Haiku Wzmacniacz Hybrydowy

Transkrypt

1 Haiku Wzmacniacz Hybrydowy Wzmacniacze lampowe cieszą się dużym powodzeniem wśród hobbystów, jednak niewątpliwe zalety lampowego brzmienia są okupione wieloma wadami tradycyjnej technologii. Nabyte okazyjnie transformatory głośnikowe mogą okazać się nieodpowiednie, natomiast wysokojakościowe, wykonane na zamówienie bywają kosztowne. Lampy mocy pracujące blisko swoich parametrów granicznych mają krótszą żywotność w porównaniu z typami sygnałowymi, mimo iż są zdecydowanie droższe. Wreszcie moc wyjściowa i współczynnik tłumienia wzmacniacza mogą okazać się zbyt niskie aby poprawnie sterować wysokiej klasy zestawami głośnikowymi, które często bywają wymagające wobec wzmacniacza. Jak więc połączyć jakość brzmienia wzmacniaczy lampowych z mocą i uniwersalnością układu tranzystorowego? Naturalnie nasuwa się w tym miejscu rozwiązanie wzmacniacza hybrydowego, czyli układu wykorzystującego jednocześnie lampy elektronowe i tranzystory. Rozwiązanie to jest znane od dłuższego czasu, lecz niezbyt popularne, gdyż na konstruktora układu hybrydowego czeka kilka pułapek, których rozwiązanie wymaga wyjścia poza sposoby myślenia utarte przy stosowaniu jednolitych technologii, zarówno lampowej, jak i tranzystorowej. Często spotyka się projekty zawierające wielostopniowy wzmacniacz tranzystorowy objęty pętlą sprzężenia zwrotnego, wzbogacony lampowym stopniem wejściowym. Poza walorami estetycznymi żarzącej się lampy taki układ nie wykazuje żadnych zalet w porównaniu z klasycznym wzmacniaczem tranzystorowym. Próba wplecenia lamp elektronowych w układ z tranzystorami bipolarnymi powoduje konieczność stosowania sprzężeń bezpośrednich, co prowadzi do konieczności wyboru bardzo niekorzystnych punktów pracy lamp i ryzyka ich niestabilności. Takie układy są trudne w uruchomieniu i również nie zapewniają dobrych właściwości. Najważniejszą zaletą lamp elektronowych jest nadzwyczajna liniowość. Dotyczy to w szczególności triod małej mocy projektowanych specjalnie do zastosowań audio. Jednak aby ją w pełni wykorzystać i połączyć z zaletami tranzystorowych stopni mocy, należy znaleźć takie stopnie tranzystorowe, które będą właściwie działać przy sterowaniu za pośrednictwem sprzężenia pojemnościowego. Konieczne jest więc, aby nie wymagały prądu wejściowego i samodzielnie utrzymywały swoje punkty pracy bez udziału globalnego stałoprądowego sprzężenia zwrotnego. Przełomem w tej dziedzinie okazało się rozpowszechnienie tranzystorów HEX-FET. Jest to odmiana tranzystora polowego z izolowaną bramką przeznaczona specjalnie do pracy z dużymi mocami. Wcześniejsze typy tranzystorów polowych były zbyt delikatne, aby znalazły zastosowanie we wzmacniaczach mocy. Z połączenia tych elementów powstał wzmacniacz, którego założeniem było uzyskanie jak najlepszych parametrów i własności brzmieniowych przy możliwie dużej prostocie układu. Składa się on jedynie z trzech stopni, z których tylko pierwszy wprowadza wzmocnienie napięciowe, natomiast pozostałe dwa są wtórnikami. Nazwa Haiku to porównanie układu do tradycyjnej trzywersowej formy japońskiego wiersza mieszczącego maksymalną treść w minimalnej formie. Większość wzmacniaczy audio jest objęta pętlą sprzężenia zwrotnego. W układach tranzystorowych jest ono konieczne do redukcji zniekształceń nieliniowych i utrzymania stabilnych punktów pracy poszczególnych stopni, natomiast w przypadku układów lampowych służy głównie zmniejszaniu wysokiej rezystancji wyjściowej, czyli powiększaniu współczynnika tłumienia. Prezentowany układ dzięki świetnej liniowości wszystkich stopni oraz bardzo niskiej rezystancji wyjściowej stopnia mocy będącego wtórnikiem tranzystorowym, nie wymaga zastosowania sprzężenia zwrotnego. Rys.1 przedstawia schemat wzmacniacza.

