využil čím viac staré nevyužité komponenty, chcel som použiť pôvodné výstupné tranformátory z modelu  Tesla mono 130 + úžasné NOS Teslácke EL34. Dlho som zvažoval či využijem aj pôvodné sieťové transformátory, prípadne či nepostavím dva samostatné monobloky ale bolo by to nepraktické, zase by to zaberalo veľa miesta a vrátil by som sa tam kde to začalo. Takže som nakoniec využil len vystupné transformátory a elektrónky. Sieťový transformátor je nový, výkonnejší, "ľahší" a spoločný pre oba kanály - viac v popise zdroja.

Zosilňovače s nízkym skreslením už mám, aj elektrónkové aj tranzistorové, preto som si povedal že spravím trochu klasiku a nebudem sa hnať za ultra nízkym THD a veľkými množstvami spätnej väzby. Čo za koncepciu použijem som zvažoval veľmi dlho. Kombinoval som všeličo možné a nakoniec som sa rozhodol že to bude veľmi jednoduché... dosť silno som sa inšpiroval z audio research reference series a preto som použil len 10dB celkovej spätnej väzby - len akurát toľko, koľko je potrebné pre kompenzáciu frekvenčnej charakteristiky na rozumnú hodnotu. Na vstupe je diferenciálny zosilňovač s ECC803S a za tým katódové sledovače s 6N6P a za tým koncové elektrónky EL34. Čo je ako a prečo vysvetlím.

Schéma zapojenia

Schéma zapojenia zosilňovača

Obrazec plošných spojov zosilňovača

Obrazec plošných spojov dosky audio vstupu s napojením (v ľavo) na dosku softstartu a ovládanie funkcie REMOTE

Parametre zosilňovača

Snáď tieto parametre vyvrátia dogmu o Tesla výstupných transformátoroch, nakoľko sú to skvelé transformátory. Oscilogramy s meraniami nájdete nižšie.

Maximálny výkon:

  • 2 x 120W v pentode
  • 2 x   80W v triode
  • Frekvenčný rozsah 3Hz - 100kHz -3dB!

Na vstup som chcel to najlepšie čo sa dá zohnať a jednu unikátnu Teslu ECC803S som už mal, takže cez aukciu sa mi podarilo zohnať aj druhý kus a obidve majú vybalancované systémy a 100% NOS stav. ECC803S pracuje v diferenciálnom zapojení a je napájaná celkom vysokým napätím a prúdom, v katóde so zdrojom prúdu opretým o negatívnu napájaciu vetvu. Toto zabezpečí, že bude mať veľmi vysoké zosilnenie, bude dosť dobre lineárna a aby fungovala aj ako invertor, zároveň bude kam zaviesť spätnú väzbu. Aby bol zdroj prúdu v katóde čo najlepší, je tu kaskáda pre zvýšenie prúdového zosilnenia, ktorá používa ako referenciu TL431.

Aby mala ECC803 čo najnižšie skreslenie, pracuje do veľmi ľahkej záťaže = katódových sledovačov. Katódové sledovače osadené 6N6P sú priamo viazané na koncové lampy a spoločne riadené s fixným biasom. Tieto budiče sú napájané stabilizovaným napätím +115V na anóde a kľudovym prúdom cca 10mA. Aby som nemusel riešiť párovanie koncových lámp má každá jedna koncová elektrónka svoj samostatný absolútne nekompromisný priamo viazaný budič, ktorý je schopný dodať pri plnom budení okolo 30mA každej elektrónke. Každý jeden katódový sledovač má v katóde zdroj prúdu s MJE340 takže bez ohľadu na párovanie budičov, bude každým tiecť rovnaký prúd. Kvôli priamemu viazaniu na koncové lampy a fixnému biasu potrebujú byť katódy zhruba niekde okolo -30V. Aby bolo možné koncovky vybudiť, potrebujú okolo 25-30Vp rozkmit takže sú zdroje prúdu týchto sledovačov opreté ešte o zápornejšiu stabilizovanú vetvu -115V. Aby som maximálne využil CMRR (Common Mode Rejection Ratio) každá dvojitá trióda (jedna elektrónka) spracúvava obidve polarity signálu a tiež ich zdroje prúdu zdieľajú spoločnú referenciu zenerovej diódy, takže pri vybudení samé kompenzujú zvlnenie na referencií ak by náhodou nejaké vzniklo.

