Mimir - En Klasse A effektforsterker

Introduksjon

Denne audio effektforsterkeren har i prinsippet samme utgangstrinn som min A la Hiraga forsterker. Den forsterkeren brukte Toshiba komplementære JFETs i inngangstrinnet. Disse transistorene produseres ikke lenger, men det amerikanske halvlederselskapet Linear Systems produserer noen meget gode erstatninger, men prisen er ikke akkurat lav... Jeg har derfor kikket nærmere på den forholdsvis kjente 20 W Hiragaforsterkeren med bipolare transistorer i inngangstrinnet. Så hils på Mimir, som endte opp til å være en forsterker som ligner på 20 W Hiragaforsterkeren, men med en vri (eller to) for å redusere forvrengningen og utgansmotstanden.


Inngangstrinnet

Det opprinnelige inngangstrinnet (før en enkel modifisering) er vist i figuren nedenfor. Det er fullstendig symmetrisk og forsynt med spenningene V+ og V-. To zenerdioder (D5/D6) er brukt for å gi faste hvilestrømmer til to emitterfølgere Q13/Q14. Offset- og hvilestrøm-justering for denne forsterkeren gjøres med potensiometre RV7/RV8. De fastlegger hvilestrømmen til forsterkertrinnene realisert med Q21/Q22. Disse er felles emitter forsterkere med en forsterkning fra base til kollektor tilnærmet gitt av forholdet R19(belastet)/R23 og R20(belastet)/R24. I denne forsterkeren er hvilestrømmene satt til ca 1 mA.

Motstandene R1 + R2 fastlegger inngangsimpedansen. R1, som har en forholdsvis lav verdi, gir sammen med kildemotstanden (fra f.eks. en forforsterker) en moderat båndbreddebegrensning på inngangen sammen med inngangskapasiteten til forsterkeren. Verdien til R2 bør ikke være for høy siden det er en liten hvilestrøm på inngangen (lik forskjellen mellom basestrømmene til Q13 og Q14) som går gjennom denne motstanden.

Utgangstrinnet

Utgangstrinnet er vist nedenfor sammen med felles emitter trinnene (Q21/Q22). Transistorene Q29/Q34 i øvre halvdel og Q30/Q35 i den nedre danner Sziklai-par, komplementære tilbakekoplingspar. Siden utgangssignalet er tatt fra emitter på Q34/Q35, vil disse Sziklai-parene utgjøre felles emitter forsterkere. Forsterkningen for hvert par er tilnærmet gitt som forholdet RL/R32 og RL/R33, der RL er lasten på utgangen - i virkeligheten høyttaleren. Lineariteten til Sziklai-par er meget høy, og motstanden R31 gir en ytterligere moderat økning av den.



Driverne Q29 og Q30 er mindre effekttransistorer og kan velges som hurtige typer. For effektforsterkere med høyere utgangseffekt kan det være nødvendig å forsyne disse transistorene med små kjølefinner. Effekttransistorene Q34 og Q35 må monteres på en stor kjølefinne.

Komplett skjema

Forsterkeren uten strømforsyning er vist i figuren nedenfor. Komponentene er alle plassert på samme kretskort. J1-J5 er konnektorene på kortet. Det er to "jordinger" på kortet, en støyende (EARTH) og en stille (GND). Disse er skilt med motstanden R38. Dette kan hjelpe mot jordsløyfer hvis de skulle være et problem. I prototypen var denne motstanden valgt til 10 ohm, men kan kortsluttes hvis den er unødvendig. Verdiene vist for komponentene i skjemaet passer for en 10-30 W forsterker. Tilbakekoplingen fra utgangen gjøres med de to motstandene R18 og R19. Potensiometrene RV7 og RV8 brukes for å sette hvilestrømmen i Q34/Q35 og for å nulle ut offsetspenning på utgangen.

Inngangsimpedansen til denne forsterkeren er omkring 33 kohm i parallell med en meget lav inngangskapasitet, som er mindre enn 10 pF. For en 25 W klasse A forsterker med en nominell last på 8 ohm, bør hvilestrømmen i Q34/Q35 minst være 1,25 A. Dette følger av at 20 V spiss-spenning (14.14 V RMS) er nødvendig for å gi 25 W i 8 ohms last. Strømmen gjennom lasten er da 20/8 = 2.5 A spiss; push-pull designet gjør det mulig å halvere denne strømmen. For en 20 W klasse A forsterker med en nominell last på 8 ohm, bør hvilestrømmen være minst 1,12 A. Hvilestrømmen til Q29 og Q30 bestemmes i hovedsak av strømmen i Q34 og 35, den er omtrent 20 mA for 25 W utgangseffekt.


