Klasse A 5 W Effektforsterker Embla (a la Hiraga)

Introduksjon

Denne forsterkeren er inspirert av, og ligner også litt på, den relativt velkjente 20 W Hiraga-forsterkeren med bipolare transistorer i inngangstrinnet. Skjemaet er nesten identisk, men med en vri. Sammenlignet med den originale Hiraga-forsterkeren reduserer denne effektforsterkeren forvrengning og utgangsmotstand. Utgangstrinnet er relativt likt Hiraga-forsterkeren. For høyere utgangseffekt og lavere utgangsimpedans med samme kretskort anbefales Embla 25 W forsterkeren.

Denne 5 W forsterkeren Embla (Embla er navnet på en norrøn gud) ble bygget for å tjene som en skrivebordforsterker med moderat utgangseffekt.

Inngangstrinnet

Inngangstrinnet er vist i figuren under. Det er helt symmetrisk og forsynes med spenningene VR+ og VR- fra zenerdiodene D3 og D4, hvor strømforsyningsspenningene er VPOS og VNEG. Hvilestrømmene til de to transistorene Q11 og Q12 er omtrent 1 mA. De to transistorene er koblet som emitterfølgere og har dermed en spenningsforsterkning på i underkant av en gang (0 dB). Transistorene er komplementære typer med ganske gode spesifikasjoner på 1 mA.
 

Motstandene R1 + R2 bestemmer inngangsimpedansen. R1 har en relativt lav verdi mens verdien til R2 ikke bør være for høy siden det er en liten hvilestrøm ved inngangen, lik forskjellen mellom basestrømmene til Q11 og Q12, som går gjennom denne motstanden.

Mellomtrinnet

Mellomtrinnet og inngangstrinnet er vist i figuren under. Transistorene Q19 og Q21 er koblet som et felles-emittertrinn. Hvilestrømmen i transistorene Q21 og Q22 er som for Q11 og Q12 omtrent lik 1 mA. Som det ses av figuren, sørger parallellkoblingen mellom potensiometeret RV21 og motstandene R22 og R23 for dette. Men som vist senere er det mulig å redusere R22 og R23 og fortsatt ha samme hvilestrøm. Potensiometeret RV21 er offsettrimmeren. Merk at forbindelsen mellom Q11 og Q19 samt mellom Q12 og Q20 er relativt temperaturstabil siden base-emitter-spenningene i de komplementære parene vil følge hverandre ganske godt siden transistorene har samme hvilestrøm. Tilbakekoplingen fra utgangen er utført ved hjelp av motstandene R27 og R26. Dette gir da en lukket sløyfe forsterkning omtrent lik:

AV = R27/R26

I prototypen var denne forsterkningen fastlagt til 10 ganger (20 dB).

Forsterkningen i fellesemittertrinnet er tilnærmet:

A1 = R17/(r + Rx + 2∙R26)

Her er r lik intrinsik emittermotstand gitt som forholdet mellom termisk spenning (25 mV ved romtemperatur) og kollektorstrøm (her 1 mA). Rx er omtrent lik verdien av parallellforbindelsen mellom R22 og RV21/2. R17 og R18 er noe belastet med utgangstrinnet, følgelig er den faktiske forsterkningen noe lavere enn gitt av ligningen ovenfor.

Utgangstrinnet

Utgangstrinnet er vist nedenfor. Transistorer Q28/Q34 i øvre halvdel og Q29/Q35 i nedre halvdel danner Sziklai-par (komplementære Darlington-par). Siden utgangssignalet er hentet fra emitteren til Q34/Q35, vil disse Sziklai-parene utgjøre vanlige emitterforsterkere. Dette er veldig uvanlig, siden de fleste audio effektforsterkere har utganger som opererer i felles kollektor (de er emitterfølgere).

Forsterkningen for hvert Sziklai-par er omtrent gitt som forholdet:

A2 = RL/R32, hvor RL er lasten på utgangen (i virkeligheten høyttaleren).

Lineariteten til Sziklai-parene er svært høy, og motstanden R30 gir en ytterligere moderat økning i hvilestrømmen i driverne Q28 og Q29 med resulterende lavere forvrengning i dem. Både driverne Q28/Q29 og utgangstransistorene Q34/Q35 er gjensidig komplementære par. Driverne er mindre krafttransistorer og kan velges som raske typer. Disse transistorene kan ha egne små kjølefinner. Krafttransistorene Q34 og Q35 skal monteres på en stor kjølefinne. Driverne må ikke monteres på samme kjølefinne da dette vil gi større temperaturdrift.

Komplett skjema (5 W versjon)

Det komplette skjemaet for skrivebord-versjonen av forsterkeren er vist i figuren nedenfor.


Som påpekt tidligere er det mulig å redusere R22 og R23 med samme hvilestrøm. Dette gjøres ved hjelp av R15 og R16, som brukes til å levere den ekstra strømmen som trengs. Med en zenerdiodespenning på 9,1 volt sikrer verdiene vist for R15 og R16 at forspenningsstrømmen for Q19 og Q20 er ca. 1 mA for de ganske lave verdiene til R22 og R23.
Kondensatorene C24 og C25 stabiliserer forsterkeren og gir tilstrekkelig fase- og forsterkningsmargin. Den åpne sløyfebåndbredden er veldig høy (mer enn 50 kHz). Motstanden R0 skiller signaljord (GND) og effektjord (Earth).

Forsterkningen i hvert fellesemittertrinn er tilnærmet:

A1 = R17/(r + Rx + 2∙R26) = 1300/(25 + 250//100 + 2∙10) = 11 ganger (21 dB)

Forsterkningen for hvert Sziklai-par er tilnærmet:

A2 = RL/R32 = 8/1 = 8 ganger (18 dB) for en helt resistiv last på 8 ohm. Siden emitterne til Q34 og Q35 summeres ved utgangen, dobles forsterkningen, her til 16 ganger (24 dB).

Den totale forsterkningen i åpen sløyfe er da omtrent gitt som:

A0 = 11∙2∙8 = 176 ganger (45 dB).

Med en lukket sløyfeforsterkning på 20 dB blir tilbakekoplingsfaktoren da 25 dB. R17 og R18 er noe belastet med utgangstrinnet, følgelig reduseres forsterkningen litt fra denne verdien.

Hvis vi ønsker 5 W i 8 ohm i en klasse A-forsterker, må RMS-spenningen være:

V=√ P·R =√ 5·8 =6,3 V

Dette svarer til en spissverdi på:

Vp = 6.3√ 2 =8,9 V

For en last på RL = 8 ohm svarer dette til en spissverdi av strømmen på:

Ip = Vp/RL = 8,9/8 = 1,1 A

Siden utgangen opererer i Push-Pull, må hvilestrømmen i Q35/Q36 minst være lik:

IC = Ip/2 =1,1/2 = 0,56 A

Med en forsyningsspenning på 12V er det mulig å få 5W ut av denne forsterkeren før klipping. Fra kald forsterker til arbeidstemperatur stiger tomgangsstrømmen med ca. 0,1 A. Dette skyldes hovedsakelig at base-emitterspenningen i Q28/Q29 faller med temperaturen. Merk også at temperaturen i utgangstransistorene Q34/Q35 i seg selv ikke påvirker tomgangsstrømmen. Dette er i motsetning til de fleste andre audio effektforsterkere.

Hvilestrømmen kan økes med R17 og R18 (f.eks. til 1,5 kohm). Offsetspenningen nullstilles ved hjelp av potensiometeret RV21.

Ytelse

5 W klasse A-prototypen ble bygget med en lukket sløyfeforsterkning på 10 ganger (20 dB). Med en belastningsmotstand på 8 ohm og en tomgangsstrøm på 0,6 A oppnås en åpen sløyfeforsterkning på omtrent 44 dB. Dette er en verdi fra simuleringene. Forsterkerens åpen sløyfe båndbredde ifølge simulatoren er ca 100 kHz med kondensatorer C24 og C25 på 68 pF. Dette gir en fasemargin på ca 90 grader. Slew rate er ca. 20 V/us med de valgte driverne. Båndbredden til forsterkeren er nesten 2 MHz. Dersom C24 og C25 ikke er montert eller har verdier som er for lave, må det påregnes stabilitetsproblemer. Forsterkeren kan drive kapasitive belastninger uten problemer, siden slike belastninger automatisk fører til redusert åpen sløyfe båndbredde. Utgangsmotstanden er ca. 0,6 ohm. Forvrengningen ved 1 kHz og 10 kHz er omtrent 0,01 % ved 1 W og den domineres av 2. og 3. harmoniske med raskt fallende høyere harmoniske. Med en forsyningsspenning på +/- 12 V, klipper forsterkeren ved ca. 10 V spissverdi.

Kretskort

Utlegget er vist i figuren nedenfor. Dette har målene 100x52 mm. Komponentene i diagrammet ovenfor er alle plassert på dette kretskortet. J1-J5 er kontaktene på brettet. Drivertransistorene Q28 og Q29 kan monteres med egen kjølefinne, en termisk motstand på 36 K/W eller mindre kan anses som passende. Effekttransistorene Q34 og Q35 må monteres på en stor kjøleribbe, en termisk motstand på 0,7 K/W eller mindre kan anses som passende. Motstand R0 skiller signaljord (GND) fra effektjord (Earth). Denne motstandsverdien vil typisk ligge i området 4-10 ohm.


Med 3D i KiCad ser kretskortet slik ut:



I prototypen er krafttransistorene festet horisontalt til den store kjølefinnen som vist ovenfor.

Strømforsyning

Referansespenningene på 9,1 V, fastlagt av zenerdiodene D3 og D4, og verdiene til fallmotstandene R13 og R14, må velges i forhold til spenningsforsyningen (VPOS og VNEG) slik at det er nok strøm til både zenerdioder, transistorene Q11 og Q12 og motstandene R15 og R16.