Koncový stupeň má dva prepínateľné módy = Trióda v AB2 alebo Pentóda v AB. Vymyslieť toto prepínanie šikovne a jednoducho bol dosť oriešok, obzvlášť u paralelného stereo koncového stupňa, ale po dlhom vymýšľaní sa mi to zázračne jednoducho podarilo a funguje to nasledovne: pri koncových lampách je 9VDC relé s dvoma prepínacími kontaktami, ktoré je napájané zo žhaviaceho vinutia, takže nepotrebujem extra zdroj pre relé. Toto relé pripája g2 mriežky cez ochranné odpory k anódam. Aby sa pri zmene módu zmenil aj pracovný bod, dôjde tu aj k zmene biasu a to tak, že tranzistor zopne inú napäťovú referenciu pre bias. Táto referencia je za normálnych okolností tvorená 100V zenerkou. V prípade triodoveho módu sa aktivuje 82V zenerka, ktorá bias posunie viac pozitívne a tým posunie pracovný bod bližšie do Áčka.

Hlavným obmedzením pre mňa boli Teslácke výstupné transformátory, ktoré majú vysokú impedanciu primáru a sú navrhnuté pre trochu vyššie napájacie napätie. Kvôli tomu by som nedosiahol plný výkon pri nižšom napätí pri prepínaní módov. Reálne by bolo možno tak 2 x 70 / 80W lenže napájanie dvihnúť nad 450V som nemohol pretože v trióde je g2 priamo spojená s anódou a je to maximum čo povoľuje datasheet pre EL34.

Popri skúmaní Tesla výstupných transformátorov som dostal veľmi zaujímavý nápad. Využil som časť 100V sekundáru ako ďalší primár. Je tam totiž extra 2 x 172 nevyužitých závitov. Ak som vinutie rozpojil od zvyšku sekundáru, zapojil tieto (pôvodne paralelné) vinutia do série a využil ho ako extra primár zmenil som veľmi výhodne prevodový pomer celého trafa tak, že som mal sekundáre 4R + 8R a primár Raa zhruba 2K čo sa hodilo keďže používam nižšie napätie pre anódy. Aby na tomto vinutí bol čo najmenší rozkmit a nehrozil prieraz na sekundár, je tu stred anodového vinutia a okraje pokračujú v pôvodnom (teraz rozpojenom) strede vinutia.

Rovnomerná dĺžka anodových vinutí je v pôvodných Tesla vysupných transformátoroch trochu kompromisom = 2 stredne krátke + 1 dlhé a 2 veľmi krátke + 1 dlhé. Aby som dodržal dĺžku anodových vinutí a dokonca toto ešte lepšie dorovnal, je tá časť 100V vinutia čo je ďalej od jadra zapojená spolu s anodou čo je bližšie k jadru a naopak.

Narážal som ale pri prepojení jednotlivých vinutí na mechanický problém. Vývod pôvodnej 15R odbočky na Tesla transformátore je z cievky vyvedený von spolu v jednej bužírke so 100V vinutím, t,j. je tu hrubší drôt z 15R vinutia a tenší drôt z 100V vinutia. A na tom pôvodnom 100V vinutí by bola anóda +450V.  Niesú však stočené dokopy, ale jeden vedľa druhého. Bužírku som pozdĺžne opatrne rozstrihal a podarilo sa mi ju z boku celú vytiahnuť z cievky von a ostali trčať len samostatné drôtiky každému som navliekol samostatné plastové bužírky čím hlbšie to šlo do vinutia a držal som si palce nech to funguje.

Priznávam sa, neznie to síce veľmi bezpečne a netušil som či by to strelilo alebo nie, možno, alebo určite? Kupil som si preto cez ebay digitálny megaohmmeter, ktorý vie merať pri vysokých napätiach a pri 500V rozsahu medzi primárom / vrátane 100V vinutia zo sekudnaru a spätnoväzobným vinutím je odpor 5GΩ a voči sekundáru pre repro 6GΩ resp. hodnota pri meraní stále rastie a neustáli sa na jednej hodnote, ale zhruba tak 10 sekúnd po meraní to ukazuje tieto hodnoty ^^. Transformátory som plánoval ešte zalievať, takže to možno bude po zaliatí ešte lepšie. Vyzeralo to všetko super a izolačné pevnosti sú teda podobné ako v trafe pred úpravou.

