auDIYo‎ > ‎

Bright - opis

Haiku auDIYo: Bright
Wzmacniacz hybrydowy do samodzielnego montażu - Schemat, opis układu

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, może pracować także bez sprzężenia zwrotnego.

Rys.1 przedstawia schemat wzmacniacza. (naciśnij aby powiększyć)


Sygnał wejściowy ze złącza Con4 (Input) przez rezystory R24 i R22 trafia na siatkę pierwszej triody lampy Vb. Jest to stopień wzmacniacza oporowego ze wspólną katodą i polaryzacją automatyczną. Rezystory R25 i R26 stanowią właściwe obciążenie lampy. Podział rezystora anodowego na dwie części pozwala na zastosowanie układu bootstrap, czyli dynamicznego źródła prądowego poprzez podanie sygnału wyjściowego pomiędzy te rezystory. Powoduje to, iż napięcie na R26 pozostaje w przybliżeniu stałe, a więc prąd płynący przez ten rezystor również będzie stały niezależnie od chwilowej wartości sygnału. Rozwiązanie takie pozwala na dalsze obniżenie zniekształceń i pełne wykorzystanie współczynnika wzmocnienia lampy. Aby układ pracował bez dynamicznego źródła prądowego należy nie montować kondensatora C7, reszta układu pozostaje bez zmian.

Spadek napięcia na rezystorze R20 wymusza różnicę potencjałów między katodą, a siatką, niezbędną do ustalenia właściwego punktu pracy. Kondensator C12 powoduje utrzymanie stałego napięcia na katodzie likwidując lokalne sprzężenie zwrotne powstające na rezystorze katodowym. Rezystor R22 zabezpiecza przed powstawaniem niepożądanych oscylacji w.cz, natomiast rezystor R23 zapewnia utrzymanie siatki lampy na potencjale masy. R24 ustala rezystancję wejściową układu podczas pracy ze sprzężeniem zwrotnym. Rezystor R21 decyduje o głębokości sprzężenia zwrotnego. Aby zrezygnować ze stosowania USZ należy ten pominąć, a R24 zastąpić zworą.

Wzmocnienie stopnia z zastosowaniem USZ, jak i z jego pominięciem dla poszczególnych typów lamp podano w tabeli pod schematem.

Napięcie na anodzie lampy wynosi 150V, 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 cechujący się rezystancją wyjściową rzędu kilkudzuesięciu kΩ nie byłby w stanie przeładować tej pojemności przy wyższych częstotliwościach akustycznych.

Aby osiągnąć szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości, stopień wzmocnienia napięciowego został oddzielony od stopnia mocy lampowym wtórnikiem. Druga z triod lampy Va również pracuje przy napięciu anodowym 150V, jednak konfiguracja wtórnika pozwala na uzyskanie znacznie niższych rezystancji wyjściowych w zakresie 100Ω - 1kΩ, co umożliwia sterowanie tranzystorów mocy w szerokim zakresie częstotliwości. Napięcie zasilania stopnia można zmierzyć na kondensatorze filtrującym C9. Wynosi ono 300V. Rezystor R28 stanowi obciążenie lampy dla prądu stałego. Rezystor R27 zapobiega niepożądanym wzbudzeniom w zakresie w.cz.

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. Obliczając częstotliwość graniczną jako fg=(2π•R•C)ˉ¹ i przyjmując C=200pF jako sumę pojemności wejściowych dwóch tranzystorów oraz R z zakresu 200Ω-2kΩ jako sumę rezystancji wewnętrznej stopnia sterującego i szeregowych rezystorów R5 i R12 połączonych równolegle, otrzymujemy fg w zakresie 4MHz – 400kHz. 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 100kHz, co dla urządzenia audio jest wynikiem spełniającym oczekiwania z zapasem.

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 R7 i R14. Oddzielają one obwód polaryzacji z tranzystorem T3 od obwodów bramkowych tranzystorów mocy T2 i T4. 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 R7 i R14 mogą być dobrane tak, aby stanowiły dogodne obciążenie dla stopnia lampowego, natomiast rezystory R6 i R13 mogą mieć niższą wartość aby zapewnić wygodną polaryzację tranzystora T3 bez zbędnego obciążania lampy Vb. Układ T3, R9-11 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 ich prąd 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. R10 jest potencjometrem montażowym 1kΩ, 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 dla każdego z tranzystorów mocy. Szeregowe rezystory R5 i R12 umieszczone w bramkach tranzystorów HEX-FET zapobiegają wzbudzeniom w.cz. Rezystory R8 i R15 powodują dalszą poprawę stabilności termicznej i redukcję zniekształceń nieliniowych stopnia.

