Klassisk Klasse A Forsterker

Innledning

Helt siden forfatteren første gang konstruerte og bygde sin første klasse A forsterker for mange år siden, har forsterkeren hans alltid vært en klasse A konstruksjon. Denne forsterkeren er ikke noe unntak. Den er etterfælgeren til en konstruksjon uten global tilbakekopling basert på et foldet kaskode differentielt forsterkningstrinn fulgt av et buffertrinn før en "compound" emitterfølger. Grunnen til at konstruksjonen av den forsterkeren ikke er publisert, har vært problemene med stabiliteten til utgangstrinnet.

Så her er en helt ny forsterker, den testede versjonen er en 2x25 W RMS dobbelt mono forsterker, som selvfølgelig arbeider i klasse A, med utmerkede data.

En utgangseffekt på 25 W høres ikke mye ut, men som mange eiere av klasse A forsterkere vet, en klasse A forsterker lyder som en mye større forsterker når den sammenlignes med klasse B (og A/B) forsterkere. Dette skyldes bl.a. den store (overdimensjonerte) strømforsyningen som gjør forsterkeren i stand til å levere effekt til de mest snodige høyttalerbelastninger. Og forsterkeren trekker mer enn 100 watt fra nettet.

Hvis høyttaleren krever mer enn 25 W (noen ineffektive høyttalere gjør det), er det mulig å øke utgangseffekten opp til 2x50 W RMS uten store problemer. En ytterligere økning i utgangseffekten er vanskeligere, men ikke umulig.

Det høye effektforbruket utvikler varme, dette på sin side setter krav til kjøleplater og kabinett. Størrelsen på strømforsyningen, kabinett og kjølefinner forklarer hvorfor klasse A forsterkere ganske enkelt ikke er billige å bygge (eller kjøpe). Du må regne med å bruke ca NOK 5000 på denne forsterkeren, men i retur får du en fremragende velspillende forsterker. Forsterkeren er ytterst stabil og råder over virkelig flotte data, noe som gjør at byggeprisen synes rimelig.

Klasse A konstruksjonen er ikke helt lett å bygge, og begynnere bør søke hjelp hos litt mer erfarne innenfor elektronikk før de skrider til verket.

Klasse A eller ikke

Hvorfor egentlig bry seg med klasse A når forsterkerprodusentene stadig annonserer med at deres forsterkere har alle klasse A forsterkerens fordeler, men ikke dens ulemper?

En klasse A forsterker kan lages ut fra nesten alle "alminnelige" forsterkere bare ved å øke likestrømmen (tomgangsstrømmen) i transistorene til passende verdier. At det så er kun de færreste forsterkere som vil tåle dette inngrepet, er en helt annen sak. Klasse A prinsippet i seg selv krever med andre ord ikke noe spesielt kretsskjema.

Klasse A drift betyr at alle transistorene i forsterkeren trekker strøm hele tiden, inntil forsterkeren på grunn av et for stort inngangssignal begynner å klippe. Når en slik forsterker skal drive lave impedanser, for eksempel 4 eller 8 ohm, vil det være nødvendig med et betraktelig strømforbruk. Dette gir opphav til varme som må transporteres bort.

Det store strømforbruket gir oss imidlertid en av fordelene med klasse A drift, nemlig den lave og ørevennlige forvrengning. En transistor er i utgangspunktet en meget ulineær komponent, og en måte å begrense innflytelsen fra ulinearitetene på, er å la være å utstyre transistoren mye.

La oss anta ar det i en transistor løper en hvilestrøm på 10 mA, og at det største signalet gir anledning til en maksimal spiss-strøm på 1 mA. Transistorens kollektorstrøm vil følgelig variere mellom 9 og 11 mA, svarende til en maksimal utstyring på 10 % av hvileverdien. Hvis vi har valgt den riktige transistoren, vil denne overdimensjoneringen kun skape liten forvrengning av signalet, fordi vi ikke beveger oss så mye rundt i transistorens karakteristikk. Bygger vi nå en hel forsterker med en tilsvarende overdimensjonering, vil vi for det første ha laget en klasse A forsterker. For det andre kan vi være ganske sikre på at den er forvrengningsfattig. En så voldsom overdimensjonering som i eksemplet er ikke nødvendig for å lage en klasse A forsterker, men det er en god ide hvis man med enkle midler vil nedsette både den statiske og dynamiske forvrengning. I en normal klasse B (A/B) forsterker vil minst 2 og ofte flere transistorer arbeide utelukkende på deltid, hvilket medfører for kraftig og umusikalsk forvrengning, med mindre det tas spesielle hensyn ved dimensjoneringen. Det er årsaken til at man ofte vil foretrekke en klasse A forsterkers måte å spille musikk på, hvis den vel og merke er skikkelig konstruert.

Klasse A prinsippet gir også andre fordeler, som til syvende og sist alle har med forvrengning å gjøre. En måte å konstruere klasse A/B forsterkere på, er ved å benytte en eller annen form for glidende forspenning til utgangstrinnet. Disse foranstaltninger skal fjerne forvrengningen som oppstår når en transistor skifter fra aktiv til av-tilstand. I en klasse A forsterker er vi imidlertid sikret helt fra starten, for prinsippet innebærer jo at "switching distortion" slett ikke oppstår. Her forebygger vi istedenfor å helbrede.

Når det gjelder drift av høyttalere med meget ulineære impedanskurver, er klasse A prinsippet igjen overlegent, fordi hele forsterkeren er så voldsomt dimensjonert. Det er derfor ikke usedvanlig at en 25 W klasse A forsterker lyder like kraftig som en klasse B (og A/B) forsterker med en meget større utgangseffekt, kanskje opp til 100 W. Dessuten vil klasse A trinnet lyde bedre i pressede situasjoner, igjen fordi det er i stand til å levere mer strøm uten noen nevneverdig stigning i forvrengningen; med andre ord en indirekte reduksjon av forvrengningen.

Av ytterligere fordeler kan nevnes lav utgangsimpedans, spesielt uten motkopling, i forhold til "normale" forsterkere, og god temperaturstabilitet uten termisk motkopling. En normal klasse A/B forsterkers temperatur stiger når man spiller høyt, hvilket forårsaker en større strøm i utgangstransistorene og mer varme. Med mindre man sikrer seg mot dette med en termisk tilbakekopling, vil resultatet være såkalt 'thermal  runaway'.

Den slags risikomomenter er ikke forbundet med klasse A forsterkere siden deres temperatur faller når man spiller høyt. Det skjer fordi den effekten som i hvile avsettes i transistorene alene skal deles mellom transistorer og belastning  med signal tilført. Dermed er det ikke behov for noen form for termisk tilbakekopling, noe som letter montasjen av forsterkeren. I tillegg kommer den lave utgangsimpedansen faktisk av seg selv når man dimensjonerer utgangstrinnet til å trekke en hvilestrøm på 1,25 A, noe som er minimum for å oppnå klasse A drift for en utgangseffekt på 25 W RMS i 8 ohm.

Klasse A prinsippet har imidlertid også noen ulemper, som alle henger sammen med det store strømforbruket i hviletilstand. Noen har vi nevnt - nemlig de store utgifter til kabinett og kjøleplater. Hvis disse er underdimensjonert, må man også regne med redusert levetid for komponentene, isærdeleshet elektrolyttene. Faktisk skal man budsjettere med en utvidet strømregning hvis man bare spiller en time eller to om dagen på sin klasse A forsterker. Men man kan jo trøste seg med at utgiftene til oppvarming vil dale hvis man spiller flittig vinteren igjennom.

Prinsipp

Forsterkeren er av prinsippet spenningstilbakekoplet, se figur 1. Dette er en av grunnene til at den kalles klassisk. Den andre grunnen er selve den skjematiske oppbyggingen, se senere.

Fig. 1.

Imidlertid er denne forsterkeren bare delvis oppbygget som en tradisjonell operasjonsforsterker. Dette skyldes at forfatteren tilstreber en åpen sløyfe båndbredde som er større enn det hørbare området. Dette gjøres for å sikre at grunn- og overtoner får tilnærmet samme behandling og dermed tilnærmet samme forvrengning. Dette medfører at instrumentenes toner ikke endrer karakter når de forsterkes.

I forhold til en operasjonsforsterker er selvfølgelig også strømkapasiteten mye større. Dette oppnås ved å benytte en tre trinns strømforsterker. Dermed er spenningsforsterkeren i praksis isolert fra lasten som vil variere sterkt bl.a. som funksjon av frekvensen. Utgangstransistorene vil følgelig også være spenningsdrevet, noe som reduserer forvrengningen.

Strømforsyningen er dimensjonert ut fra en minimum lastimpedans på 2 ohm. Selv om denne forsterkeren da ikke lenger arbeider i klasse A, sikrer denne overdimensjoneringen at kjennetegnet ved klasse A forsterkere ikke er noe unntak her.

Selv om det motsatte kanskje er kommet fram mellom linjene, er det ikke gjort noen ekstra bestrebelser for å holde den statiske forvrengning spesielt lav. Det er derimot gjort de nødvendige grep som anses nødvendig for å oppnå god lyd. Det er med dagens teknologi ikke noe problem å bygge en forsterker som har en meget lav harmonisk forvrengning, men om den vil lyde godt, er langt fra sikkert.

Skjematisk oppbygging

Det benyttes FET i differentialtrinnet (J105 og 106), se kretskjemaet i figur 2. Dette har to fordeler, den ene er at vi har en neglisjerbar avviksstrøm på inngangen, den andre er at forvrengningen er av stort sett ørevennlig like orden. Verdien på forsterkerens inngangsmotstand er satt til 100 kohm (R101). Den forholdsvis høye verdien skyldes at forfatteren ikke har en egen forforsterker, og volumkontrollen er således plassert på inngangen av denne forsterkeren.

Fig. 2.

Differentialtrinnets strømgenerator utgjøres av LM134 med en konstantstrøm satt til ca 3,6 mA. Differentialtrinnets forsterkning settes ved hjelp av R107, mens offset-justeringen foretas av P108. Den lokale motkoplingen i differentialtrinnet reduserer både statisk og dynamisk åpen sløyfe forvrengning.

Heretter følger to differensielt koplede felles emitter trinn (Q116 og Q117), som også er lokalt motkoplet. Disse har et arbeidspunkt på ca 5 mA. Spenningsforsterkerens utgang (summasjonspunkt) finnes på kollektor og emitter av Q126. Her summeres strømmene fra Q116 og 117 ved hjelp av strømspeilet (Q119 og 120) over motstandene R127 og 128. Disse ligger vekselsstrømsmessig i parallell, idet Q126 er koplet som en virtuell zenerdiode og utgjør forspenningsgeneratoren. Hvilestrømmen innstilles ved hjelp av P125.

R127 og 128 fastsetter åpen sløyfe forsterkningen til 53 dB. Da R135 sammen med R112 fastsetter lukket sløyfe forsterkningen til 30 dB, fås en motkopling på 23 dB, en meget beskjeden verdi. Kondensatorene C129 og 130 fastlegger åpen sløyfe båndbredden til 100 kHz og slew rate begrensningen til ca 70 V/us, som er ganske respektable verdier.

Med den angitte verdien på C136 fås en lukket sløyfe båndbredde på ca 650 kHz og en fasemargin på ca 90 grader.

Før det egentlige utgangstrinn er det innsatt en ekstra buffer i form av transistorene Q140 og 141. Foruten å redusere forvrengningen med en faktor på 5-10 ganger, medfører dette at vi kan benytte småsignaltransistorer i spenningsforsterkeren. Vi får også et utøket spenningssving siden vi har snudd transistorene og bruker konstantstrømsgeneratorer (D131 og 132) med en strøm på ca 2 mA. Disse strømgeneratorene vil også begrense maksimal utgangsstrøm til maksimalt ca 15 A.

Om utgangstrinnet er det ikke så meget å bemerke, idet dette er rett konvensjonelt. Det gir ingen spenningsforsterkning, kun en meget stor strømforsterkning.

Transistorer og kjøleplater

Valget av transistorer gir alltid anledning til en del grublerier, så det er nok relevant å begrunne de valg som er truffet.

Vi bruker plasttransistorer for effekttransistorene, noe som gjør montasjen meget enkel . Disse er også mer stabile enn f. eks. transistorer i TO3 hus fordi ledningsføringen holdes på kretskortet og banene er korte slik at høyfrekvensustabilitet ikke er et problem.

Vi benytter det komplementære settet 2SA1216 og 2SC2922. Disse er meget hurtige, men også seiglivede effekttransistorer som tåler opp til 200 W tapseffekt og har et stort 'safe operating area'. Om kjøleplatene er det ikke så meget å si, blott skal de ha en kjøleverdi som er 0,35 K/W eller bedre. Kjøleplater med denne størrelsen er dessverre dyre, men også nødvendige. Prøver man å nøye seg med mindre kjøleplater, vil det redusere levetiden på utgangstransistorene ganske vesentlig, fordi deres sjikt-temperatur vil stige. I det lange løp er det altså en dårlig forretning å spare på det punktet.

Som drivere for utgangstransistorene er valgt typene 2SA1358 og 2SC3421. De kan tåle de nødvendige strømmene. Også disse transistorene skal ha kjøling, og er for enkelhets skyld montert på samme kjølefinne som utgangstransistorene; ikke helt etter læreboken. Resten av de bipolare transistorene i konstruksjonen er av typen 2SA872 og 2SC1775. De er forholdsvis støysvake typer som utviser god linearitet selv over store variasjoner av kollektorstrømmen, hvilket er med til å sikre lav forvrengning.

Med de i stykklisten oppgitte verdier yter forsterkeren 25 W RMS i 8 ohm. Dette krever en tomgangsstrøm på 1.25 A. Med de benyttede kjølefinner (0.35 K/W) kan tomgangsstrømmen økes utover denne verdien. I prototypen er denne satt til 1.6 A, som svarer til klasse A drift for full utgangsspenning ned til 6 ohms last.

Ytelse


Utgangseffekt:
Utgangsimpedans:
Frekvensområde:
Slew Rate:
THD v/10 V RMS:
Stige/Falltid:
Følsomhet:
Inngangsimpedans:

2x25 W RMS i 8 ohm
< 50 mohm
DC-720 kHz
< ± 75 V/µs
< 0.01 % (200 Hz, 1 kHz og 5 kHz)
< 1 µs
0,46 V
100 kohm

Utlegget er vist nedenfor. NB! Utlegget er speilvendt.


Komponentplasseringen er vist nedenfor. Kretskortet måler 160x105 mm. For en stereoutgave kreves to stk.



Stykklisten gjelder for en kanal (figur 2 og 3).

Strømforsyning

Utleggsmessig er strømforsyningen, se figur 3, lagt på samme kretskortet som resten av forsterkeren.

Fig. 3.

Transformatorens sekundærviklinger skal således tilkoples kretskortet. Dette har minst et par fordeler som er verdt å nevne. For det første vil impedansen i forsyningsledningene være lav, og for det andre vil stabiliteten være upåklagelig. Det benyttes ikke separat forsyning til spennings- og strømforsterker. Spenningsforsterkerens forsyning er lavpassfiltrert vha RC-filter med en lav knekkfrekvens. I tillegg vil tilbakekoplingen og forsterkerens konstruksjon hindre uhumskheter på forsyningen å nå fram til forsterkerens utgang. Dog er nettfilter med likestrømssperre sterkt anbefalt.

Vist i figur 4 er et filter og påslagsforsinkelse. Dette er koplet til nettspenningen etter nettfilteret og strømbryteren, men før transformatorens primærviklinger. Likestrømssperren består av C313 og C314 med parallelkoplede dioder. Nettverket 303-309 sørger for å redusere nettspenningen, likerette den og forsinke den, slik at releet vil kortslutte motstandene R311 og 312 først etter noen ms. Spenningen på utgangen vil dermed øke gradvis. Dermed unngås også at det fås et voldsomt strømstøt ved påslag av forsterkeren. Varistoren R319 vil dempe transienter på nettet, mens komponentene 320 og 321 vil sørge for ytterligere filtrering.

Fig. 4.

Alt er lagt ut på et eget lite kretskort som måler ca 95x65 mm. Utlegget er vist nedenfor. NB! Utlegget er speilvendt.


Komponentplasseringen er vist nedenfor. Stykkliste er også tilgjengelig.




Byggebeskrivelse

Med unntak av effektmotstandene på 6 W kan det benyttes 1/2 W metallfilmmotstander med 1 % toleranse for forsterkeren (figur 2). Istedenfor JFET' en 2SK170GR for J105/J106 kan 2SK147GR benyttes. Denne har høyere interne kapasiteter og transkonduktans og er noe mer lineær. Til gjengjeld er prisen atskillig høyere. For begge typer kan en benytte BL-typene som har høyere metningsstrøm, men ellers er helt ekvivalent. Dersom en ikke får tak i paret 2SA872/2SC1775 for Q116, Q117, Q140/Q119, Q120, Q141 kan f.eks. 2SB 716/2SD756 eller 2SA970/2SC2240 benyttes. 2SC3421/2SA1358 brukt for Q126, Q142/Q143 kan erstattes av 2SC4793/2SA1837. Ved alle erstatninger, vær sikker på at "pinningen" er korrekt når disse monteres på kretskortet.

Q126, Q142 og Q143 er montert på den store kjølefinnen. Biasgeneratoren (Q126) kan med fordel monteres på en av de store effekttransistorene (Q147 eller Q148). Dette reduserer den termiske tidskonstanten og gir et bedre mål for skikttemperaturen til effekttransistoren. Utgangstransistorene som benyttes for Q147/Q148, er det velkjente paret 2SC2922/2SA1216 fra Sanken. De er forholdsvis lineære, hurtige og samtidig meget robuste; en sjelden kombinasjon. Disse har vært på markedet en del år nå og brukes forholdsvis mye i kommersielle forsterkere, og de er således ganske billige. De kommer imidlertid i et ganske utradisjonelt plasthus, og de festes direkte på kjølefinnen sammen med Q142 og Q143 (samt eventuelt Q126). En bedre løsning ville være å la driverne ha separat kjøling, men arbeidspunktet driver forholdsvis lite når temperaturen har stabilisert seg. Dessuten spares ekstra kjølefinner på denne måten.

For å få en 2x25 W RMS forsterker, må det benyttes en 2x18 V transformator. Det bør benyttes en transformator for hver kanal. Minimum bør transformatoren være på 200 VA, en ringkjerne transformator på 250-300 VA er passende. Transformatorens sekundærviklinger festes til kretskortet i punktene X159 og X165 samt til punktene X166 og X160. Fra kretskortet (X158) skal det være god forbindelse til chassis. Phonobøsningenes jord skal forbindes til chassis. Skjermen på phonokabelen skal forbindes til kretskortet (i X100). Phonokabelens varme ende skal forbindes til kretskortet i X100. Høyttalerutgangens minusbøssing skal forbindes til chassis ved utgangen. Høyttalerutgangens plussbøssing skal forbindes til X157 på kretskortet. Alle forbindelser skal være så korte som mulig. Skulle noen form for ustabilitet eller støy opptre, er sannsynligheten stor for at dette skyldes dårlig ledningsføring/oppbygging (f.eks. jordsløyfer).

Oppstart og justering

Det anbefales å bruke en variabel transformator eller variabel likespenningsgenerator ved første gangs oppstart av forsterkeren. Ettersom forsyningsspenningen økes, justeres til 0 V likespenning på utgangen vha. P108, og tomgangsstrømmen justeres først til minimum for så å økes gradvis vha. P125. Tilslutt gjerne et oscilloskop til utgangen, det skal ikke være noe å se her hvis alt er i orden. Ettersom temperaturen øker, vil det være nødvendig å etterjustere både offset og tomgangsstrøm (min. 1.25 A). Offset på utgangen vil variere noe, men bør ikke være over 50 mV.

Forsterkeren er ikke utstyrt med noen servokopling. Hvis man har høyttalere som absolutt ikke kan tåle noen offsetspenning (vil gjelde de færreste), kan man legge en plastkondensator av høy kvalitet i serie med R112. For en avskjæringsfrekvens på 5 Hz kreves en verdi på 33 µF. Dersom det ikke er mulig å få tak i en plastkondensator av høy kvalitet, er det mulig å bruke en bipolar (eller bipolart koplet) elektrolytt. Det anbefales å parallellkople elektrolytten med en god plastkondensator (f.eks. med verdien 100 nF). Det er ikke gjort plass for disse kondensatorene på kretskortet.

For 25 W RMS utgangseffekt kreves en inngangsspenning på ca. 0.65 V spiss. Dette skulle være tilstrekkelig for de fleste signalkilder uten å være nødt til å bruke en forforsterker. Dersom det ønskes høyere forsterkning, kan R112 reduseres. Dette vil medføre at tilbakekoplingsgraden reduseres. Dette kan motvirkes ved også å redusere R107. Da vil ingen av forsterkerens gode egenskaper med hensyn på båndbredde, forvrengning og Slew Rate endres nevneverdig. Dette forutsetter at forsterkningen endres moderat. Forsterkeren har også vært prøvd med R112 lik 750 ohm og R107 lik 130 ohm. Dette gir en følsomhet på ca. 0.50 V spiss.

Forsterkeren kan forsynes med en spenning opp til +/- 34 V. Dette skulle gjøre det mulig å høyne utgangseffekten til 50 W RMS. Tomgangsstrømmen for klasse A er da min. 1.8 A. Kjølebehovet er stort og må ikke undervurderes. Men enkelte høyttalere kan kreve større utgangseffekt enn 25 W. Forfatteren tror faktisk at 25 W RMS i ekte klasse A er tilstrekkelig for hjemlig bruk i de fleste tilfeller. En klasse A forsterker oppfattes generelt mer kraftfull enn en klasse B (eller A/B).

Hjem

Copyright©2020
Knut Harald Nygaard