Hvis en sammenligner dette skjemaet med det første, ses at det er lagt til to ekstra motstander: R17 og R18. Disse øker strømmen gjennom R23 and R24 med ca 1 mA. Dette medfører at R23 og R24 kan være omtrent halvparten av verdien til R11 og R12, men samtidig opprettholdes god termisk følging. På denne måten kan vi øke forsterkningen i felles emitter forsterkerne Q21 og Q22 (og øke åpensløyfe-forsterkningen). Forsterkningen i disse trinnene er ca R19(belastet)/R23 og R20(belastet)/R24. Kollektorlastene til Q21 and Q22 er ca 1 kohm, noe som gir en spenningsforsterkning på ca 22 dB.

Forsterkningen til hvert Sziklai-par er ca 24 dB med 8 ohm last, slik at den totale forsterkningen for disse parene er ca 30 dB på grunn av doblingen på utgangen. Den totale åpen sløyfe forsterkningen er derfor ca 50 dB (grunnet noe tap i inngangstrinnet).

Tilbakekoplingssløyfen til denne forsterkeren er delt i to: via motstandene R25 og R26. Følgelig er lukket sløyfe forsterkningen til denne forsterkeren tilnærmet R25/R23 (eller R26/R24). Med de viste verdiene er lukket sløyfe forsterkningen ca 20 dB.

Som det ses fra skjemaet, er det også lagt til to kondensatorer: C27 og C28. Disse fastlegger åpen sløyfe og lukket sløyfe båndbredden og sikrer en absolutt stabil forsterker. Fasemarginen er større enn 80 grader. Åpen sløyfe båndbredden er ca 60 kHz og lukket sløyfe bånbredden er ca 2.5 MHz. Den høye åpen sløyfe båndbredden sørger for omtrent samme forvrengning og samme utgangsimpedans over hele det hørbare frekvensområdet. Utgangsimpedansen er for det meste rent resistiv og lik ca 1/4 ohm over hele audio-området. Det anbefales ikke å kople kondensatorer i parallell med R25 og R26 for å begrense båndbredden. Siden utgangstrinnet er av type felles emitter, har denne forsterkeren heller ingen problemer med å drive forholdsvis stor kapasitiv last.

Strømforsyning


12 V referansespenninger, bestemt av zenerdiodene D5 og D6, og verdiene på fallmotstandene R15 og R16 må velges i forhold til V+ og V- slik at det er nok strøm som gjennomløper begge zenerdiodene, transistorene Q13 og Q14 og motstandene R17 og R18. Spenningene V+ og V- bør være minst +20/-20 V for 20 W (i 8 ohm) klasse A drift og minst +23/-23 V for 25 W klasse A drift. For lavere forsyningsspenninger V+ og V- bør R15 og R16 reduseres noe, omkring 390 ohm er passe for +15/-15 V.

I figuren nedenfor er vist en transformator (T1) og likeretter (D1) som forsyner en filterbank. En sikring (F1) på primærsiden er et krav. En nettbryter er vanligvis i serie med denne sikringen. I prototypen ble det brukt en transformator for hver kanal. En felles transformator for begge kanaler er selvsagt en mulighet. Det tilrådes imidlertid å bruke separat likeretter for hver kanal.


Kondensatorbanken er plassert på separat kretskort, som vist nedenfor. Istedenfor å bare bruke to kondensatorer, er denne spenningsforsyningen av type CRC, noe som gir bedre rippel-undertrykking. Størrelsen på motstandene kan økes for bedre rippel-undertrykking, men effektdissipasjonen må tas med i betraktningen. Det anbefales å bruke separat kondensatorbank for hver kanal. Kondensatorverdiene var 33000 uF i en 10 W prototype. På kretskortet er kondensatordiameteren begrenset til ca 25 mm, noe som også begrenser maksimale kondensatorverdier.


En kan også argumentere for en felles strømforsyning for begge kanaler. Siden dette er en klasse A forsterker med global tilbakekopling, kunne en felles strømforsyning være fristende, men det er ikke blitt prøvd for denne forsterkeren.


Komplett forsterker


Utgangene fra transformatoren føres til likeretterne og til chassis jord som vist i strømforsyningsskjemaet. Fra likeretterne føres forbindelser for positive og negative spenninger til spenningsforsyningskortene. Utlegget for disse er vist i figuren nedenfor.
 

Fra jord på spenningsforsyningskortene føres en forbindelse til felles jord på chassis. Phonobøssingens jord forbindes til chassis (nær inngangen) og skjermen på phono-kabelen forbindes til forsterkerkortet, til punktet merket GND (Signaljord). Phono-kabelens varme ende forbindes til forsterkerkortet merket med IN. Fra høyttalerutgangen tvinnes de to lederne og føres til forsterkerkortet til punktene merket OUT og EARTH. Sistnevnte er forbundet til minuslederen. Høyttalerutgangens minus er koplet til chassis. Fra strømforsyningskortene legges forbindelser for strømforsyningen til forsterkerkortene. Alle forbindelser bør være så korte som mulig. Hvis det skulle opptre noen form for ustabilitet, støy eller brum, er sannsynligheten stor for at årsaken er dårlig ledningsføring (som fører til for eksempel jordsløyfer).

Utlegget til forsterkerkortet er vist i figuren nedenfor.


Det anbefales å bruke en variabel nett-transformator ved første gangs oppstart av forsterkeren. Når spenningsforsyningen øker, justeres hvilestrøm og offset ved hjelp av potensiometrene RV7 og RV8. Om mulig, bruk et oscilloskop for å se på utgangen, det bør ikke være annet enn støy her hvis alt er i orden. Etterhvert som temperaturen øker, er det nødvendig å etterjustere både offset og hvilestrøm. Offset-spenningen på utgangen vil variere noe, men bør ikke overstige 100 mV.

Prototypen var en 2x10 W forsterker hvor forsyningsspenningen var omkring +15/-15 V. Forvrengningen ved 10 W var ca 0,05 %. Dette indikerer at en 25 W forsterker skal kunne levere mer enn 15 W med denne forvrengningsverdien.

Mindre enn ca 2 V spissverdi er nødvendig for full 25 W RMS utgangseffekt. Denne følsomheten burde være tilstrekkelig for de fleste moderne signalkilder slik at det ikke skulle være nødvendig å bruke en forforsterker. Hvis det er påkrevd med høyere forsterkning, kan R25 og R26 økes. Men vær oppmerksom på at utgangsimpedansen og forvrengningen vil øke ved høyere forsterkning.

Materialliste (BOM) er vist nedenfor. Forsterkeren egner seg godt for egne tilpasninger. Ved erstatninger, husk å ta høyde for endrede fysiske mål og pinnekonfigurasjoner, spesielt for bruk av andre transistortyper ved montering på kretskortene.


Materialliste

Med unntak av effektmotstandene er det brukt 0,6 W metallfilmmotstander med 1 % toleranse. Effektmotstandene som er brukt, er 3 W trådviklet med 1% toleranse. Andre typer er selvfølgelig også mulig.

Drivertransistorene Q29/Q30 er raske typer med meget lav Cob (kollektor-base-kapasitet). Imidlertid var forskjellen sammenlignet med det tradisjonelle paret BD139/BD140 liten når det ble prøvd. Paret KSC5200/KSA1943 fra OnSemi ble brukt for utgangstransistorene Q34/Q35. Disse kommer i plasthus og ble montert direkte på en stor kjølefinne. For en 25 W forsterker er effektdissipasjonen for hver av disse transistorene ca 30 W, slik at en ikke bør undervurdere kjølebehovet

R1 680
R2 33k
R9, R10 8.2k
R11, R12 120
R15, R16 680 (390 for 10-20 W utgangseffekt)
R17, R18 12k
R19, R20 1.2k
R23, R24 68
R25, R26 680
R31 220
R32, R33 0.5
R38 10

RV7, RV8 5k Potensiometer Bourns 3296W

C3, C4 100n Aksiell Film L12.0mm D6.5mm P15.0mm
C27, C28 68p NP0/C0G P5.0mm
C36, C37 10u Radiell Film L18.0mm W9.0mm P15.0mm

D5, D6 12V 500mW Zener DO-35

Q13, Q22 KSA992 TO-92
Q14, Q21 KSC1845 TO-92

Q29 KSA1381 TO-126
Q30 KSC3503 TO-126
Q34 KSC5200 TO-247
Q35 KSA1943 TO-247

J1 Skrueterminal 01x02
J2-J5 Loddeterminaler

Kjølefinner

 
Hjem

Copyright©2020
Knut Harald Nygaard