Som eksempel kan strømforsyningen bestå av blant annet en 2x10 V ringkjernetransformator (T1), felles for begge kanaler, se figuren under. Separate likerettere (D1 og D2) kan brukes for positiv og negativ spenning. 47000 μF kondensatorer og 0,47 ohm effektmotstander for filtreringen kan anses som rimelige. En sikring (F1) på primærsiden er et krav. En strømbryter er vanligvis i serie med denne sikringen.

I prototypen er CRC-komponentene 1-6 plassert på et eget kretskort, men dette er selvsagt ikke et krav; se figuren nedenfor. Kortet måler 120x60 mm. Størrelsen på motstandene kan økes for bedre rippelundertrykkelse, men det må tas hensyn til effekttap. Dette resulterer også i redusert maksimal utgangseffekt for forsterkeren.


Med 3D i KiCad ser kretskortet for strømforsyningen slik ut:

Ledningsføringen med dette spenningsforsyningskortet blir forholdsvis enkelt, som vist nedenfor.


Oppbygging

Utgangene fra transformatoren føres til likeretterne og videre til det separate kortet med CRC-filtrering (vist ovenfor). En tilkobling er laget fra jord på strømforsyningskortet til felles jord på chassis. Jorden til signalinngangskontakten er koblet til skjermen på phono-kabelen og deretter koblet til forsterkerkortet, til punktet merket GND. Den varme enden av phonokabelen er koblet til forsterkerkortet merket IN. Fra høyttalerutgangen føres de to ledningene til forsterkerens kretskort til punktet merket OUT og til strømforsyningskortet merket Earth. Sistnevnte er koblet til minuslederen. Fra strømforsyningskortet kobles for strømforsyningen til forsterkerkortene. Alle tilkoblinger bør være så korte som mulig. Hvis det skulle oppstå noen form for ustabilitet, støy eller brum, er det høyst sannsynlig at årsaken er dårlig ledningsføringer (som fører til for eksempel jordsløyfer).

Det anbefales å bruke en variabel netttransformator når forsterkeren startes for første gang. Når spenningen øker, justeres offset ved hjelp av potensiometer RV21. Hvis mulig bruk et oscilloskop for å se på utgangen, det skal ikke være annet enn støy her hvis alt er i orden. Når temperaturen øker, kan det være nødvendig å justere offset på nytt. Offsetspenningen på utgangen vil variere noe, men bør ikke overstige 100 mV. Hvis tomgangsstrømmen er for høy eller lav, se rådene ovenfor, men husk at tomgangsstrømmen vil stige noe når forsterkeren varmes opp.

Nesten 0,9 V inngangsspenning (toppverdi) er nødvendig for 5 W utgangseffekt med en spenningsforsterkning på 10 ganger.

Stykkliste er vist nedenfor for 5 W-prototypen. Forsterkeren egner seg godt for personlige tilpasninger. For utskiftninger, husk å ta hensyn til endrede fysiske dimensjoner og pinnekonfigurasjoner, spesielt ved bruk av andre transistortyper ved montering på kretskortene.

Stykkliste for et kretskort (5 W)

Det er brukt metallfilmmotstander med 1 % toleranse. Effektmotstandene er på 3 W mens de andre motstandene er på 0,6 W. Andre typer er selvfølgelig også mulig så lenge de passer i kortet. Drivertransistorene Q28 og Q29 er raske typer med svært lav Cob (kollektor-base kapasitans). Paret 2SC5200/2SA1943 fra Toshiba ble brukt til utgangstransistorene Q34/Q35. Disse kommer i et plasthus og ble montert direkte på en stor kjøleribbe. For en 5 W forsterker er effekttapet for hver av disse transistorene omtrent 10-12 W.

R0 10 ohm
R1 680 ohm
R2 33 kohm
R7, R8 8,2 kohm
R9, R10 180 ohm
R13, R14 330 ohm
R15, R16 5,6 kohm
R17, R18 1,3 kohm
R22, R23 100 ohm
R26 10 ohm
R27 100 ohm 3 W
R30 330 ohm
R32, R33 1 ohm 3 W

RV21 500 ohm Potensiometer Bourns 3386P

C5, C6 33 nF Axiell L 10,0 mm D 4,5 mm P 15,0 mm
C24, C25 68pF NP0/C0G P 5,0mm
C36, C37 10u Radiell Film L18,0mm W9,0mm P15,0mm

D3, D4 9,1 V 500mW Zenerdiode DO-35

Q11, Q20 KSA992 TO-92
Q12, Q19 KSC1845 TO-92

Q28 KSA1381 TO-126
Q29 KSC3503 TO-126
Q34 2SC5200 TO-247
Q35 2SA1943 TO-247

J1 Skruterminal 01x02
J2-J5 Terminaler
 
Kjølefinne (2 stk) Fischer SK95 eller ekvivalent
Kjølefinne 0,7 K/W eller ekvivalent

Please notice:
This project description is for non-commercial use, only. Using this document on a site and charging a fee for download is vialation of non-commercial use and prone to demand for payment. So, for commercial use, contact me for agreement of terms. This page, however, can be downloaded for own use, and linked to, not violating term of non-commercial use.

 
Hjem

Copyright©2024
Knut Harald Nygaard