StoliTRONIK > Projekty > STPA BIP 10W
POZOR !!! - Autor tohoto článku nenese žádnou odpovědnost za případné vzniklé škody na majetku, či újmy na zdraví. Pokud se rozhodnete stavět tento přístroj dle tohoto návodu, činíte tak na vlastní nebezpečí. Stavba tohoto přístroje vyžaduje odbornou způsobilost v elektrotechnice !!!
Celý vývoj zesilovače můžete shlédnout na mém YouTubovém
kanále zde:
Jedná se v uvozovkách o malý zesilovač ve třídě A o malém výkonu do 10W. Srdcem celého přístroje jsou dva identické moduly výkonových zesilovačů jejichž vývoj vycházel z původníhho návrhu konstrukce pana J. L. Linsley Hoodse (dále v textu JLH) z období kolem roku 1969. Podklady ze kterýchj jsem čerpal jsou uvedeny níže v PDF souborech.
Pro realizaci tohoto projektu jsem využil tyto podklady:
Simple Class A Amplifier - 1969
Simple Class A Amplifier - 1969 - záznamy z osciloskopu a fotografie
Letters to the Editor - 1969
A postscript to the design published last year - 1970
JLH - a lifetime in electronics - 2000
Single-ended or push-pull?
Popis konstrukce zesilovače si nejprve popíšeme od el. schématu koncového stupně společně s napájecím zdrojem. Schéma celého výkonového zesilovače spolu se zdrojem můžete vidět na obrázku níže.
Popis zapojení si popíšeme směrem od napájecího zdroje. Usměrňovač je tvořen čtyřmi TESLA diodami D1 až D4 s typovým označením KY712. Proč jsem zvolil tyto diody ? Vysvětlení je jednoduché, ve svých zásobách mám těchto diod velké množství, jedná se o výkonné diody (If 10A, Ur 400V) a jelikož zesilovač odebírá stálý proud více jak 1A tak tyto diody byly dobrou volbou, pro tuto aplikaci jsou značně naddimenzované a nehrozí tak jejich zničení. Nevýhodou těchto diod je jejich složitější montáž, ale i s tou jsem si poradil a to tak, že jsem diody umístil na hliníkový pásek, který je spojen s chladičem zesilovače a tvoří tak chladicí systém těchto diod. Aby bylo možné tyto diody na chladič umístit bylo nutné každou diodu vodivě od chladiče odizolovat slídovými podložkami. V původním návrhu od JLH byl na místo RC filtru napájecího zdroje použit stabilizovaný zdroj. Výhodou stabilizovaného zdroje oproti RC filtru je jeho lepší účinnost při filtraci usměrněného střídavého napětí, nevyžaduje tak velkou filtrační kapacitu filtračních kondenzátorů. Ale naproti tomu je takové zapojení složitější a vyžaduje další výkonový aktivní prvek (výkonový tranzistor), který v podstatě také přikládá pod kotel svým ohřevem na základě výkonové ztrátě, která na něm vzniká vlivem průchodu proudu a jeho úbytkem napětí. Na základě těchto negativních vlastností stabilizovaného zdroje jsem se rozhodl pro klasický RC filtr. Dalším důvodem volby pro RC filtr, byla myšlenka si předpřipravit řešení pro verzi zesilovače o větším výkonu, kde by použití stabilizovaného zdroje bylo velmi problematické až nemožné. S velikostí filtrační kapacity jsem různě experimentoval a pro tento výkon zesilovače jsem došel k závěru, že celková filtrační kapacita kondenzátorů C9 až C12 o o hodnotě 4 x 4,7mF = (18,8mF) pro každý kanál je plně dostatečná. RC filtr je tedy tvořen dvěma dvojicemi kondenzátorů mezi kterými jsou umístěny dva sériově zapojené 5W rezistory o hodnotě 0,47Ω (lze nahradit jedním rezistorem 1Ω/10W). Hodnotu