2 Rys.1 Sygnał wejściowy po przejściu przez potencjometr R1 regulujący głośność trafia na siatkę pierwszej lampy. Jest to klasyczny stopień wzmacniacza oporowego ze wspólną katodą i polaryzacją automatyczną. Rezystor R5 stanowi właściwe obciążenie lampy. Spadek napięcia na rezystorze R4 wymusza różnicę potencjałów między katodą, a siatką, niezbędną do ustalenia właściwego punktu

3 pracy. Kondensator C1 powoduje utrzymanie stałego napięcia na katodzie likwidując lokalne sprzężenie zwrotne powstające na rezystorze katodowym. Rezystor R3 montowany blisko podstawki lampy zabezpiecza przez powstawaniem niepożądanych oscylacji w.cz, natomiast rezystor R2 zapewnia utrzymanie siatki lampy na potencjale masy nawet w wypadu chwilowej utraty kontaktu ślizgacza potencjometru ze ścieżką oporową. Zastosowanie jako V1 lampy ECC83 lub 6H2П-EB pozwala na uzyskanie wzmocnienia na poziomie 60V/V. Rys.2 przedstawia punkt pracy lampy V1. Kolorem niebieskim oznaczono Ua oraz Ia. Kolor czerwony obrazuje prostą obciążenia, natomiast na zielono wyróżniono na niej odcinek ±50V. Napięcie na anodzie lampy wynosi 150V, prąd anody 1mA, natomiast napięcie zasilania stopnia, czyli napięcie na kondensatorze filtrującym C8 to 250V. Taki punkt pracy pozwala na uzyskanie dużej dynamiki sygnału. Bez nadmiernych zniekształceń amplituda wzmocnionego napięcia może osiągnąć 50V, co ze znacznym zapasem wystarcza dla wysterowania tranzystorowego wtórnika mocy. Jednak należy pamiętać, że tranzystory HEX-FET posiadają znaczną pojemność wejściową. Pierwszy stopień wzmacniacza dysponujący amplitudą prądu poniżej 1mA nie byłby w stanie przeładować tej pojemności przy wyższych częstotliwościach akustycznych. Rys.2 Rys.3 Aby osiągnąć szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości, stopień wzmocnienia napięciowego został oddzielony od stopnia mocy lampowym wtórnikiem o wysokim prądzie spoczynkowym. Trioda V2 typu ECC99 lub 6H6П pracuje przy napięciu anodowym 150V z prądem 20mA. Punkt pracy przedstawiono na rys.3. Napięcie zasilania stopnia można zmierzyć na kondensatorze filtrującym C9. Wynosi ono 300V. Rezystor R7 stanowi obciążenie lampy dla prądu stałego. Należy zwrócić szczególną uwagę na jego montaż, ponieważ podczas pracy wzmacniacza wydziela się na nim ciągła moc rzędu 3W, co powoduje silne nagrzewanie rezystora. Powinien to być rezystor o mocy 5 lub 10W w obudowie ceramicznej, bądź metalowej przystosowanej do montażu na radiatorze. Rezystor R6 zapobiega niepożądanym wzbudzeniom w zakresie w.cz. Praca lampy w układzie wtórnika zapewnia niską rezystancję wyjściową stopnia, co bezpośrednio przekłada się na górną granicę pasma wzmacniacza. Rezystancja wyjściowa wtórnika jest w przybliżeniu równa odwrotności transkonduktancji elementu aktywnego, a więc w tym przypadku wynosi 100Ω. Pojemność wejściowa tranzystorów mocy jest nieliniowa, więc niska rezystancja wyjściowa stopnia sterującego sprzyja uzyskaniu niskich zniekształceń dla wyższych częstotliwości sygnału. W punkcie pracy, czyli przy napięciu Uds=21V pojemność wejściowa każdego z tranzystorów wynosi około 100pF (rys.4, rys.5). Obliczając częstotliwość graniczną jako fg=(2π R C)ˉ¹ i przyjmując C=200pF