Kondensatory C1 i C2 sprzęgają stopień sterujący ze stopniem mocy. Są to wysokiej jakości kondensatory zwijane o dopuszczalnym napięciu pracy 400V. Podczas pracy wzmacniacza stałe napięcie na nich wynosi około 130V.

Przy braku stałoprądowego 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 C5, jako najpewniejszy sposób zapewnienia braku napięcia stałego na wyjściu. Rezystory R16 i R17 zapewnia prawidłowe ładowanie i rozładowywanie kondensatora C5 w przypadku odłączonego obciążenia jednocześnie będąc dzielnikiem, który umożliwia dołączenie do wzmacniacza słuchawek.

Prąd spoczynkowy stopnia mocy wynosi około 500mA, a więc moc rozpraszana w spoczynku przekracza 25W. Aby zapewnić odprowadzanie ciepła z tranzystorów T2 i T4 należy umieścić je na radiatorze o odpowiedniej wielkości. W seryjnym urządzeniu zastosowano radiatory o rozmiarach 300x78mm i wysokości pióra 35mm, które pozwalają na utrzymanie temperatury około 45°C. Obudowy tranzystorów HEX-FET od strony radiatora są metalowe i mają połączenie z drenem, więc należy przymocować je z użyciem przekładki izolującej. Może to być standardowa przekładka mikowa posmarowana z obu stron izolującą pastą przewodzącą ciepło, natomiast w zestawie znajdują się podkładki ceramiczne o znacznie lepszych parametrach.   Tranzystor T3 posiada w pełni izolowaną obudowę, więc można montować go bezpośrednio na radiatorze pamiętając jedynie o paście termoprzewodzącej.

Wszystkie stopnie wzmacniacza są zasilane niesymetrycznie, w związku z czym są bardziej wrażliwe na filtrowanie napięcia zasilania, dlatego zastosowano stabilizację napięcia dla części tranzystorowej.

Diody Zenera D2-5 ustalają napięcie, które na wyjściu zasilacza jest dodatkowo pomniejszone o napięcie Ugs tranzystora T1. W efekcie napięcie zasilające wynosi 44V. Kondensator C6 zapewnia powolne narastanie napięcia przy włączaniu, przez co nie są potrzebne żadne dodatkowe układy załączające głośniki itp.

Rezystory R3 i R4 rozładowują główne kondensatory zasilacza, odpowiednio C3 i C4. Rezystor R1 ustala prąd spoczynkowy diod Zenera, natomiast R2 zapobiega ewentualnym wzbudzeniom w.cz. tranzystora T1.

Dioda D1 pozwala na szybkie rozładowanie C6 po wyłączeniu zasilania, gdyż w przeciwnym wypadku mogłaby wystąpić różnica potencjałów między bramką, a źródłem tranzystora T1 przekraczająca dopuszczalną wartość.

Można zrezygnować ze stabilizacji napięcia pomijając diody Zenera D2-5. Zwiększy to napięcie zasilania tranzystorów do około 50V, co z kolei pozwoli na uzyskanie wyższej mocy wyjściowej wzmacniacza.

Złącze Con2 pozwala na włączenie do zasilacza amperomierza i/lub dławika dodatkowo poprawiającego filtrację.

Transformator dostarcza napięcia 40V przy maksymalnym prądzie 3A. Zastosowany mostek prostowniczy posiada obciążalność 15A i jest przytwierdzony do radiatora. Obudowa mostka jest w pełni izolowana, a moc wydzielana na nim znacznie mniejsza niż w przypadku tranzystorów, wobec czego można montować go bezpośrednio do radiatora nawet z pominięciem pasty termoprzewodzącej.

Bezpiecznik F1 chroni tranzystory mocy w wypadku nagłego wzrostu prądu drenów. Wytrzymałość tranzystorów jest znacznie większa, więc bezpiecznik 4A w większości przypadków stanowi wystarczające zabezpieczenie.

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 do C11 oraz R30 i R31, a dla pierwszego stopnia dodatkowo C8 i R29. Rezystor R32 służy ograniczeniu impulsów prądu ładowania kondensatora C11. W przypadku zastosowania prostownika półprzewodnikowego zakłócenia ulegają w ten sposób redukcji. 

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.



Wiktor Krzak

HAIKU-AUDIO

tel: 600-520-997

haiku@haiku-audio.pl

www.haiku-audio.pl