rezistoru 1Ω jsem znovu zvolil dle měření zvlnění filtrovaného napětí. Při hodnotě 0,47Ω bylo zvlnění stále značné a při hodnotě 1Ω již bylo zvlnění uspokojivé v řádech jednotek mV. Větší hodnotu rezistoru již by nebylo rozumné kvůli velkému úbytku a značné výkonové ztrátě. Při hodnotě rezistoru 1Ω je úbytek napětí na tomto rezistoru 1,2V a výkonová ztráta na rezistoru činí 1,44W. Aby nedocházelo k velkému přehřívání rezistoru rozložil jeho zatížení do dvou 5W rezistorů o hodnotě 0,47Ω. Kondenzátory C6 a C8 plní funkci odrušovacích kondenzátorů. Síťový transformátor je použit toroid jehož výstupní hodnoty jsou 22V / 2A AC. Každý kanál má svůj vlastní transformátor. Zde bych si přiznal chybu, kterou jsem při návrhu trafa udělal. Pro napájení zesilovače jsem požadoval napájecí napětí +27V, bohužel při kalkulaci jsem zapomněl započítat úbytek napětí na rezistorech RC filtru a tím jsem se ochudil o necelé 2V, což se ve finále projevilo na výkonu zesilovače, který je cca o 1W nižší. Ideální hodnota výstupního transformátoru pro tento modul by byla 24V AC. Tímto způsobem bych popsal napájecí zdroj zesilovače.
Nyní, když jsme si popsali zapojení napájecího zdroje, tak se můžeme vrhnout na popis zapojení zesilovače. Jelikož nejsem původcem tohoto zapojení tak se o podrobném popisu zde nebudu rozepisovat, ale můžete si jej podrobně nastudovat v přiložených podkladech v PDF souborech výše nad schématem. Já se zde budu věnovat pouze popisu úpravám, které jsem ověřil svými pokusy a zaznamenal je do svého schéma zapojení. Nejprve jsem upravil vstupní dělič pro bázi tranzistoru T6, v původním zapojení je tento dělič tvořen pouze dvěma pevnými rezistory, což znemožňovalo přesně doladit offset (1/2 napájecího napětí) na výstupu zesilovače. Proto jsem ponížil hodnotu rezistoru R7 ze 100kΩ na 56kΩ a k němu jsem do série zapojil odporový trimr RV1 100kΩ. Díky této úpravě lze naprosto přesně doladit offset, lépe však přesnou symetrii výstupního signálu zesilovače na osciloskopu. Další zmínkou by mohla být volba náhrad původních starých tranzistorů za nové moderní typy. Po delším zkoušení různých kombinací moderních tranzistorů jsem dospěl k typům, které jsou uvedeny ve schématu. S těmi to tranzistory lze dosáhnout výborné stability zesilovače a i dobrých parametrů, zde musím zdůraznit, že tranzistory musí být kvalitní od poctivých výrobců jako jsou: STMicroelectronics a nebo ON Semiconductor (ONSEMI) obzvláště ty výkonové (koncové) tranzistory. Lze použít i tranzistory TESLA, ale za cenu zhoršení frekvenční charakteristiky zesilovače v horním pásmu na frekvencích kolem 20kHz a výše. Další má úprava v zapojení je náhrada rezistoru R2 odporovým trimrem RV2, tímto trimrem lze tak nastavovat (dolaďovat) odebíraný proud zesilovače z napájecího zdroje. To se právě hodí, pokud použijete jiné typy výkonových tranzistorů, které mají jiné zesílení. Tímto trimrem tak lze doladit optimální proud, který nastavíme podle výstupního signálu, který sledujeme na osciloskopu. Trimr nastavíme do pozice, aby signál vykazoval co nejmenší zkreslení a proud nebyl zároveň příliš velký, aby se výstupní tranzistory zbytečně nepřetěžovaly. Tento trimr nesmí být malý dimenzovaný na malé výkonové ztráty, jelikož se