Wzmacniacz z książeczki Valvo

[Misiek13]

Może trochę odejdę od tematu ale pokażę jak wygląda zależność napięcia wyjściowego przykładowego układu quasikomplementarnego dla prądów spoczynkowych 15mA, 40mA i 100mA. Symulowany układ:

sch quasi.png

i wykres (błękitny 100mA, czerwony 40mA i niebieski 15mA)

transfer quasi.png

Dla uwydatnienia problemu symulację przeprowadziłem dla rezystancji obciążenia 4 omy i tylko dla zakresu napięć na wejściu od -2V do 2V.
teraz wygląd sinusoidy na wyjściu przy sygnale wejściowym 300mV

quasi sin.png

zielony dla 15mA, niebieski 40mA, czerwony 100mA
Na koniec zniekształcenia: 3,3% dla 15mA, 0,59% dla 40mA i 0,052% dla 100mA

thd.png

[Olkus]

Ciekawe wyniki tej symulacji. Przyznam, że rozważałem czy nie podnieść trochę prądu spoczynkowego końcówki mocy, tak np. do 50mA. Ciekaw jestem jakie zmiany dałoby to u mnie w rzeczywistym układzie. Niestety nie mam karty dźwiękowej do wykonania takich pomiarów, tylko taką wbudowaną w PC, więc bez rewelacji jak o parametry chodzi.

Pozdrawiam,
A.

[Misiek13]

Prąd na poziomie 30-40mA jest optymalny dla tego układu. Te symulacje były dla stopnia wyjściowego sterowanego ze źródła sygnału o zerowej rezystancji wyjściowej. Teraz pokażę jak wygląda przebieg na wyjściu następującego układu:

Quasi bootstrap.png

Jest to ten sam układ quasikomplementarny sterowany pojedynczym tranzystorem ze sprzężeniem typu bootstrap pracujący przy prądzie spoczynkowym 40mA. Przebieg na wyjściu:

Przebieg boot.png

Totalna katastrofa. Zniekształcenia 16%. Wynik jest spowodowany asymetrią stopnia wyjściowego. Po pierwsze układ EF (Darlington) ma większą rezystancję wyjściową niż układ CFP (Sziklai) co wyszło w poprzedniej symulacji. Po drugie poprzez niewłaściwy dobór tranzystorów Q7 i Q8 mamy dwukrotnie większe wzmocnienie prądowe układu CFP niż EF. Asymetria jest jeszcze zwiększana przez układ bootstrap. Usuwając kondensator C1 asymetria maleje i zniekształcenia maleją do jedynie 12%. Niestety rezygnując z bootstrapu będziemy mieć problem z uzyskaniem zadowalającej amplitudy sygnału na wyjściu oraz zniekształcenia będą większe dla większych sygnałów. Czasami były stosowane układy mieszane poprzez dodanie dodatkowego równoległego rezystora. Częściowo problem asymetrii można ograniczyć przez dokładny dobór pary tranzystorów mocy Q5 i Q6 (w symulacji były identyczne) oraz Q7 i Q8 (Q8 miał wzmocnienie dużo większe niż Q7).
Na podstawie tej symulacji widać jak ważna jest liniowość stopnia wyjściowego w takim prostym układzie. Kolejnym zjawiskiem, które psuje parametry układu jest stabilizacja prądu spoczynkowego. Muszę przyznać, że stabilizacja prądu spoczynkowego w układzie gdzie są zastosowane zarówno tranzystory germanowi i krzemowe jest bardzo trudna. Wynika to z dużej różnicy napięć Ube dla tranzystorów germanowych i krzemowych. Należy tez zwrócić uwagę na dynamiczną stabilizację proðu spoczynkowego ze względu na fakt zmiennej różnicy temperatur między złączem a obudową. Ogólnie temat jest trudny i te dywagacje mogą mieć objętość całego rozdziału w książce.

[Olkus]

Faktycznie brzydki ten przebieg, patrząc względem poprzednich.
Ciekawe czy coś by zmieniło źródło prądowe zamiast bootstrapu?
Tranzystory mam dobrane, zarówno sterujące jak i mocy (tych ostatnich przyznam nie mierzyłem pod kątem wzmocnienia, ale z wcześniejszych eksperymentów wyglądało na to, że jest w porządku).
Trochę mało mam BC313, w przeciwieństwie do BC211, których mam pod dostatkiem, ale udało się dobrać sensowne pary. Różnica między nimi z tego co pamiętam to około 10%. Ewentualnie poszukam czy coś z 2N2219 i 2N2904 nie dobiorę lepszego.
W kwestii prądu spoczynkowego, połączenie krzemu z germanem faktycznie jest dość ciekawe pod tym względem, w końcu zachowanie tych półprzewodników i dopuszczalne warunki pracy są zupełnie inne. Choć chyba u mnie jest nienajgorzej, zmiany prądu spoczynkowego w czasie są małe, podobne jak we wzmacniaczach tranzystorowych na krzemie, z którymi miałem kontakt a na pewno sytuacja nie wygląda gorzej.

Pozdrawiam,
A.

[Misiek13]

Ciekawe czy coś by zmieniło źródło prądowe zamiast bootstrapu?

Jeżeli chodzi o zniekształcenia to niewiele. Trochę inne warunki pomiaru, poprzednich nie zapisałem. Na początek schemat:

zródło.png

Przebieg na wyjściu:

zródło sym.png

Zniekształcenia:

THD zródło.png

Głowna różnica polega na tym, że wzmocnienie wzrosło 2,5 raza. Ten fakt pozwoli zastosować głębsze sprzężenie zwrotnie i co za tym idzie zniekształcenia całego układu będą niższe.

Tranzystory mam dobrane, zarówno sterujące jak i mocy (tych ostatnich przyznam nie mierzyłem pod kątem wzmocnienia, ale z wcześniejszych eksperymentów wyglądało na to, że jest w porządku).

Jeżeli chodzi o tranzystory mocy to ich dobór jest prosta sprawą. Gorzej jest w przypadku tranzystorów komplementarnych. Poniżej zależności wzmocnienia prądowego dla BC211 i BC313 w zależności od prądu kolektora zaczerpnięte z norm branżowych:

BC211 BN.png

BC313 BN.png

Jak widać te charakterystyki mają różna kształty i ważne jest, żeby tranzystory dobierać przy właściwym prądzie kolektora. Wg BN jeżeli u producenta dobierane są pary komplementarne to ten dobór jest dokonywany z dokładnością 20-25% przy prądzie kolektora 150mA.
Kolejne zjawisko to zmiana wzmocnienia prądowego w zależności od temperatury. Nie znalazłem tego w ani BN ani w karcie katalogowej. Z tego co wiem, zmiany mogą być całkiem spore i różne dla tranzystora PNP i NPN.

Aby znaleźć źródło problemu proponuję narysować aktualny schemat z aktualnymi wartościami elementów. Łatwiej będzie nam wspólnie coś wymyślić. Nie sądzę aby była potrzebna jakaś gruntowna zmiana układu. Zmiana wartości elementów pewnie tak.

W kwestii prądu spoczynkowego, połączenie krzemu z germanem faktycznie jest dość ciekawe pod tym względem, w końcu zachowanie tych półprzewodników i dopuszczalne warunki pracy są zupełnie inne. Choć chyba u mnie jest nienajgorzej, zmiany prądu spoczynkowego w czasie są małe, podobne jak we wzmacniaczach tranzystorowych na krzemie, z którymi miałem kontakt a na pewno sytuacja nie wygląda gorzej.

Dynamicznych zmian prądu spoczynkowego tak łatwo nie da się zmierzyć.

[Romekd]

Czołem.
Koledzy, rozmawiacie o zniekształceniach stopni mocy, które pracują bez sprzężenia zwrotnego, które bardzo mocno redukowałoby całkowite zniekształcenia wzmacniacza, a tu we wzmacniaczu wykonanym wg książeczki Valvo zniekształcenia pokazane na wykresach wynikają z ewidentnego uszkodzenia wzmacniacza. Zniekształcenia te wynoszą "na oko" z kilkadziesiąt procent i nie jest ich w stanie obniżyć nawet pętla globalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Pięć lat temu opisywałem na "Triodzie" wzmacniacz firmy DENSEN, którego tranzystory sterujące i wyjściowe w ogóle nie były objęte pętlą USZ, a w którym mimo to poziomy zniekształceń THD były stosunkowo niskie i to dla dla szerokiego zakresu mocy wyjściowych. Poniżej link do tamtego wątku.

https://forum-trioda.pl/viewtopic.php?p=388236#p388236

Poziom zniekształceń był niski i spadały one szybko wraz z kolejnymi harmonicznymi, co wielu naszych Użytkowników mocno zaskoczyło.