Transformátory pripravené na zaliatie

Po zaliatí

Pre otestovanie som vyskúšal na primár napojiť ~573V (z malého transformátora pre lampáčik), na prvej odbočke sekundáru som mal ~26V takže to približne podľa mojich výpočtov sedí, ak tam dám 4R záťaž budem mať 1936R primár. Prúdová hustota sekundáru by síce bola dosť vysoká, cez 4A! Ale malo by viac závitov na volt, a šlo by lepšie do nižších frekvencii. Takto upravený transformátor má na primáre výsledných 1724 závitov a na prvej odbočke sekundárneho vinutia 79 závitov takže prevod je zhruba:

  • 22:1 pre prvú odbočku sekundáru (4R)
  • 16:1 pre druhú odbočku (8R)

napäťovo to teda sadne parádne pre 4Ω a 8Ω repro na 2K primár, prúdovo s odretými ušami a prižmurenými očami pre hifi ucely "ok" Takúto úpravu ale nikomu nedoporučujem, musíte vedieť co robíte, mať potrebné meracie vybavenie pre overenie bezpečnosti úpravy a pri úprave možete veľmi jednoducho nenávratne poškodiť transformátor.

Zapojenie zdrojovej časti

Zdroj je tvorený ako som spomenul vyššie novým 530W trafom EI120/73. Síce je z 0,35mm orientovaných plechov a je aj zaliate, no je dosť silno zaťažené a trochu ho počuť ako v záťaži vrní, resp. samé o sebe ho nepočuť ale ak sa prišrubuje k chassis... Pre anódy je zdroj veľmi jednoduchý, život ohrozujúci, 320VAC / 1,1A = cca 450VDC a filtrovaný CLC kombináciou vysokoprúdových kondenzátorov Kemet 2 x 1300uF / 500V + 0,6H tlmivka Hammond. Ak má výpočty neklamú je tu náboj okolo 300 Joulov! Aby bol zdroj dostatočne odstrašujúci je všade výstraha o vysokom napätí a výstražná červená led indikujúca nabitie elytov na nebezpečnú hodnotu. Nevedel som ako vymyslieť indikáciu jednoducho bez potreby komparátorov a extra zdroja, tak som to vymyslel tak, že je tam zdroj prúdu s vysokonapäťovým smd mosfetom, ktorý napája led konštantným prúdom 2mA. Celý zdroj prúdu je podopretý od zeme 51V zenerovou diódou, takže v prípade že napätie na kondenzátoroch klesne pod túto hodnotu led zhasne. Zároveň to funguje ako vybíjanie elytov konštantným prúdom.

Schéma zdrojovej časti

Detail plošného spoja zdroja

Osadená doska plošného spoja zdroja

Ďalej má transformátor 100VAC vinutie z ktorého sa zdvojovačom vyrobí symetria, ktorú stabilizujem pomocou LM317 / 337 podopreté mosfetmi čo slúži pre napájanie budičov 6N6P. Na žhavenie sú použité dve samostatné symetrické vinutia 2 x 6,5VAC/5A. Dve preto, aby som si uľahčil káblovanie - tenšie káble (ktoré už tak boli veľmi hrubé a neskutočne zložito sa s nimi narábalo), a tiež aby vyšla doska koncových stupňov lacno, má každý svoju vlastnú DPS čo je jednoduchšie a lacnejšie. Lampy sú žhavené "do série" resp. symetricky s uzemneným stredom vinutia, jedine vstupná ECC83 "pláva" lebo je napájaná 12,6V lenže má pevne uzemnený stred vinutia. Zo žhavenia sú ešte napájané aj žlté led diódy pod päticami maličkých elektróniek v predu aby krajšie svietili  intenzitu a farbu led diód sa mi podarilo trafiť perfektne a vyzerá absolútne prirodzene. Prúd žhaviaceho vinutia je dostatočne predimenzovaný aj pre použitie elektóniek ako KT120.