na něm vytváří výkonová ztráta. Proto jsem použil keramický trimr TESLA, který určité zatížení ještě snese. Osobně doporučuji si DPS navrhnou tak, aby bylo možné tento trimr nahradit rezistorem dimenzovaný na 3 až 5W, při oživovaní si trimrem nastavit proud a po té si změřit jeho hodnotu dle které zvolíme hodnotu rezistoru, nebo ještě lépe paralelní kombinaci rezistorů, kterou navrhneme tak, aby co nejpřesněji odpovídala hodnotě odporu trimru RV2. Dále jsem do zapojení doplnil tak zvaný stabilizační kondenzátor C7. Hodnota kondenzátoru musí být v rozmezí 470 pF až 1000 pF. Tento kondenzátor může být a také nemusí být osazen, znovu to záleží na tom jaké typy výkonových tranzistorů jsou v zapojení použity. S některými typy výkonových tranzistorů může zesilovač kmitat a tento kondenzátor C7 tomuto rozkmitání spolehlivě zabraňuje. Dále zlepšuje zesilovače při přechodu do limitace, který není tak ostrý a nepříjemný pro lidské ouško. Jediná nevýhoda použití tohoto kondenzátoru větší útlum signálu vysokých frekvencích nad 20kHz. Jeho použití v zapojení lze posoudit pouze za použití osciloskopu. No a na závěr jsem na místo jednoho výstupního kondenzátoru použil čtveřici menších elektrolytů v paralelním zapojení. Důvodem je cíl co nejvíce snížit odpor kondenzátoru a dále zvýšit spolehlivost výstupního kondenzátoru. Kdyby byl použit pouze jeden kondenzátor o kapacitě 4700µF tak by jeho odpor by byl cca čtyřikrát vyšší a také i jeho životnost z důvodu vysychání elektrolytu by byla kratší. No a to by bylo z mého popisu zapojení výkonového zesilovače vše. Případné dotazy, nebo připomínky mi zasílejte na můj email.
Naměřené parametry zesilovače:
Pozn.: Upozorňuji, že všechny parametry jsou měřeny měřáky co mám ve své dílně. Údaje odstup signál šum a přeslechy mezi kánály berte pouze orientačně, usuzuji, že mnou naměřené parametry neodpovídají realitě, jelikož šum není vůbec možné vlastním uchem zaznamenat. Myslím si, že při pečlivějíším měření a použití přesnějiších měřicích pčístrojů hodnota těchto dvou parametrrů bude nejspíše vyšší.
Příkon ze sítě 81W - efektivita zesilovače 23,21%
Vstupní citlivost: 660mV RMS
Výstupní výkon: 2x9,4W do 8Ω
Odstup signál / šum: 89dB
Přeslechy mezi kanály: 80dB
Frekvenční rozsah: 15Hz až 200kHz
Návrh desky plošných spojů
Schéma zapojení
Popis zapojení indikátoru výkonu:
Analogový indikátor výkonu nevyžaduje žádné doplňkové napájení, jedná se v podstatě o obvod, který upravuje výstupní signál ze zesilovače pro stejnosměrný analogový volt metr. Výstupní signál ze zesilovače prochází skrze omezovací rezistor R1 dále přes vazební konednzátor C1 a dále je střídavý signál usměrněn diodou D1. Dioda D2 svádí záporné půlvlny signálu na zem a kladné půlvlny prochází přes D1 na odporový trimr RV1, pomocí kerého nastvíme odpovídající výchylku na indikátoru (voltmetru), tak aby odpovídal reálnému výstupnímu napětí zesilovače při 1kHz vůči stupnici na voltmetru. Kondenzátor C2 má za úkol vyhlazovat usměrněný signál tak, aby bylo možné lidským okem zachytit co možná nejvěrohodněji aktuální stav výstupního napětí zesilovače.
3D návrh DPS
Návrh DPS
Schéma rozvodné svorkovnice
DPS rozvodné svorkovnice
Blokové schéme zapojení zesilovače
Fotodokumentace finálního výrobku:
