Projekt č. 2

StoliTRONIK > Projekty > STPA BIP A 2x39W-V01

Stránka je ve výstavbě !!!

Projekt č. 2

Integrovaný zesilovač 2 x 39W ve třídě A (STPA BIP A 2x39W-V01) - upravená verze od J. L. Linsley Hoodse z roku 1969

Napájecí zdroj pro koncové stupně levého a pravého kanálu zesilovače

V první řadě si popíšeme zapojení napájecího zdroje pro výkonové koncové stupně. Ještě než bude zesilovač úplně dokončen a otestován, tak stále musíme brát ohled na to, že se jedná o vývojovou verzi, ikdyž již počítám s tím, že tato podoba napájecího zdroje bude finální. Takže usměrňovač je tvořen čtyřmi diodami KY712, které s velkou proudovou rezervou usměrňují střídavé napětí, ke každé z diod je paralelně zapojen odrušovací fóliový kondenzátor o kapacitě 100nF. Každá z diod je umístěna na svůj vlastní chladič. Filtrace zdroje je tvořena RC filtrem a tento RC filtr se skládá celkem z 12ks elektrolytických kondenzátorů o kapacitě 6 800µF / 63V, kondenzátory jsou rozděleny do dvou skupin po 6 paralelně zapojených kusech, které od sebe dělí výkonový rezistor o hodnotě 0,25Ω/20W, který je složen ze 4ks k sobě pralelně zapojených pěti watových rezistorů o hodnotě 1Ω a to zdůvodu rozložení vyzažování ztrátového tepla na rezistoru, aby nedocházelo k jeho ohřevu a následného zahřívání okolí (elektrolytických kondenzátorů), které by mohlo snižovat jejich životnost. Na místo dvou velkých filtračních kondenzátorů jsem raději zvolil 12ks menších, abych znovu rozložil jejich zatěžování snížil jejich kapacitní odpor a zvýšil tak životnost přístroje. Na výstupu filtru je zapojen fóliový odrušovací kondenzátor a celý výstup zdroje je rozdělen do dvou větví pro levý a pravý kanál, které jsou jištěny tavnými pojistkami 4A. Ve schématu jsou zatím zaznamenány naměřené a předpokládané hodnoty napětí a proudu, ale to vše bude ověřeno při testech zdroje spolu se zesilovačem.

Každopádně celková filtrační kapacita činí 81 600µF, což už je velká kapacita, která vyžaduje obvod pro pomalý náběh zdroje, aby nedocházelo přtížení transformátoru při zapnutí zesilovače do sítě, které by bylo způsobeno značným nabíjecím proudem filtračních kondenzátorů.

Schéma napájecího zdroje pro výkonové stupně

3D návrh designu desky plošného spoje

Vývojový modul s trnazistory TIP35C o výkonu 38,5W / 3,9Ω

Návrh DPS vývojového modulu v PCB systému KiCAD

Naměřené parametry:

Ilustrační obrázek z měření zesilovače a porovnávacích zkoušek

Při napájecím napětí U_CC 37,5V / při odběru 2,5A ze studeného stavu (2,6A při plném zahřátí)

Maximální vstupní napětí: 1 V_RMS/ 20Hz až 2 kHz (od 2 kHz směrem k vyším frekvcencím dochází k přechodu do nesymterické limitace)

Optimální vstupní napětí: 960 mV_RMS/ 20 Hz až 20 kHz (bez přechodů do limitace v celém frekvenčním pásmu)

Výstupní napětí: 12,26V_RMSpři U_IN 1V_RMS

Výstupní napětí: 11,8V_RMS při U_IN 960 mV_RMS

Zesílení: 12,3 (21,8dB)

Výstupní výkon: 38,5W / 3,9Ω při U_IN 1V_RMS

Výstupní výkon: 35,7W / 3,9Ω při U_IN 960V_RMS

Šířka přenášeného pásma: 20Hz / -0,5dB až 20kHz / -0,4dB

Záznamy průběhů výstupního signálu zesilovače na osciloskopu:

U_IN 1V_RMS - 20Hz

U_IN 1V_RMS - 1kHz - od 20Hz do 1kHz je signál bez limitace

U_IN 1V_RMS - 2kHz - při větším detailu na spodní půlvnu se již začíná objevovat přechod do nesymetrické limitace

U_IN 1V_RMS - 5kHz - znatelný přechod do nesymetrické limitace ve spodní části půlvln

U_IN 1V_RMS - 10kHz - nesymetrická limitace ve spodní části půlvln

U_IN 1V_RMS - 15kHz - nesymetrická limitace ve spodní části půlvln

U_IN 1V_RMS - 20kHz - nesymetrická limitace ve spodní části půlvln, lehký přechod do limitace v horních půlvlnách

U_IN 960mV_RMS - 20kHz - výstupní signál bez známek nesymetrické limitace a bez dalších vad

U_IN 960mV_RMS - 50kHz

U_IN 960mV_RMS - 100kHz

U_IN 960mV_RMS - 200kHz

Obdélník - U_IN 960mV_RMS - 20kHz

Obdélník - U_IN 960mV_RMS - 10kHz

Obdélník - U_IN 960mV_RMS - 1kHz

TEXT UVEDENÝ NÍŽE JE PŮVODNÍ TEXT Z DOBY SPUŠTĚNÍ PROJEKTU Č. 2 A BUDE POSTUPNĚ AKTUALIZOVÁN A PŘEPRACOVÁN - STRÁNKA JE V PRÁCI - DĚKUJI ZA POCHOPENÍ

Poučen z předchozích nezdarů sestrojil elektrickou kytaru, tak to zaznělo v jedné písni, ale v reálu to nemá daleko od pravdy. Já poučen a obohacen zkušenostmi z projektu č. 1 se pouštím do nového projektu č. 2, kterým je znovu zesilovač ve třídě A, ale tentokrát o vyšším výkonu 2 x 35W. Proč zrovna 2 x 35W, no protože se mi v šupleti válí v podstatě nový toroidní transformátor, který má na sekundáru 30V a je dimenzovaný pro odebíraný proud 8A. Provedl jsem tedy propočty a zjistil, že toto trafo může být použito pro tento zesilovač. Původně jsem si toto trafo jsem navinout pro projekt č. 1, který jsem začal tvořit dle předlohy z knihy Tranzistorové výkonové zesilovače od pan Zdeňka Kotisy, která je plná chyb a dle jeho popisu zesilovač nefungoval správně. Takže z tohoto nezdaru mi doma zbyl tento transformátor. Dále jsem se nechal inspirovat zapojením, které publikoval pan František Hlava na svém webu. Dle jeho popisu se jeho projekt značně shoduje s tím co plánuji vyzkoušet v tomto projektu. Jedná se tedy o klasické zapojení od JLH z roku 1969 s tím rozdílem, že na výstupu zesilovače jsou výstupní výkonové tranzistory posíleny paralelním zapojením další dvojice tranzistorů, která snižuje proudové zatížení původních tranzistorů. Pro tento projekt jsem se rozhodl použít tranzistory od našeho již zaniklého výrobce TESLA a konkrétně typy KD503 jako výstupní výkonové dvojice a jako budič jsem použil tranzistor KD337. Jako vstupní tranzistor prvního zesilovacího stupně jsem použil tranzistor BC556.

Pro tento projekt dále plánuji použití inteligentních ochran, které budou tvořeny pomocí mikrokontroléru ATmega 328P, takž se máte na co těšit.

V současné době je zesilovač ve fázi vývoje, níže uvádím mé vývojové schéma zapojení, jehož funkčnost můžete shlédnou na mém YouTubovém kanále

Vývojové schéma zapojení:

Frekvenční charakteristiky pro zapojení s 4xKD503 - 35W/4Ω v testovaných variantách

Vlastnosti testovaných variant můžete shlédnout na mém YouTubovém kanále:

1) Verze s budičem KD337 a s kondenzátorem C7 o hodnotě 1000pF

2) Verze s budičem BD139 a skondenzátorem C7 o hodnotě 470pF, 220pF a s nezapojeným kondenzátorem C7

3) Verze s výkonovými tranzistory BD249 - poslední hrátky s tímto JLH obvodem

Poznámky z vývoje 26.4.2023:

Zatím to vypadá že do finále se dostane verze s budičem BD139 s kondenzátorem C7 470pF. Je to v podstatě takový rozumný kompromis mezi verzemi, které jsou zobrazeny v grafu frekvenční charakteristiky. Verze s budičem KD337 a s kondenzátorem C7 1000pF má značný útlum při vyšších frekvencích a pokud snížím kapacitu kondenzátoru C7 na hodnotu 470pF, tak dochází ke značnému zkreslení na vyšších frekvencích už kolem 20kHz, což je způsobeno budečem KD337. Proto byl budič KD337 nahrazen tranzistorem BD139 čímž bylo zkreslení odstraněno. Zapojení se bez kondenzátoru C7 chová sice nejlépe co se týče přenášeného pásma na vysokých frekvencích, ale zkreslení je dosti velké už nad 15kHz i s tranzistorem BD139 a proto se do finále zatím dostává varianta, kterou jsem popsal v úvodu tohoto odstavce.

Poznámky z vývoje 06.05.2023:

Po posledním měření finální verze s tranzistory KD503 mě ještě napadlo použít toto zapojení s modernějšími výkonovými tranzistory BD249. Podařilo se mi je sehnat za rozumný peníz a tak nakonec jsem navrhul DPS univerzálněji pro možnosti použití jak tranzistorů KD503, tak i pro BD249 a podobné typy. Tranzistory BD249 lze napájet přímo na DPS a tranzistory KD503, které by byly přimontované na chladiči by s deskou DPS byly propojeny krátkými vodiči. Nakonec až modul postavím, tak uvidím jestli s těmi tranzistory BD249 se bude zesilovač chovat jinak (třeba lépe na vyšších frekvencích). Dále jsem se rozhodl na místo jednoho výstupního kondenzátoru použít více paralelně řazených kondenzátorů a to z důvodu zmenšení jeho impedance. Bohužel se mi nepodařilo sehnat 5W rezistory s hodnotou 0,1Ω a tak jsem na místo nich sehnal rezistory s radiálními vývody, takže DPS byla pro ně přizpůsobena jak je patrné z 3D modelu. Při návrhu DPS jsem kladl velký důraz na to, aby výstupní svorky zesilovače byly co nejdále od vstupních svore a to z důvodu zamezení rozkmitání zesilovače, což by umožňovalo nezapojit kondenzátor C7, který sice zabraňuje kmitání zesilovače, ale naproti tomu zhoršuje přenos na vyšších frkvencích.