4 jako sumę pojemności wejściowych dwóch tranzystorów oraz R=150Ω jako sumę rezystancji wewnętrznej stopnia sterującego i szeregowych rezystorów R18 i R19 połączonych równolegle, otrzymujemy fg>5mhz. Nie oznacza to oczywiście, że cały wzmacniacz osiągnie tak znakomite pasmo, gdyż wynik ten ulegnie pogorszeniu w innych punktach układu. Widać jednak, że pojemności wejściowe tranzystorów mocy nie będą stanowiły problemu. W praktyce udaje się bez większych problemów osiągnąć pasmo całego wzmacniacza przekraczające 200kHz, co dla urządzenia audio jest wynikiem spełniającym oczekiwania z zapasem. Rys.4 Rys.5 Stopień wyjściowy jest zbliżony budową do klasycznego tranzystorowego wtórnika mocy. Tego typu układ rzadko jest wykonywany przy użyciu tranzystorów polowych, ponieważ przy zastosowaniu wspólnego zasilacza wszystkich stopni, jak to ma miejsce w większości wzmacniaczy, tranzystory bipolarne z racji mniejszego napięcia Ube, niż odpowiadające mu w tranzystorach polowych napięcie Ugs, zapewniają lepsze wykorzystanie napięcia zasilania, a co za tym idzie większą moc wyjściową i sprawność. W przypadku zasilania stopnia sterującego z innego, wyższego napięcia, problem ten przestaje być istotny i pozostają same zalety tranzystorów HEX-FET. Szczegółem różniącym omawiany stopień od tradycyjnej topologii jest zastosowanie rezystorów R12 i R13. Oddzielają one obwód polaryzacji z tranzystorem T3 od obwodów bramkowych tranzystorów mocy T1 i T2. Ich zastosowanie jest możliwe, gdyż w obwodach bramkowych nie płynie prąd, więc niezależnie od wartości rezystorów nie powstaje na nich spadek napięcia. W ten sposób rezystory R12 i R13 mogą być dobrane tak, aby stanowiły dogodne obciążenie dla stopnia lampowego, natomiast rezystory R14 i R17 mogą mieć niższą wartość aby zapewnić wygodną polaryzację tranzystora T3 bez zbędnego obciążania lampy V2. Układ T3, R15, R16 jest często stosowanym do polaryzacji tranzystorów mocy źródłem napięcia o ujemnym współczynniku temperaturowym. Zamontowanie T3 na wspólnym radiatorze z tranzystorami mocy powoduje stabilizowanie ich temperatury. Gdy T3 nagrzewa się, napięcie między jego kolektorem, a emiterem spada. Spadają więc napięcia Ugs tranzystorów mocy, czyli zmniejsza się prąd ich spoczynkowy, co z kolei zapobiega dalszemu wzrostowi temperatury. Zaraz po włączeniu, zanim tranzystory osiągną temperaturę roboczą prąd spoczynkowy jest większy, co sprzyja szybszemu osiągnięciu przez układ równowagi termicznej. Rezystor R16 stanowi szeregowe połączenie rezystora 750Ω oraz potencjometru montażowego 470Ω, który pozwala na regulację prądu spoczynkowego stopnia mocy. Napięcie między kolektorem, a emiterem tranzystora T3 powinno wynosić około 8V, co przełoży się na Ugs 4V (rys.6, rys.7) dla każdego z tranzystorów mocy. Szeregowe rezystory R18 i R19 umieszczone w bramkach tranzystorów HEX-FET zapobiegają wzbudzeniom w.cz. Rezystory R20 i R21 powodują dalszą poprawę stabilności termicznej i redukcję zniekształceń nieliniowych stopnia.

5 Rys.6 Rys.7 Kondensatory C2 i C3 sprzęgają stopień sterujący ze stopniem mocy. Powinny to być wysokiej jakości kondensatory zwijane o napięciu pracy min. 250V. Podczas pracy wzmacniacza stałe napięcie na nich wynosi około 130V. Przy braku sprzężenia zwrotnego uzyskanie zerowej składowej stałej na wyjściu przy sprzężeniu bezpośrednim z obciążeniem jest bardzo trudne, natomiast utrzymanie takiego stanu w długim czasie i szerokim zakresie warunków okazuje się praktycznie niemożliwe. Z tego powodu zostało wybrane sprzężenie pojemnościowe wyjścia przez kondensator C4, jako najpewniejszy sposób zapewnienia braku napięcia stałego na wyjściu. Rezystor R22 zapewnia prawidłowe ładowanie i rozładowywanie kondensatora C4 w przypadku odłączonego obciążenia. W przypadku przesterowania lampowe stopnie są w stanie dostarczyć bardzo dużej amplitudy napięcia sygnału sięgającej aż 70V. Wytrzymałość izolacji bramek tranzystorów mocy wynosi 20V. Aby uniknąć uszkodzeń, pomiędzy bramki, a dreny tranzystorów włączono diody zenera D1 i D2 o napięciu 15V. Podczas normalnej pracy wzmacniacza napięcie Ugs nie przekracza 6V, więc diody nie wpływają na działanie układu. Prąd spoczynkowy stopnia mocy wynosi około 1A, a więc moc rozpraszana w spoczynku przekracza 40W. Aby zapewnić odprowadzanie ciepła z tranzystorów T1 i T2 należy umieścić je na radiatorze o odpowiedniej wielkości. W modelu zastosowano radiatory o rozmiarach 125x180mm i wysokości pióra 35mm, które pozwalają na utrzymanie temperatury około 50 C. Obudowy tranzystorów od strony radiatora są metalowe i mają połączenie z drenem w przypadku T1 i T2 oraz z kolektorem w przypadku T3, więc należy przymocować je z użyciem przekładki izolującej. Może to być standardowa przekładka mikowa posmarowana z obu stron izolującą pastą przewodzącą ciepło. Można również zastosować przekładki kalitowe. Wszystkie stopnie wzmacniacza są zasilane niesymetryczne, w związku z czym są bardziej wrażliwe na filtrowanie napięcia zasilania. Również brak sprzężenia zwrotnego powoduje zaostrzenia wymagań stawianych zasilaczowi. Tranzystorowe stopnie mocy zasila się zazwyczaj wprost z pierwszego kondensatora filtrującego, jednak w tym przypadku wymagana pojemność byłaby zbyt wielka, co powodowałoby konieczność nabycia kosztownego kondensatora o dużych rozmiarach oraz problemy z prądem ładowania podczas włączania. Zastosowanie filtra CRC nie jest możliwe ze względu na wymaganą niską rezystancję wewnętrzną zasilacza, dlatego zdecydowano się na zastosowanie dławika w konfiguracji CLC (C7, L1, C6). W modelu użyto dławików nawiniętych na rdzeniu EI60/20, natomiast mogą to również być dławiki powietrzne, lub z rdzeniem walcowym. Dobre okazują się w tej roli duże cewki rdzeniowe przeznaczone do zwrotnic głośnikowych. Można również takie cewki nawinąć samodzielnie. Należy tylko pamiętać, aby średnica drutu nawojowego nie była

6 mniejsza niż 1mm. Zasilacze obu kanałów wzmacniacza zawierają osobne filtry, mostki prostownicze oraz transformatory. Transformator dostarcza napięcia 30V przy maksymalnym prądzie 5A. Zastosowany mostek prostowniczy posiada obciążalność 35A. Wskazane jest, aby był on wyposażony w radiator lub był przykręcony do metalowej obudowy urządzenia. Bezpiecznik F1 chroni tranzystory mocy w wypadku nagłego wzrostu prądu drenów. Wytrzymałość tranzystorów jest znacznie większa, odpowiednio 20A dla T1 i 12A dla T2, więc bezpiecznik 6,3A w większości przypadków stanowi wystarczające zabezpieczenie. Kondensator C5 jest montowany w bezpośrednim sąsiedztwie tranzystorów mocy. Stopnie lampowe pracują cały czas w klasie A, w związku z czym rezystancja wewnętrzna zasilacza dla prądu stałego nie jest istotna, dlatego można zastosować filtrację za pomocą ogniw RC. Filtr taki tworzą elementy C9,10,11 oraz R9 i R10, a dla pierwszego stopnia dodatkowo C8 i R8. Rezystor R11 służy ograniczeniu impulsów prądu ładowania kondensatora C11. W przypadku zastosowania prostownika półprzewodnikowego ulegają w ten sposób redukcji zakłócenia, natomiast przy użyciu prostownika próżniowego poprawiają się warunki pracy lampy, co wpływa pozytywnie na jej żywotność. Filtry są osobne dla każdego kanału wzmacniacza natomiast uzwojenie wtórne transformatora i prostownik przewidziano jako wspólne. Przy zastosowaniu prostownika półprzewodnikowego transformator powinien dostarczać napięcia 240V przy prądzie 80mA. Można użyć mostka prostowniczego 1A/1kV lub podobnego. W modelu zastosowano prostownik lampowy EZ80, który wymaga dzielonego uzwojenia wtórnego 2x275V przy prądzie 40mA (rys.8) Rys.8 Oprócz napięć zasilających stopnie tranzystorowe i lampowe, niezbędne jest również napięcie 6,3V do żarzenia lamp elektronowych. Pobór prądu żarzenia to odpowiednio 0,3A dla ECC83, 0,35A dla 6H2П-EB, 0,8A dla ECC99, 0,75A dla 6H6П oraz 0,6A dla EZ80. Uzwojenie żarzenia powinno więc mieć obciążalność od 1,2A do 2A w zależności od wybranej obsady lamp. Zakładając użycie prostownika lampowego układ potrzebuje czterech napięć: 30V/5A; 30V/5A; 2x270V/40mA oraz 6,3V/2A, co daje łączną moc 335VA. Zasilacz może oczywiście zawierać cztery osobne transformatory, lub jeden transformator o czterech uzwojeniach wtórnych. Jeżeli wzmacniacz będzie współpracował głównie z głośnikami 8Ω można zmniejszyć transformator redukując obciążalność uzwojeń 30V do wartości 2,5A, co da łączną moc około 180VA. Można w takim przypadku również obniżyć prąd spoczynkowy tranzystorów mocy nawet do 0,5, co pozwoli na zmniejszenie radiatorów. Wzmacniacz powinien być uruchamiany w następującej kolejności: -Zasilacz niskiego napięcia i stopień tranzystorowy, czyli elementy C2-C7, R12-R22, L1, F1 oraz T3, na początku pomijając tranzystory T1 i T2. Po podłączeniu zasilania należy zmierzyć napięcie

7 między kolektorem, a emiterem T3. Przy kręceniu potencjometrem R16 powinno się ono zmieniać w granicach 7V-11V. Po ustawieniu najniższej wartości i wyłączeniu zasilania można zamontować tranzystory T1 i T2 wraz z diodami D1 i D2. Szeregowo z dławikiem w zasilaczu, lub w inne miejsce obwodu należy wpiąć amperomierz z zakresem 2A lub większym, po czym powtórnie włączyć układ. Początkowo prąd powinien być bliski zeru. Za pomocą potencjometru R16 należy ustawić go na 1A. Napięcie na kondensatorze C4 powinno wynosić połowę napięcia zasilania, które najlepiej mierzyć na kondensatorze C5. Po nagrzaniu radiatorów prąd spoczynkowy spadnie. Należy skorygować go za pomocą R16 cały czas obserwując napięcie na C4. Kiedy przy ciepłych radiatorach zostanie ustawiony prawidłowy prąd spoczynkowy, który nie będzie wykazywał tendencji do dalszych zmian, stopień mocy jest gotowy do pracy. Można przetestować go podłączając generator do wspólnego wyprowadzenia C2 i C3, a głośnik i/lub oscyloskop na wyjście wzmacniacza, czyli rezystor R22. Wszystkie opisane czynności należy powtórzyć w drugim kanale wzmacniacza. Uwaga! Po odłączeniu zasilania napięcie na kondensatorach elektrolitycznych może się utrzymywać przez dłuższy czas. Mimo, że 42V nie jest groźnym dla człowieka napięciem, to duże kondensatory podczas przypadkowego zwarcia mogą spowodować przepływ ogromnego prądu niebezpiecznego dla wielu elementów wzmacniacza i samych kondensatorów. Nigdy nie wolno rozładowywać kondensatorów poprzez zwarcie. Należy używać w tym celu rezystora około 100Ω/1W lub na stałe przylutować równolegle do kondensatora C6 rezystor 4,7kΩ/1W. -Budowę części lampowej należy zacząć od obwodu żarzenia. Warto zaopatrzyć się w transformator żarzeniowy z dzielonym uzwojeniem. Środkowy odczep należy podłączyć do dzielnika napięcia dobranego tak, aby potencjał grzejników lamp wynosił 40-70V. Można również podłączyć odczep do jednego z zasilaczy niskiego napięcia przed bezpiecznikiem. Podniesienie potencjałów grzejników lamp połączone z symetryzacją napięcia żarzenia pomaga w redukcji przydźwięku sieciowego oraz zmniejsza ryzyko wystąpienia przebicia izolacji grzejników. -Po zmontowaniu części lampowej, a więc wszystkich pozostałych elementów można sprawdzić działanie zasilacza wysokiego napięcia. Przy wyjętych lampach V1 i V2, pozostawiając jedynie lampę prostowniczą jeżeli jest używana, należy zmierzyć napięcie na kondensatorach C8-C11. Powinno być identyczne na każdym z nich i wynosić około 380V w przypadku prostownika lampowego i 340V w przypadku prostownika półprzewodnikowego. Po rozładowaniu kondensatorów można wstawić w podstawki lampy V1 i V2. Z oczywistych względów w części lampowej łatwiej jest uruchamiać obydwa kanały równocześnie. Uwaga! W zasilaczu części lampowej występują napięcia sięgające niemal 400V, które są niebezpieczne dla życia. Przy pracy z tego typu układami należy zachować szczególną ostrożność. -Włożenie do podstawek lamp V1 i V2 można przystąpić do uruchomienia części lampowej. Nie są tu konieczne żadne regulacje, uruchomienie polega na sprawdzeniu poprawności punktów pracy, czyli napięć na anodzie V1 i katodzie V2. Napięcia te powinny wynosić około 150V, przy czym Ua1 powinno być wyższe od Uk2 o 5V. Prądy anodowe najwygodniej jest mierzyć metodą pośrednią znając wartości rezystorów i spadki napięć na nich. -Jeżeli wszystkie bloki działają, można włączyć je równocześnie, podać na wejście wzmacniacza sygnał z generatora, a na wyjściu obserwować go za pomocą oscyloskopu. W ten sposób można oszacować moc wyjściową mierząc maksymalną niezniekształconą amplitudę napięcia wyjściowego. Dysponując miernikiem zniekształceń można taki pomiar przeprowadzić dokładnie.

8 Należy pamiętać o obciążeniu wyjścia wzmacniacza podczas pomiarów rezystorem 8Ω lub 4Ω o odpowiedniej mocy. -Przetestowany wzmacniacz nadaje się do pierwszego odsłuchu. Powodzenia! Wiktor Krzak *Charakterystyki lamp zaczerpnięto z katalogu Electronic Universal Vade-Mecum, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1964 Warszawa. *Charakterystyki tranzystorów zaczerpnięto z kart katalogowych producenta Fairchild Semiconductor.