Pozdrawiam
Romek

[Szrot majster]

Witam!
I taki skutek mariażu krzemu i germanu w tego typu końcówce mocy.
A może Kolega Olkus zrobi to w oryginale?
Na Allegro jeszcze te zabytkowe tranzystory są do kupienia.
To nie końcówka mocy SAFARI 2 czy ZK140T, gdzie było to projektowane z uwzględnieniem krzemu i działa poprawnie.\
Zobaczcie sobie koncepcję tych tranzystorów w Telefunken OPUS 2650

telefunken_opus_studio_2650_sch_compressed.pdf

[Einherjer]

Szrot majster, jak sobie popatrzysz do różnych zbiorów przykładowych schematów wydawanych przez producentów to takie krzemowo-germanowe połączenia jak najbardziej tam znajdziesz, nawet krzemowo-germanowe pary "komplementarne". We wzmacniaczu kolegi Olkus najprawdopodobniej tak jak pisze Romek jest gdzieś babol, bo nawet najprostszy wzmacniacz poprawnie zbudowany nie dawałby takich zniekształceń.

[Romekd]

(...)
Zobaczcie sobie koncepcję tych tranzystorów w Telefunken OPUS 2650
telefunken_opus_studio_2650_sch_compressed.pdf

Ciekawe rozwiązanie wzmacniaczy mocy m.cz., choć pierwszy raz zobaczyłem by w obwodach baza-emiter tranzystorów wyjściowych stosowano równoległe połączenie rezystorów z dławikami. Czyżby była to próba poprawienie górnej granicy zakresu przenoszenia częstotliwości...
Czegoś takiego jeszcze w stopniach mocy nie widziałem (ciekaw jestem jaka jest oporność tych dławików dla napięcia stałego, bo chyba musi być spora, by tranzystory wyjściowe pracowały z jakimś prądem spoczynkowym, skoro zbocznikowano je rezystorami 180 Ω).

Germanowy stopień mocy.png

Pozdrawiam
Romek

[Misiek13]

Ciekawe rozwiązanie wzmacniaczy mocy m.cz., choć pierwszy raz zobaczyłem by w obwodach baza-emiter tranzystorów wyjściowych stosowano równoległe połączenie rezystorów z dławikami. Czyżby była to próba poprawienie górnej granicy zakresu przenoszenia częstotliwości...

Rzeczywiście dziwne rozwiązanie. Bez dokładnych parametrów tych trudno powiedzieć jaka pełniły rolę w układzie.

Jeżeli chodzi o wcześniejsze symulacje - to wszystko się zgadza. Na podstawie nich chciałem pokazać mechanizm powstawania zniekształceń w stopniu końcowym. Celowo obniżyłem poziom sygnału tak aby było widać wpływ zniekształceń skrośnych. Przy większych amplitudach sygnału zniekształcenia spadają o ponad 5%. Sprzężenie zwrotne zmniejszy ich wartość, jednak musi być głębokie aby osiągnąć zadowalający poziom dla układu tranzystorowego czyli poniżej 0,1%. Bez aktualnego schematu trudno jednak jest cokolwiek powiedzieć o przyczynach tak dużych zniekształceń - podejrzewam, że układ po rozgrzaniu pracuje bez prądu spoczynkowego. Problem może też być w wartościach elementów.

[Olkus]

W kwestii źródła prądowego, trochę się dziś pobawiłem takim w oparciu o tranzystor NPN i czerwonego LED-a - proste i wydaje się działać dobrze więc może przy ostatecznej wersji PCB zdecyduję się na dostosowanie płytki pod taką modyfikację. Informacja o możliwych niższych zniekształceniach jest zachęcająca.
Hmm co do BC211/313 to spróbuję jeszcze ewentualnie potem zmierzyć dla tych 150mA, może dobiorę lepsze pary.
Choć zasadniczo chyba kwestia tych zniekształceń jest wyjaśniona, skoro wstawienie innych tranzystorów mocy "uzdrawia" układ i symetria wraca... Dziwne gdyby to mogło być coś innego.
Rozrysuję poprawiony (aktualny) schemat i zamieszczę.
Mógłbym zastosować german w stopniu sterującym. Ale nie mam wiele tranzystorów średniej mocy Ge o polaryzacji NPN. Dostępność też jest średnia, nie mówiąc o cenach. A jeśli nie są parowane to trzeba kupić dużo by coś z tego sensownego dobrać.
Wzmacniacz z dławikami faktycznie specyficzny, też nigdy nie widziałem czegoś takiego do tej pory.

Pozdrawiam,
A.