Softstart

Aby takto veľké trafo bolo možné zapnúť v podstate do skratu, je tu aj pomocná doska softštartu so standby / remote zapínaním. Kľudový odber modulu je absolútne minimálny, v podstate len stabilizátor napájania modulu a standby LED. Časovač je úplne vypnutý a napájanie cmosu sa zapne až pri zapnutí zariadenia. Oneskorenie je časované cez CD4060 s oscilátorom nastaveným na frekvenciu cca 2Hz. Oscilátor cmosu prerušuje cez tranzistor svietenie standby ledky, ktorá je na prednom paneli, takže po zapnutí je pomalý nábeh signalizovaný blikaním. Celý čas ide zo začiatku transformátor cez dva výkonové odpory, ktoré v tej dobe celkom hrejú ale tých 16 sekúnd to zvládnu a celý zosilňovač sa pomaly zobudí. Po ubehnutí času sa skratujú odpory, transformátor teraz ide naplno a zároveň sa zopne relé na vstupe čo zruší aktivovanú funkciu mute a pripojí vstupný audio signál. Mute je tu preto, aby pri vypnutí zosilňovača tento ešte nehral ďalej pár sekúnd po vypnutí. Napájanie k signálovému relé vedie zároveň po vodičoch aj signál pre remote in/out zapínanie. Doska softstartu ešte obsahuje napájanie pre veľmi tiché ventilátory (Arctic P12 slim s filtrami), ktoré sú na spodnom kryte a tlačia vzduch do chassis aby mohol vzduch lepšie prúdiť okolo koncových elektróniek a pomáhal efektívnejšiemu konvekčnému prúdeniu. Spravil som aj možnosť prepínania či sú ventilátory zapojené do série alebo paralelne pre rôzne módy chladenia leto / zima. Súčasťou dosky softštartu je ešte aj doplnkové napájanie pre digitálny milivoltmeter, ktorý umožnuje veľmi presne nastaviť a monitorovať bias koncovým elektrónkam bez potreby otvárania zosilňovača. Keďže je toto celé ťažký analog, chcel pôvodne použiť ručičkový meráčik, ale nakoniec som sa rozhodol že digitál je oveľa presnejší a vzhľadom k výkonom to bude oveľa lepšie riešenie. Aby meradlo vyzeralo krajšie použil som ho bez pôvodného plastového rámčeku, len samostatne LED segmenty a vyrezal som si vlastné čierne dymové plexi sklíčko. Meradlo je vypínateľné a vedľa je otočný prepínač, ktorým je možné zvoliť ktorú elektrónku chcem merať. Pri každej koncovej elektrónke je z vrchu chassis otvor s trimrom takže nastavenie je veľmi jednoduché bez potreby zložitých servisných zásahov.

Zapojenie softstart obvodu.

Detail plošného spoja softstartu

Finálna PCB softstartu s pomocnou doskou pre funkciu standby / remote

Mechanická končtrukcia

Mechanickým prevedením krabice som sa trochu inšpiroval MC2102 a vizuálne mi to sedí k ostatným zosilňovačom čo mám, síce je veľa veci inak, ale podobá sa to. Celý zosilňovač je pre lepšie chladenie na 20mm gumených nožičkách. Hlavné chassis je vypálené laserom a naohýbané z 1mm nerezovej ocele. Ostatné plechové doplnky sú z 1mm oceľového plechu nalakovaného práškovou farbou. Popisky sú vygravírované, síce je to trochu blbo vidieť ale lepšie ako nič. Krabice na transformátory sú tiež oceľové a tentoraz kúpené z číny cez ebay. Do nich som transformátory zalial čiernym polyuretanom. Vnútri chassis je priečna výztuha proti prehýbaniu na ktorej je uchytená doska zdroja a tlmivka.

Predný panel je z quickpanelu v ktorom je veľké okno aby bolo pekne vidieť elektrónky. Kúpil som A3 klipový rám a z 2mm skla vyrezal okienko. V minulosti som okno stále lepil silikónom, ale tentoraz je okno celkom veľké a bojím sa že keby náhodou prasklo, vyberať to zo silikónu by bola nočná mora, preto som vymyslel iný postup - sklo som po obvode oblepil textilnou Tesa páskou, čo zabezpečilo zároveň mäkké podložie pre sklo a chráni ostré rohy. Sklo je len zo zadnej strany pritlačené rámčekom.

Zábery mechanickej konštrukcie a konštrukčných dielov

Predný panel zosilňovača. Výrez bude opatrený sklom

Šasí zosilňovača z nerezového plechu

Kryty a výstuže pre mechanické spevnenie konštrukcie

Príprava krytovania - je spravené oddelenie výstupnej časti a časti s elektrónkami

Detail priestoru pre osadenie transformátora

Osadené sockety pre elektrónky

Datail skompletizovaných dosiek pred osadením do šasí zosilňovača. Vrchná a spodná strana PCB. Hore softstart a remote board a doska zdroja.

To isté ako vyššie, teraz sú obe dosky otočené s pohľadom na sockety pre elektrónky. Pri každej koncovej elektrónke je z vrchu chassis otvor s trimrom takže nastavenie je veľmi jednoduché bez potreby zložitých servisných zásahov.

Dosky osadené na šasí a príprava na pripojenie výstupných transformátorov

Všetky dosky plošných spojov sú osadené v šasí zosilňovača a pripravené na zapájanie

Detail osadeného meradla pre merania úrovne napätia Biass

Zapojené, teraz nastal čas pre kontrolu, zlaďovanie, nastavenie.....

