Projekt nieco bardziej złożonego wzmacniacza

[Misiek13]

Zacząłem zgłębiać temat i szumów i modeli tranzystorów i zacząłem od prostej symulacji. Zmieniłem rezystory bazowe R11-R14 na 1,5k zamiast 470 omów. Wynik symulacji był następujący:

Szumy Rb1,5k.png

Napięcie szumów w pasmie akustycznym wzrosło o około 20% do 36,5uV, co odpowiada ok. 1,5dB.
Znalazłem tez wzór jak Spice oblicza rbb' z parametrów:

Rbb.png

W przypadku RB=1 i RBM=1 rbb' przyjmuje wartość RBM niezależnie od prądu bazy.
Przy okazji znalazłem ciekawy artykuł o modelowaniu: https://drive.google.com/file/d/191orFY ... EgU6a/view
(http://web.archive.org/web/202202091936 ... 0O%20N.pdf)
Nie wrzucam pliku, nie wiem jak wygląda sprawa praw autorskich.

[Misiek13]

Zasilacz. Jest to klasyczny układ – jeden transformator, prostownik mocy i 2 prostowniki do zasilacza stopni sterujących. Początkowa wersja zasilacza pracowała na pożyczonym zwykłym transformatorze prod TOROIDY.PL 300VA 2x40V i muszę przyznać, że nigdy nie słyszałem tak głośnego transformatora. Obecna wersja pracuje na transformatorze audio tego samego producenta i muszę przyznać, że jest cichy, jednak jego cena nie jest atrakcyjna – transformator na zamówienie 400VA 2x40V 4,7A, 2x12V 1A to cena blisko 500PLN z przesyłką. Zasilacz jest wyposażony w klasyczny układ miękkiego startu, początkowo układ startuje przez rezystor 23,5Ω (2x47Ω połączone równolegle), po ok. 0,5 sekundy rezystor jest zwierany za pomocą przekaźnika. Oto układ do symulacji:

Zasilacz.png

Model transformatora jest uproszczony, zatem nie będzie widać stanów nieustalonych w rdzeniu. Oto przebiegi w charakterystycznych punktach.

Zasilacz przebiegi.png

W chwili 0 załączam zasilanie, widać wzrastające napięcia na wyjściu, wartość chwilową prądu uzwojenia pierwotnego oraz prąd pobierany z prostownika – po 0,8A z każdej gałęzi. Po 0,5 sekundy zwiera się rezystor rozruchowy i widać jak napięcie na wyjściu wzrasta i wzrasta też wartość szczytowa prądu uzwojenia pierwotnego. Po 1 sekundzie zwiększa się obciążenie do 10A wartości szczytowej przy częstotliwości 20Hz co odpowiada mocy wyjściowej 2x100W. Od razu widać co się dzieje z napięciem wyjściowym i z prądem uzwojenia pierwotnego.
Teraz zbliżenia na charakterystyczne punkty. Na początku tętnienia przy prądzie spoczynkowym 350mV wartość międzyszczytowa.

Tętnienia spoczynkowy.png

Tętnienia przy 100W i 20Hz blisko 4,5V. Na szczęście napięcie w najniższym punkcie wynosi około 47V co gwarantuje poprawną pracę układu przy pełnej mocy.

Tętnienia 100W.png

Teraz wartości skuteczne prądu płynącego przez uzwojenie pierwotne – przy prądzie spoczynkowym

Prąd pierw spoczynkowy.png

Przy mocy 100W – 2,35A transformator jest przeciążony (540VA). Na szczęście jest to wzmacniacz audio i poza przypadkiem testu nigdy w rzeczywistych warunkach nie przeciążymy transformatora. Gdyby wzmacniacz miał być źródłem sygnału sinusoidalnego to transformator powinien mieć moc na poziomie 600VA.

Prąd pierw 100W.png

Na koniec prąd diody D1

Prąd diody.png

[Misiek13]

Teraz kilka uwag na temat elementów R13C14 i R7C12. Te elementy tłumią oscylacje powstający przy wyłączaniu diod. Przebieg napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora. Pierwszy przebieg zbliżenie bez elementów tłumiących:

Bez R.png

Drugi przebieg z podłączonymi elementami tłumiącymi:

Z R.png

Przy projektowaniu układów zasilaczy, nawet prostych należy zwracać uwagę tego typu oscylacje.

[Misiek13]

Czas na rysunki wykonawcze. Do projektowania wykorzystałem program KiCad. Jest to darmowy program, w obecnej wersji jest on wystarczający do projektowania tego typu układów. Ostatecznie układ powstał na 3 płytkach z dodatkową 4 płytką zabezpieczeń i miękkiego załączania. Na pierwszej, głównej płytce są elementy mocy umieszczone na dwóch radiatorach KA200 oraz zasilacz. Na dwóch pozostałych są układy napięciowe, każdy kanał na oddzielnej płytce. Schemat płyty głównej – zasilacz:

Zasilacz p.png

Kanał lewy:

Lewy.png

Kanał prawy wygląda identycznie więc nie będę przedstawiał jego schematu. Na schemacie pojawiły się tranzystory Q107 i Q109. Jest to układ detekcji przeciążenia wykrywający prąd na wyjściu przekraczający rzędu około 12-15A. Sygnał przeciążenia jest podawany do układu zabezpieczeń i powoduję wyłączenie zasilacza. Dodatkowo na płytce jest zastosowany ogranicznik prądu zwarcia na tranzystorach Q106 i Q108. Ogranicza on prąd zwarcia na poziomie nieco wyższym niż niż próg detekcji przeciążenia. Ważną rolę pełnią tu taj też diody D101-102 i D105-106. Zabezpieczają one przed nasyceniem tranzystory wyjściowe i przy okazji przed uszkodzeniem tranzystory sterujące.
Wyszło coś takiego. Jest to wizualizacja płytki z programu KiCad. Brakuje niektórych elementów, inne wyglądają inaczej niż w rzeczywistości. Nie chciało mi się robić STEP-ów do elementów.

Płyta główna.png

[Misiek13]

Wracająć do tematu szumów, rzeczywiście literatura podaje dla BC550/560 rbb' na poziomie 700 omów. W tym samym miejscu znajduję 2N5551 z rbb' 110 omów oraz dla 2N4403 10 omów a D. Self podaje 40.
Karta katalogowa ONSEMI podaje wykres rbb' dla tranzystorów BC550/BC560:
BC550:

RBB BC550.png

BC560:

RBB BC560.png

Możliwe, że przyczyną pewnych różnic może być fakt, że jeden producent poda wartość maksymalną a drugi typową.
Przy okazji znalazłem model tranzystorów BC547C/BC557C gdzie RB dla PNP wynosiło 300omów a dla NPN 360.
Model BC550C ze strony ONSEMI ma RB 167 omów. Poniżej wynik symulacji dla RB 300/360 omów:

Szumy BC547CN.png

Szumy większe niż w pierwszej symulacji o 0,5dB. Dla zainteresowanych dołączam modele:
.MODEL BC547CN NPN
+ IS = 1.641E-014
+ NF = 0.9969
+ ISE = 1.151E-016
+ NE = 1.208
+ BF = 509
+ IKF = 0.0863
+ VAF = 66.64
+ NR = 0.9953
+ ISC = 1.068E-014
+ NC = 1.357
+ BR = 9.832
+ IKR = 0.1524
+ VAR = 25
+ RB = 360
+ IRB = 2.5E-005
+ RBM = 0.8
+ RE = 0.6403
+ RC = 0.5461
+ XTB = 1.595
+ EG = 1.11
+ XTI = 6.27
+ CJE = 1.119E-011
+ VJE = 0.6755
+ MJE = 0.3391
+ TF = 5.25E-010
+ XTF = 22.74
+ VTF = 2
+ ITF = 0.368
+ PTF = 0
+ CJC = 3.693E-012
+ VJC = 0.5083
+ MJC = 0.3642
+ XCJC = 1
+ TR = 5.1E-07
+ CJS = 0
+ VJS = 0.75
+ MJS = 0.333
+ FC = 0.9552

.MODEL BC557CN PNP
+ IS = 1.883E-14
+ NF = 0.9819
+ ISE = 3.648E-15
+ NE = 1.624
+ BF = 484.9
+ IKF = 0.06622
+ VAF = 21.95
+ NR = 0.9812
+ ISC = 8.972E-16
+ NC = 1.192
+ BR = 16.86
+ IKR = 0.01771
+ VAR = 15.39
+ RB = 300
+ IRB = 5E-06
+ RBM = 2.863
+ RE = 0.4326
+ RC = 0.4093
+ XTB = 1.084
+ EG = 1.11
+ XTI = 0.5792
+ CJE = 1.173E-11
+ VJE = 1
+ MJE = 0.432
+ TF = 8.963E-10
+ XTF = 7.906
+ VTF = 2.729
+ ITF = 0.3067
+ PTF = 0
+ CJC = 6.794E-12
+ VJC = 1
+ MJC = 0.6324
+ XCJC = 1
+ TR = 2.5E-08
+ CJS = 0
+ VJS = 0.75
+ MJS = 0.333
+ FC = 0.4697

[Einherjer]

Myślę, że grupa wzmocnienia może mieć tutaj znaczenie. Tak czy owak jednak bardziej ufam pomiarom wykonanym przez autorów Sztuki Elektroniki...

[Romekd]

Czołem.
Przedstawione w książce "Sztuka elektroniki" informacje wskazują, że szumy tranzystorów tego samego typu, ale z wyższym wzmocnieniem prądowym (wyższą betą) są wyższe niż w tranzystorach o mniejszym wzmocnieniu. To może wskazywać, że w stopniach, w których nie trzeba stosować tranzystorów o najwyższym możliwym wzmocnieniu, np. BC550 i BC560 z grupy "C" mogą lepiej się sprawdzać inne tranzystory z gruby "B" lub nawet "A". Przeprowadzone przeze mnie doświadczenia przekonały mnie, że tranzystory o tych samych symbolach, ale wyprodukowane przez różnych producentów potrafią wykazywać inne właściwości szumowe, choć te różnicy nie były jakieś szokujące. W przypadku pokazanego w wątku wysokiej klasy wzmacniacza trzeba uwzględnić jaka będzie rezystancja źródła sygnału i pod tą rezystancję dobrać właściwe typy tranzystorów.

Pozdrawiam
Romek

[Misiek13]

Z tą wysoką klasą to chyba przesada. Układ ma być przede wszystkim retro. Układ z założenia ma być bardziej złożony niż prosty układ na 7 tranzystorach. Akurat padło na wzmacniacz Leach’a. Układ sam w sobie był dość złożony i tak naprawdę uważany przez ekspertów za nieoptymalny – dwa wzmacniacze różnicowe jeden na tranzystorach PNP drugi NPN to niepotrzebny zbytek i trudno się z nimi nie zgodzić. Układ sam w sobie ma pewną „audiofilską symetrię” i to mi się w nim bardzo spodobało. Mylące może się wydawać zastosowanie w stopniu wyjściowym specjalizowanych tranzystorów audio ze zintegrowaną diodą do kompensacji termicznej ale to zostało podyktowane innymi względami. Początkowo w stopniu wyjściowym miały być po 3 tranzystory w obudowach TO-3 i cały wzmacniacz miał być większej mocy, jednak potrzeba optymalizacji wielkości, ilości wydzielanego ciepła i trochę moje lenistwo spowodowały, że wybrałem tranzystory w obudowie TO-264. Nie chciałem stosować MJL21194/21194 bo już je kiedyś stosowałem, to samo było z 2SA1943/2SC5200. Stwierdziłem, że zastosuje NJL-e bo jeszcze są produkowane i tak naprawdę nie wiadomo jak długo będą. Ich cena też jest niewiele wyższa od zwykłych MJL1302/3281. Reszta elementów z założenia miała być zwykła oraz część elementów nie jest już produkowana. Obecnie tranzystory BC547/557 są oferowane przez coraz mniejszą liczbę producentów i też z tego powodu zastosowałem dostępne tranzystory prod. Diotec. Dodatkowo zastosowałem zwykłe kondensatory. Wszystkie małe kondensatory łącznie z bipolarnymi to Panasonic. Rezystory są zwykłe, metalizowane różnych producentów, takie jak były dostępne w sklepie.
Wracając do szumów, w przypadku końcówki mocy o wzmocnieniu 30 stosujemy tylko „zgrubną” optymalizację szumową. Nie ma zupełnie sensu dążenie w kierunku uzyskania stosunku sygnał szum powyżej 120dB, chyba że mamy głośniki o efektywności 100dB/W lub większej. Ten układ ma właśnie taką zgrubną optymalizację. Często na wejściu końcówki mocy stosuje się potencjometr 50kΩ. W środkowej pozycji przy zwartym wejściu (końcówki ścieżki oporowej połączonej ze sobą) da rezystancję wyjściową 12,5kΩ. To wprowadzi szumy wyższe niż cały układ wzmacniacza różnicowego na zwykłych BC547 z rezystorami emiterowymi po 470Ω, wejściowym 1kΩ i rezystorem w pętli 1kΩ. Inaczej sprawa będzie wyglądała w przypadku przedwzmacniacza gramofonowego – tutaj już będzie o co walczyć.
Teraz dołączę schemat płytki napięciowej i jej wizualizacje. Płytka została tak zaprojektowana, że elementy można montować z dowolnej strony. W moim układzie w jednym kanele elementy są na warstwie spodniej a w drugim na warstwie wierzchniej. Początkowo obie płytki miały być zamontowane na płytce głównej w przestrzeni między kondensatorami a tranzystorami mocy. Powodowałoby to ogromne problemy w uruchamianiu i serwisowaniu. Ostatecznie obie płytki wylądowały od spodu. To rozwiązanie bardzo ułatwi przyszłe serwisowanie oraz poprawi chłodzenie elementów na tej płytce. Najbardziej tu chodzi o tranzystory stopnia napięciowego.

Napięciowy.png

Napięciowy 3D.png

[Misiek13]

Schemat płytki zabezpieczeń:

Płytka zabezpieczeń.png

Zastosowałem transformatorek który miałem - 2x9V 2VA. Opis zacisków na płytce:
J1, J2 – zasilanie 230V
J3, J4 – podłączenie transformatora
J5, J6 – wyprowadzenie do opcjonalnego przełącznika standby. Nie wykorzystane, są zwarte.
J7, J8 – wejścia zwłocznego zabezpieczenia przed pojawieniem się napięcia stałego. Podanie 40V 8Hz nie wyłącza zasilania, niższe częstotliwości tak
J9 – masa wzmacniacza
J10, J11 – wejście z detektora zwarcia
J12, J13 – wejście zabezpieczenia zwarciowego. Do niego są podłączone połączone szeregowo wyłączniki termiczne umieszczone na radiatorach
J14, J15 – ścieżka ochronna połączona z przewodem ochronnym z wtyczki oddzielająca na płytce elementy połączone z siecią zasilającą od reszty układu.
Ogólnie układ jest dosyć klasyczny, podobny do układów stosowanych w handlowych wzmacniaczach. Przekaźnik K3 załącza zasilanie oraz w przypadku wystąpienia zwarcia, przegrzania lub pojawienia się napięcia stałego na wyjściu odłącza zasilanie, przekaźnik K4 zwiera po ok 0,5 sekundy od załączenia K3 rezystory rozruchowe R1 i R2.
Wizualizacja tej płytki (brakło przekaźników):

Płytka zabezpieczeń 3d.png

[Misiek13]

Teraz czas na kilka zdjęć z uruchomienia. Układ startowy zmontowałem na sklejce. Miało to na celu uniemożliwienie wzajemnego przesuwania się elementów i problemów z tym związanych. Dodatkowo zaletą sklejki jest słaba przewodność elektryczna i dobra sztywność przy niewielkim ciężarze. Montaż nie jest idealny. Nie mam zdolności manualnych ani cierpliwości.
Widok z góry:

1768588418986.jpg

Widok z dołu bez sklejki:

1768588368502.jpg

Część siłowa:

1768588418978.jpg

na początku na pożyczonych transformatorach. Tak jak transformatory Telto są ok tak Toroidy w wersji standard rozczarowują. W przypadku tej części kluczowe jest umocowanie wszystkich elementów. Należy pamiętać o niebezpiecznym napięciu sieci zasilającej. W przypadku takich "otwartych" układów dobrą praktyką jest podłączenie przewodu ochronnego. Tutaj jest uziemiony wspornik z filtrem, wyłącznikiem sieciowym i bezpiecznikami.

[Misiek13]

Obudowa. Jest to zazwyczaj najsłabszy punkt konstrukcji amatorskiej. Są dostępne gotowe obudowy, jednak nie zawsze one są optymalne. Nie chciałem stosować ciętych laserowo i giętych elementów blaszanych. Chciałem aby obudowa była bardzo amatorska. Postawiłem na materiały dostępne w sklepach budowlanych i na portalach zakupowych.

1768652024481.jpg

Cała konstrukcja to podstawa z listewek drewnianych – prawdopodobnie sosnowych – nie znam się. Listewki o dosyć estetycznym wyglądzie można kupić w sklepach budowlanych. Do tego zastosowałem formatki z blachy aluminiowej o grubości 2mm na panel przedni i tylny. Perforowane części górna i dolna to perforowana blacha aluminiowa o grubości 1mm. Docięte na gilotynie formatki blachy można zamówić na portalu aukcyjnym. Gilotyna jest nawet dobrze ustawiona, dokładność cięcia to 1mm. Reszta obudowy to formatki ze sklejki brzozowej o grubości 5mm. Docięte formatki można kupić w sklepach budowlanych lub na portalu zakupowym. Tutaj pojawia się problem - formatki mogą być docięte na pile z różna dokładnością lub na laserze. Te cięte na laserze mają ciemne krawędzie co może być kłopotliwe, cięte na pile mogą nie trzymać kątów lub wymiarów. Teraz kilka zdjęć. Pierwsze widok z zewnątrz. Potrzebne są może ładniejsze wkręty i jeszcze jedna warstwa lakierobejcy – niestety jest alkidowa i z lakierowaniem muszę czekać do wiosny. Następne zdjęcia są po zdjęciu obudowy. Jeszcze muszę poprawić estetykę ułożenia przewodów i już prawie gotowe.

1768639550281.jpg

1768639550264.jpg

1768639550256.jpg

1768639550272.jpg

Jeszcze kilka szczegółów. Retro jest wyłącznik sieciowy – licencja Isostat. Przy budowie tego typu układów należy przede wszystkim zadbać o bezpieczeństwo użytkowania. Transformator i płytka zabezpieczeń jest przymocowana na oddzielnej blasze odizolowanej od reszty obudowy ale uziemionej. Filtr sieciowy jest odizolowany od tylnej ścianki. Masa układu z blachą jest połączona przez równolegle połączone rezystor i kondensator. Pozwoli to zminimalizować pętle masy. Gniazda bezpiecznikowy wyłącznik sieciowy są owinięte folia poliestrową o grubości bodajże 0,2mm – resztki z budowy transformatora. To samo pod płytką zabezpieczeń znajduje się taka folia. Ogranicza ona ryzyko zwarć spowodowanych wpadaniem jakichś przedmiotów pod płytkę.
Jak widać wzmacniacz jest pozbawiony dwóch słabych punktów - przekaźnika na wyjściu i potencjometru. To rozwiązanie ma swoje wady ale i zalety.

[Misiek13]

W związku z powyższym brakiem potencjometru i czułością prawie 1V potrzebny jest specjalny wzmacniacz napięciowy zapewniający 4- krotne wzmocnienie i posiadający regulację wzmocnienia. Postanowiłem zastosować architekturę odwrotną – potencjometr na wejściu wzmacniacza napięciowego zamiast na wyjściu. Tym samym nie skorzystałem z wiedzy przedstawionej w jednej z moich ulubionych książek – Douglas Self - Small Signal Audio Design. Zaletą tego rozwiązania jest brak możliwości jego przesterowania i co za tym idzie małe zniekształcenia. Wada to szumy słyszane w głośniku przy małej głośności, przy czym mała głośność to brak sygnału na wejściu a warunki pomiaru to mój pokój i moje głuche ucho przystawione do głośnika o efektywności 91dB. Rzeczywiście coś tam szumi. Mocniej gdy do wejścia nic nie jest podłączone a potencjometr ustawiony na maksimum. Podobna architektura została zastosowana we wzmacniaczu PW-9010 i wzmacniaczu do samodzielnego montażu AWS-1 opisanym w Młodym Techniku 01/1985 https://mlodytechnik.pl/files/pis/85-nw ... 2x15_w.pdf.
Wzmacniacz jest zasilany napięciem +/-15V i w swojej strukturze ma kilka wzmacniaczy operacyjnych wykonanych na elementach dyskretnych. Układy scalone, proste i klasyczne są zastosowane w zasilaczu. Nie chciało mi się budować wielkiej i skomplikowanej płytki. Zacznę od zdjęcia wnętrza prawie gotowego wzmacniacza.

1768678474403.jpg

Schemat układu do symulacji.

Napięciowy schemat.png

Na schemacie nie ma potencjometru głośności, który powinien znajdować się na wejściu. Pierwszy stopień daje wstępne wzmocnienie 12dB, drugi stopień to zmodyfikowany układ Baxandalla. Modyfikacja polega na dodaniu kondensatorów C9 i C11, które powodują ograniczenie zakresu regulacji na końcach pasma akustycznego. Oto jego charakterystyka częstotliwościowa dla różnych położeń suwaków potencjometrów. Maksima regulacji ustawiłem dla ok 50Hz dla tonów niskich i ok 10KHz dla tonów wysokich. Zakres regulacji to ok. ±10dB.

Barwa.png

Kolejny przebieg to odpowiedź układu na przebieg prostokątny dla potencjometrów barwy ustawionych w położeniu środkowym. Zielony po pierwszym stopniu, niebieski po drugim.

Prostokąt.png

Zbliżenie na szybkość zmian napięcia na wyjściu – wyszło ponad 60V/µs

Szybkość.png

To samo po zmianie C3 na 20pF. Szybkość spadła dwukrotnie.

Szybkość 20p.png

Teraz charakterystyka AC dla C3=10pF

AC stpień 1 zamknięta pętla.png

To samo otwarta pętla

AC otwarta pętla 1 stopień.png

Te same charakterystyki dla C3=20pF

AC zamknięta pętla 1 stopień 20p.png

AC otwarta petla 1 stopień 20p.png

[Einherjer]

Mogę tylko przyznać, że podziwiam ogrom pracy. No i przyjemnie popatrzeć na oryginalną konstrukcję zbudowaną z dyskretnych tranzystorów, dobrze, że są jeszcze tacy zapaleńcy jak Ty

[Misiek13]

Mogę tylko przyznać, że podziwiam ogrom pracy. No i przyjemnie popatrzeć na oryginalną konstrukcję zbudowaną z dyskretnych tranzystorów, dobrze, że są jeszcze tacy zapaleńcy jak Ty

Dzięki za uznanie. Fakt trochę z tym było i jest jeszcze zabawy. Lubie nietypowe i czasem zwariowane układy. Nie lubię kopiować dobrych i sprawdzonych rozwiązań.

[Misiek13]

Teraz zniekształcenia. Symulację wykonuję dla częstotliwości 10, 20 i 30kHz oraz amplitud sygnału na wyjściu 10, 300 i 400mV. Najistotniejsza jest symulacja dla 400mV – to napięcie odpowiada napięciu na wyjściu ponad 1V RMS czyli spokojnie wysteruje wzmacniacz mocy do ponad 100W. Pierwszy przebieg to sygnał na wyjściu wzmacniacza – sinusoida o różnych amplitudach i częstotliwościach.

Przebieg wy dla THD.png

Teraz zniekształcenia dla wyjścia stopnia pierwszego (U(wy1)) i drugiego (U(wy) dla f=30kHz i U=400mV. Tu widać, że jest to wartość maksymalnie 0,002% czyli mniej niż zniekształcenia wzmacniacza mocy.

Zniekształcenia 30k 10p.png

Szczegóły dla pozostałych amplitud i częstotliwości w załączniku.

THD 10p.pdf

Teraz jeszcze to samo dla kondensatora C3=20pF zamiast 10pF.

THD 20p.png

THD 20p.pdf

Praktycznie to samo.