Zvuk

Odmeral som THD... no a bol som tak trochu sklamaný aj keď to síce plné odpovedá simulácii a vlastne som s tým aj tak trocha počítal, pretože na čísla s desatinami sa jednoducho blbo pozerá obzvlášť po mojom poslednom naháňaní sa za desatisicinami, ale môj cieľ bol jasný: postaviť klasiku, s veľmi slabou spätnou väzbou a čísla tomu jednoducho odpovedajú... Meral som triodu, pentodu, AB, AB2 a všeličo možné a výsledky boli veľmi podobné, len to lietalo hore dole pár desatín. Čo sa mi ale páči je, že skreslenie je dosť konštantné až do momentu kedy začne tiecť fakt veľmi vysoký výkon. Vo väčšine prípadov sa drží okolo 0,5% pri 1W je skreslenie okolo 0,3% pri stredných výkonoch sa blíži k 1% a pred limitom okolo 2% čo je vzhľadom na zosilňovač "skoro" bez spätnej väzby s takýmto výkonom paráda. Vstupná citlivosť je dosť nízka a pre plné vybudenie je potrebný preamp čo dodá 2,5VRMS.

Nedávam sem graf pre každý mód lebo by z toho bol chaos ale aspoň sem hodím ako vyzerá jedno spektrum - trióda kým je ešte v Áčku okolo 40W!!! keď prejde do AB2 trochu sa to zhorší ale ide s výkonom ďalej po 80W!

Je zaujímavé, že aj s tak "veľkým" skreslením to teda hrá nenormálne dobre! Pri reprodukovanej hudbe žiadne počuteľné skreslenie rozhodne nerozoznávam. Staval som už zosilňovače úplne bez spätnej väzby a viem aké výhody a nevýhody to má, ale toto čo som postavil teraz je veľmi zaujímavým kompromisom. Teraz už chápem prečo to používa audio-research vo svojich reference series. NFB tu je len ledva 10dB. Zvuk toho by som popísal ako ten najlepší zosilňovač bez spätnej väzby aký som počul, z toho dôvodu že jeho zvukový charakter je tomu veľmi podobný, ale jeho kontrola nad nízkymi frekvenciami a skreslenie ako aj výkon je skôr bližšie zosilňovačom so spätnou väzbou. Laborovanie so zvukom a prepínanie módov je zábava - pentóda hrá pre mňa osobne akoby jasnejšie, asi to bude tým že má aj vyšší gain. V triode je zvuk trochu tichší a posadený viac do pozadia a akoby sa všetko nejak vybalancuje, zároveň mám pocit že v triode je iný basový prejav, akoby to zrazu hralo o oktávu nižšie, resp. tie najhlbšie basy sú reprodukované s väčšou ľahkosťou a jemnosťou. Najvýstižnejšie čo mi napadá je že pentóda je akoby som zapol "loudness" a trióda je taký "direct" mód.

Výsledky meraní

22 Hz trioda AB2 plný výkon

Pentóda 1kHz sínus 8R

Pentóda 10kHz Obdĺžnik komplex 8R a 470n

Obdĺžnik 50Hz

Trióda  A 40W

Trióda AB2

Výsledná realizácia

Usaďte sa a sledujte - viac nie je čo dodať.

Video

 

Záver

Rozhodne ale by som od žiadneho lampového zosilňovača nečakal takýto basový charakter, je to miestami až neuveriteľné, má to dosť podobne basy ako moj 2x500W mek s autotrafami. Jediné čo majú zosilňovače spoločne sú vysokoprúdové kemet elyty v zdroji... Čo je nevýhoda, že to nenormálne topí. Je to ako elektrický radiátor... spotreba bez vybudenia je v pentode 250W a v triode 350W!! topí to fakt hodne, a keby neboli zo spodu ventilátory asi by sa to upieklo, ale chladenie funguje perfektne - je veľmi tiché a krásne pomáha prúdeniu okolo elektróniek a nádherné sála z horného krytu von ktorý je na dotyk len horúci. Na vetrákoch mám prepínanie rýchlosti ale triódový mód si doslova pýta vyššie otáčky.

Inak prepínanie triódy a pentody vôbec nerobí strelu do reproduktorov, z toho som trochu prekvapený, čakal som že to bude strieľať a ono nič, len to trochu klikne.

Ak sa Vám moja konštrukcia páčila, prosím pridajte k nej hodnotenie. Ďakujem



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis