Budowa wzmacniacza Leach Amp

Transkrypt

Rafał Weraksa
Budowa wzmacniacza Leach Amp
29-10-2004
Streszczenie
Dokument ten powstał podczas budowy akustycznego wzmacniacza mocy opartego na projekcie Profesora
W. Marshalla Leach’a, Jr. Część tekstu opiera się bezpośrednio na dokumentacji do wzmacniacza, zamieszczonej
na stronie: http://users.ece.gatech.edu/ mleach/lowtim/.Opisano tam bardzo dokładnie procedurę uruchomienia
wzmacniacza. Mój opis to dosyć luźno związane uwagi, które nasunęły się podczas budowania wzmacniacza. W
pewnych fragmentach tekstu jest może za dużo banałów, znanych wszystkim elektornikom-amatorom, jednak
czasami warto powtórzyć to, co jest z pozoru oczywiste.
Prawa autorskie. Oryginalny dokument [1] ma zastrzeżone prawa autorskie. Punkt 1.1 korzysta z przetłumaczonego tekstu i oryginalnych rysunków, dlatego nie można nimi swobodnie rozporządzać, kopiować i powielać.
2
Spis treści
Spis treści
1. Wybrane teoretyczne zagadnienia. . . . . . . .
1.1. Bloki funkcjonalne wzmacniacza . . . . . . . .
1.1.1. Stopień wejściowy . . . . . . . . . . . .
1.1.2. Wzmacniacz napięciowy. . . . . . . . .
1.1.3. Układ wytwarzania napięcia polaryzacji
1.1.4. Stopień końcowy. . . . . . . . . . . . .
1.1.5. Sprzężenie zwrotne. . . . . . . . . . . .
1.1.6. Układy zabezpieczające. . . . . . . . .
1.1.7. Układ zasilający . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
wstępnej.
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 3
. 3
. 3
. 5
. 6
. 6
. 8
. 9
. 10
2. Budowa wzmacniacza . . . . . . . . . . . . .
2.1. Przygotowania . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Kompletowanie części . . . . . . . . . . .
2.3. Przygotowanie obwodu drukowanego. . .
2.4. Wykonanie płytek. . . . . . . . . . . . . .
2.4.1. Przeniesienie schematu na płytkę
2.4.2. Wytrawianie płytek . . . . . . . .
2.4.3. Czynności końcowe . . . . . . . .
2.5. Montaż i uruchomienie . . . . . . . . . .
2.5.1. Parowanie tranzystorów . . . . . .
2.5.2. Parowanie diod Zenera. . . . . . .
2.5.3. Montaż elementów. . . . . . . . .
2.5.4. Testowanie płytki. . . . . . . . . .
2.5.5. Radiator . . . . . . . . . . . . . .
2.5.6. Uruchomienie wzmacniacza. . . .
2.5.7. Ustawienie prądu polaryzacji. . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
11
11
11
12
12
12
13
14
14
15
15
15
16
16
16
17
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3. Dodatki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1. Listing do programu SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3
1. Wybrane teoretyczne zagadnienia.
1.1. Bloki funkcjonalne wzmacniacza
Przy okazji budowy wzmacniacza, musiałem przetłumaczyć parę zdań z oryginalnej dokumentacji. Oczywiście „przekład” jest bardzo nieporadny i trochę intuicyjny, więc z góry przepraszam za błędy. Oryginalną
dokumentację można znaleźć na stronie http://users.ece.gatech.edu/ mleach/lowtim/.
1.1.1. Stopień wejściowy
Stopień wejściowy wzmacniacza został pokazany na rysunku 1.
Rysunek 1. Stopień wejściowy.
Rezystancję wejściową wzmacniacza ustala wartość rezystora R1. Elementy R2 i C1, tworzą dolnoprzepustowy filtr o częstotliwości 200kHz, zabezpieczający wzmacniacz, przed niepożądanymi zakłóceniami o wysokiej
częstotliwości (np. zakłócenia radiowe). Tranzystory Q1..Q2 tworzą komplementarny wzmacniacz różnicowy. Sygnał wejściowy jest podawany na bazy tranzystorów Q1 i Q3, podczas gdy sygnał sprzężenia zwrotnego, na bazy
tranzystorów Q2 i Q4. Wzmacniacz różnicowy, odejmuje sygnał sprzężenia zwrotnego od sygnału wejściowego.
Wytworzony sygnał błędu (różnicowy) steruje następnym stopniem wzmacniacza. Dodatkowo, będący częścią
filtru dolnoprzepustowego, kondensator C1, poprawia szerokość pasma oraz zwiększa margines fazy, funkcji
przenoszenia wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego. Tranzystory Q5 i Q6, tworzą stopień ze
wspólną bazą, przenoszący prąd różnicowy do symetrycznego obciążenia w postaci rezystorów R11 i R12. Inną
funkcją tych tranzystorów, to zmniejszenie napięcia odkładającego się na tranzystorach Q1..Q4 do około 18V,
co zabezpiecza je przed przebiciem napięciowym. Diody Zenera D13..D16 o wartości 20V, ustalają napięcie,
które ustawia prądy polaryzacji wzmacniaczy różnicowych. Przez każdą diodę płynie prąd o wartości 3, 3mA.
Użycie dwóch diod, połączonych szeregowo, poprawia dokładność stabilizacji napięcia (zmniejsza tolerancję).
C2..C5 to kondensatory odprzęgające. Zapewniają one połączenie (dla sygnałów zmiennych, małosygnałowych)
baz tranzystorów Q5 i Q6 z masą. Rezystory R15 i R16 ustalają prąd emiterowy wzmacniaczy różnicowych1 ,
na poziomie 3,25mA. Daje to wartość transkonduktancji wzmacniacza różnicowego2 na poziomie 1, 6 mA
V . Zastosowane rozwiązanie,zamiast aktywnego źródła prądowego, rezystory emiterowe, zmniejsza szumy i zapobiega
powstawaniu stanów nieustalonych (stuków) podczas włączania wzmacniacza. Wzmocnienie napięciowe stopnia
wejściowego wynosi w przybliżeniu 2 (6dB).
Rezystory emiterowe R7..R10, odgrywają ważną rolę w kompensacji częstotliwościowej wzmacniacza. Bez
tych rezystorów, wzmocnienie wzrosłoby do około 40 (+32dB), poważnie zmniejszając stabilność wzmacniacza
(oscylacje). Sytuację mogłoby poprawić zmniejszenie prądu polaryzującego, lub (i) zwiększenie wartości pojemności w następnym stopniu (wzmacniacz napięciowy). Takie rozwiązanie zmniejszyło by szybkość narastania.
1
2
w oryginale tail bias
w oryginale differential transconductance gain
4
Elementy R7. . . R10 nie tylko zmniejszają wzmocnienie, lecz również poprawiają liniowość i dynamikę. Ilustruje
to rysunek 2 na którym przedstawiono wykres prądu kolektora tranzystorów Q1 i Q2 w funkcji różnicowego
sygnału wejściowego, z i bez rezystorów emiterowych.
Rysunek 2. Prąd w funkcji wejściowego napięcia różnicowego.
Prąd IQ polaryzuje wzmacniacz różnicowy (około 3,25mA). Zakres liniowości to obszar pomiędzy punktami,
gdzie prąd zmienia się między 5% a 95% maksymalnej wartości. Bez rezystorów emiterowych, wzmacniacz
pracuje w liniowej strefie, kiedy różnicowe napięcie wejściowe nie przekracza około 57mV. Z rezystorami emiterowymi, zakres liniowej pracy wzrasta do 951mV (17 razy). Zmniejsza się wrażliwość (podatność) wzmacniacza
na zniekształcenia przejściowe SID (slewing inducted distortion), TIM (transient intermodulation distortion
i DIM (dynamic intermodulation distrotion). Jak widać na rysunku 2, zastosowanie rezystorów emiterowych,
umożliwia liniową pracę z napięciami wejściowymi do około 1V.
W literaturze można spotkać wiele schematów wzmacniaczy różnicowych, które nie mają rezystorów emiterowych, lub wartość tych rezystorów jest stosunkowo mała w porównaniu z 300Ω, zastosowanymi w tym
wzmacniaczu. Można również spotkać układy, które mają co prawda rezystory emiterowe o porównywalnej wartości rezystancji, lecz są bocznikowane pojemnością dla sygnałów zmiennych. Wzmacniacze takie mają zwykle
duże wzmocnienie w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Jednak po zamknięciu pętli, takie rozwiązanie ma
tendencję do oscylacji. Dodanie kondensatorów kompensujących o dużej wartości, poprawia sytuację, jednak
powoduje to zmniejszenie szybkości narastania wzmacniacza, a także zwiększa wrażliwość na zniekształcenia
TIM. Przy projektowaniu wzmacniacza, szczególny nacisk położono na uzyskanie optymalnego pasma i szyb-
Rysunek 3. Odpowiedź wmacniacza róznicowegoo, na szybko narastający sygnał wejściowy.
kości narastania. Pasmo wzmacniacza w otwartej pętli dobrano na poziomie 8,5MHz. Wartość ta, pozwala
zakwalifikować omawiany układ jako wzmacniacz z płytkim sprzężeniem zwrotnym. Jednocześnie jest na tyle
duża, że uzyskano małe zniekształcenia i wartość pasma przenoszenia z zamkniętą pętlą, na poziomie 400Hz
V
(przed dodaniem filtru dolnoprzepustowego (R2,C1). Szybkość narastania wzmacniacza wynosi około 60 µs
.
5
Jest to o wiele więcej niż potrzeba, teoretycznie maksymalna wartość częstotliwości sygnału wejściowego, może
dochodzić do 220kHz. Układ nie powinien pracować pełną mocą, z sygnałami powyżej 20kHz, ponieważ mogą
ulec uszkodzeniu tranzystory w stopniu wyjściowym.
Pasmo dolnoprzepustowego filtra wejściowego jest tak dobrane, aby sygnał wejściowy pracował w liniowym
obszarze charakterystyki wzmacniacza wejściowego. Rysunek 3 przedstawia wykres różnicowego sygnału wejściowego VID jako odpowiedź na szybko narastający sygnał wejściowy. Maksimum jest osiągane po czasie około
0, 6ms. Wartość napięcia wynosi 0, 437V .
Dodatkowe informacje na temat parametrów wzmacniaczy różnicowych można znaleźć w [2, 3, 4, 5, 6].
1.1.2. Wzmacniacz napięciowy.
Schemat drugiego stopnia wzmacniacza pokazano na rysunku 4. Tranzystory Q12 i Q13 to komplementarny
Rysunek 4. Wzmacniacz napięciowy.
stopień, w układzie ze wspólnym emiterem. Taka konfiguracja charakteryzuje się dużym wzmocnieniem napięciowym. W celu uproszczenia rysunku, pominięto dwa tranzystory, które są częścią układu zabezpieczającego,
opisanego w punkcie 1.1.6. W normalnym stanie pracy wzmacniacza, są one wyłączone i nie wpływają na parametry omawianego stopnia. RE12 i RE13 odpowiadają szeregowo połączonym: R21 + R23 i R22 + R24. Blok
oznaczony jako VBE Multiplier jest opisany na stronie 6. Dopóki stopień wzmacniacza napięciowego pracuje w
normalnym trybie pracy, blok ten może być uważany za źródło ustalające napięcie stałe między dwoma wyjściami. Napięcie wyjściowe poprzedniego stopnia (wzmacniacza różnicowego) jest podawane na bazy tranzystorów
Q12 i Q13. Elementy RE12 i RE13 ustalają prąd polaryzacji na wartość 4,2mA. Transkonduktancja stopnia,
ustalana przez ten prąd i wartość rezystancji RE12 i RE13 wynosi: 2, 5 mA
V . Składowa zmienna sygnału wyjściowego poprzedniego stopnia, jest w fazie z napięciem wejściowym. Kiedy napięcie wzrasta, prąd płynący przez
Q12 zmniejsza się, a prąd Q13 wzrasta. Ta akcja, tzw.push-pull, wymusza spadek napięcia na wyjściu drugiego
stopnia. Analogicznie, zmniejszenie sygnału na wyjściu wzmacniacza różnicowego, powoduje wzrost sygnału
na wyjściu drugiego stopnia (wzmacniacza napięciowego). Ponieważ obciążenie kolektorowe tranzystorów Q12 i
Q13 jest bardzo duże, wzmocnienie napięciowe drugiego stopnia również jest bardzo duże. Wyliczenie dokładnej
wartości wzmocnienia jest trudne, ponieważ zależy również od rezystancji Rce tranzystorów Q12 i Q13, a także
od wzmocnienia prądowego tranzystorów w następnych stopniach wzmacniacza.
C10 i C11 to jedyne kondensatory kompensujące w całym układzie. Ustalają one częstotliwość bieguna
dominującego wzmacniacza. Czasami kondensatory te nazywane są lag cap lub kondensatory Millerowskie (od
efektu Millera). Efektywna pojemność kondensatora jest zwiększana przez pojemność między C-B tranzystorów
Q12 i Q13. Całkowita pojemność każdego z tranzystorów w kombinacji z rezystorami R7-R10, a także prąd
V
polaryzacji, ustala dobroć (pasmo) wzmacniacza na 8,5MHz i szybkość narastania 60 µs
. Kondensatory C10 i
C11 to jedyne kondensatory kompensujące. Bez nich, wzmacniacz miałby tendencję do oscylacji. Kondensatory
pomiędzy bazą a kolektorem tranzystora Q12 i Q13 są połączone równolegle z pojemnością warstwy zubożonej
tranzystora. Jest to optymalne miejsce dla kondensatora kompensującego we wzmacniaczu ze sprzężeniem zwrotnym, ponieważ przesuwa drugi biegun w kierunku większych częstotliwości. Wymagane wartości kondensatorów
są bardzo małe, ponieważ efektywna wartość jest zwiększana przez efekt Millera.
6
Rezystory R23 i R33, a także kondensatory C13-C16 tworzą dolnoprzepustowy filtr, odprzęgający układ od
zasilania. Filtr ten zmniejsza tętnienia, które mogłyby przedostać się do pierwszego (wzmacniacz różnicowy)
lub drugiego stopnia (wzmacniacz napięciowy). -3dB częstotliwość odcięcia wynosi 20Hz.
1.1.3. Układ wytwarzania napięcia polaryzacji wstępnej.
Prąd polaryzujący kolektory tranzystorów Q12 i Q13 płynie przez układ wytwarzania polaryzacji wstępnej3 , pokazany na rysunku 5. Tranzystor Q7 pełni funkcję stałoprądowego regulatora napięcia, z bocznikowym
Rysunek 5. Układ polaryzacji wstepnej.
ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Napięcie UCE tranzystora Q7, regulowane potencjometrem P1, ustala prąd
polaryzujący stopień wyjściowy. Diody D1-D4 są zamontowane na radiatorze, razem z tranzystorami mocy. W
ten sposób zrealizowano ujemne, temperaturowe sprzężenie zwrotne, regulujące napięcie polaryzacji. Diody, w
przypadku kiedy zwiększy się temperatura radiatora, powodują zmniejszenie napięcia na Q7, co zabezpiecza
tranzystory końcowe przed uszkodzeniem. Kondensator C12 poprawia regulacje napięciową w zakresie wielkich
częstotliwości. Dodatkowo zapobiega oscylacjom, mogącym wystąpić przy zastosowaniu bocznikowego sprzężenia zwrotnego, zastosowanym w tym układzie.
Wiele rozwiązań konstrukcyjnych wzmacniaczy, ma tranzystor który jest zamocowany bezpośrednio na radiatorze, razem z tranzystorami wyjściowymi, spełniający funkcję analogiczną do tranzystora Q7 w tym układzie.
Takie rozwiązanie, eliminuje potrzebę stosowania diod. Połączenia pomiędzy tranzystorem, a układem mogą
wykazywać pojemność na tyle dużą, że może mieć wpływ na wysokoczęstotliwościową odpowiedź drugiego stopnia i w rezultacie problemy ze stabilnością wzmacniacza. Zaproponowane rozwiązanie z diodami i zastosowanie
rezystorów R25 i R27 separuje pojemności pasożytnicze od drugiego stopnia (rysunek 5). Jeżeli tranzystor Q7
jest zamontowany na radiatorze, rezystory nie powinny być zastosowane, ponieważ mogą wpływać na zmianę
napięcia pomiędzy kolektorami tranzystorów Q8 i Q9.
1.1.4. Stopień końcowy.
Wyjścia wzmacniacza napięciowego są podłączone do stopnia końcowego (wzmacniacza mocy), pokazanego
na rysunku 6. Jest to komplementarny, trzystopniowy układ Darlingtona - wzmacniacz w układzie wspólnego
kolektora. Topologia układu jest podobna do klasycznego rozwiązania T-Circuit opublikowanego przez Barta
Locantiego w 1960 roku. Autor wzmacniacza, symulował programem SPICE większość rozwiązań układowych,
stosowanych w końcowych wzmacniaczach mocy (układów przeciwsobnych) i wybrał właśnie takie rozwiązanie,
ze względu na najmniejszą rezystancję wyjściową i zniekształcenia skrośne.
Elementy Q18-Q21 to tranzystory wyjściowe, zasilające obciążenie-głośnik. Q18 i Q20 dostarczają dodatnią
połówkę, Q19 i Q21 ujemną połówkę sygnału.Zrównoleglenie tranzystorów, podwoiło wydajność prądową końcówki mocy. Tranzystory końcowe pracują w klasie AB. Trzystopniowy, komplementarny układ Darlingtona,
dostarcza bardzo dużego wzmocnienia prądowego, które jest konieczne, do wysterowania obciążenia. Wzmocnienie napięciowe jest w przybliżeniu równe 1. Tranzystory Q14-Q17 sterują bazami tranzystorów końcowych.
Pracują one w klasie A. Takie rozwiązanie cechuje się niską impedancję wyjściową, potrzebną do wysterowania tranzystorów mocy. Bazy tranzystorów końcowych, powinny widzieć niską impedancję wejściową z dwóch
ważnych powodów. Po pierwsze jest to konieczne aby dostarczyć wymagany prąd bazy tranzystorów, kiedy są
właczane. Po drugie, niska impedancja pozwala szybko usunąć ładunek nagromadzony w bazach tranzystorów
wyjściowych, w przypadku wyłączania tranzystorów. Wymusza to płynne włączanie i wyłaczanie tranzystorów
wyjsciowych, minimalizując zniekształcenia skrośne 4 . Prąd polaryzujący tranzystory Q14 i Q15, jest ustawiony
3
4
W oryginale ten blok nazwano VBE Multiplier, spolszczenie zaczerpnięto z [3].
w oryginale: crossover distortion glitches
7
Rysunek 6. Stopień końcowy.
na około 4mA, przez stopień wytwarzania napięcia polaryzacji wstępnej i rezystory R34 i R35. Prąd płynący
przez Q16 i Q17 jest ustalony na około 4, 5mA, przez stopień wytwarzania napięcia polaryzacji wstępnej i R36.
Istnieje możliwość zmiany konfiguracji tranzystorów sterujących tranzystory końcowe z klasy A do klasy
AB. Wystarczy rezystor R36 zastapić dwoma szeregowymi rezystorami. Połączenie między nimi i R33 i R34,
powinny być połączone do punktu pomiędzy R45 i R46. Takie rozwiązanie zwieksza zniekształcenia skrośne, a
także może wywołać problemy ze stabilnością. Stopień w klasie A, takich problemów nie generuje.
Prąd polaryzujacy tranzystory końcowe, jest ustalany przez stopień wytwarzania napięcia polaryzacji w
połaczeniu z R45-R48. Potencjometrem P1, ustala sie sumę pobieranego pradu na około 100mA. Prad polaryzacyjny każdego tranzystora wyjściowego wynosi 40-45mA. Jest to wystarczajaco duży prąd aby zminimalizować
wszystkie zniekształcenia skrośne na obciązeniu o wartości 8Ω.
Rezystory R41-R44 podłączone szeregowo z bazami tranzystorów wyjściowych, niwelują pasożytnicze oscylacje, które mogłyby wystapić w stopniu wyjściowym. Wprezentowanym schemacie wzmacniacza, rezystory te
można pominąć, jednak w przypadku użycia końcówek mocy we wzmacniaczu mostkowym, mogą wystąpić
problemy ze wzbudzaniem.
Rezystory R45-R48 to rezystory emiterowe, które wyrównują prądy w równolegle połaczonych wyjściach
tranzystorów. Inną funkcją jakie spełniają, to czujniki prądu dla układu zabezpieczającego. Elementy R49,
L1, R50 i C25 likwidują pasożytnicze oscylacje, które mogą wystąpić w przypadku pojemnościowego charakteru
obciążenia. Elementy R50 i C25 montuje się bezpośrednio do końcówek, gdzie podłącza się przewody głośnikowe.
Rysunek 7 przedstawia symulację SPICE, charakterystykę napięcia wyjściowego do wejściowego z i bez prądu
polaryzującego. Rezystancja obciążenia to 8Ω. Bez prądu polaryzującego, występuje martwa strefa, sięgająca
Rysunek 7. Wpływ polaryzacji na pracę stopnia wyjściowego.
do około 2,8V, bez zmiany napięcia wyjściowego. W tym stanie wszystkie tranzystory końcowe są odcięte. Przy
prądzie polaryzacji 40-45,A, martwa strefa znika.
8
Rysunek 8 pokazuje symulacje prądu kolektora tranzystorów Q14, Q16, Q18 i Q20 w funkcji napięcia wyjściowego na 8Ω obciażeniu. Wykres pokazuje pracę w klasie A tranzystorów sterujących w końcówce mocy.
Rysunek 8. Prąd kolektora na obciążeniu
Wykres prądu w tych tranzystorach, nigdy nie przechodzi przez 0, kiedy napięcie wyjściowe przyjmuje wartości
ujemne. Podobnie wygląda wykres dla tranzystorów PNP.
Rysunek 9. Prądy i napięcia wyjściowe bez prądu polaryzacji.
Rysunek 9 pokazuje symulację napięcia wejściowego i wyjściowego w stopniu wyjściowym bez prądu polaryzującego (praca w klasie B). Napięcie wejściowe ma amplitudę 5V i częstotliwość 100Hz. Napięcie wyjściowe
jest pobierone z 8 omowego obciążenia. Bez prądu polaryzującego, wyraźnie widać zniekształcenia skrośne.
Rysunek 10 pokazuje ten sam przypadek, jednak z ustawionym spoczynkowym prądem polaryzacyjnym na
Rysunek 10. Prądy i napięcia wyjściowe z prądem polaryzacji.
poziomie 40-45mA na każdy wyjściowy tranzystor. Napięcie wyjściowe jest mniejsze od wejściowego, ponieważ
tranzystory pracują w układzie wspólnego kolektora (wzmocnienie około 0,97).
1.1.5. Sprzężenie zwrotne.
Rysunek 11 przedstawia schemat blokowy wzmacniacza i elementy sprzężenia zwrotnego. Dla częstotliwości
akustycznych, równoległe połączenie kondensatorów C6 i C7 stanowi zwarcie, a C8 i C9 rozwarcie. Sygnał sprzę-
9
żenia zwrotnego jest pobierany z wyjścia wzmacniacza przez rezystancje R17 i R18, do odwracającego wejścia
wzmacniacza różnicowego w stopniu wejściowym. Stosunek napięcia wyjściowego do napięcia podawanego na
R19
wejście wzmacniacza różnicowego wynosi: R17 +R
. Wzmocnienie całego wzmacniacza jest w przybliżeniu
18 +R19
równe temu stosunkowi i dla zastosowanych wartości elementów wynosi 21 (26,4dB). Dla częstotliwości powyżej
Rysunek 11. Sprzężenie zwrotne
150kHz, pojemności C8 i C9 można traktować jako zwarcie. co powoduje, że sygnał sprzężenia zwrotnego jest
pobierany ze stopnia wzmacniacza napięciowego. Podział, na dwie drogi sprzężenia zwrotnego, w zależności od
częstotliwości, znacznie poprawia stabilność wzmacniacza, przeciwdziałając wysokoczęstotliwościowym oscylacjom, które mogłyby powstać przy podłączeniu obciążenia o charakterze pojemnościowym.
Poniżej 1Hz rozwarcie na kondensatorach C6 i C7 daje wzmocnienie sygnałów stałych równe 1. Daje to dużą
stabilność prądów i napięć polaryzujących.
C7 to kondensator foliowy podłączony równolegle z C6 aby poprawić kiepskie właściwości kondensatora
elektrolitycznego w zakresie wielkich częstotliwości.
Zaproponowany obwód drukowany, dostarcza dwie opcje użycia pojemności C6: dwa, połączone szeregowo
kondensatory elektrolityczne, lub jeden elektrolityczny kondensator bipolarny. Jak się okaże w punkcie 2.2 dostanie kondensatorów bipolarnych nie jest sprawą łatwą. W przypadku zastosowania bipolarnego kondensatora,
należy przylutować zworę w miejsce kondensatora C6B. Bez zwory, wzmacniacz ma wartość dolnej częstotliwości
1,4kHz zamiast 1Hz.
1.1.6. Układy zabezpieczające.
Rysunek 12 przedstawia schemat stopnia wyjściowego z elementami pełniącymi funkcję zabezpieczenia
wzmacniacza. Dla uproszczenia zostały pominięte tranzystory Q20 i Q21. Q10 monitoruje spadek napięcia
Rysunek 12. Układ zabezpieczający.
na rezystorze emiterowym R45 tranzystora Q18. Analogicznie Q11 monitoruje napięcie na R46. W normalnym
stanie pracy, wzmacniacza tranzystory Q11 i Q10 są odcięte. Nadmierny przepływ prądu przez R45 lub R46,
będzie powodować przewodzenie tranzystorów Q10 i Q11. Spowoduje to zwarcie sygnału sterującego podawanego na bazy tranzystorów Q14 i Q15 i ograniczenie maksymalnego prądu płynącego przez tranzystory Q18 i Q19.
10
Rezystory R28..R31, R37 i R38 ustalają zakres pracy układu zabezpieczającego, który jest funkcją napięcia i
prądu na obciążeniu.
Rysunek 13 ilustruje działanie układu zabezpieczającego. Wykres przedstawia prąd wyjściowy w funkcji
napięcia wyjściowego. Niezacieniowany obszar na wykresie, to strefa w której zabezpieczenie nie jest aktywne.
Wartość progowa prądu, przy której zadziałało zabezpieczenie, zależy od wartości napięcia na obciążeniu. Rysunek 13 przedstawia wykresy dla obciążeń 2Ω, 4Ω i 8Ω, wszystkie one mieszczą się w niezacienionym obszarze
pracy. Pokazane wykresy bazują na teoretycznych równaniach, przy założeniu że tranzystory i diody przewodzą.
Zastosowanie pojemności, połączonych równolegle z R28 i R29, zapobiega włączaniu się układu ograniczania
Rysunek 13. Zakres pracy układu zabezpieczającego.
prądu, przy szybkich zmianach sygnału na wyjściu. Kondensatory podłączone równolegle z rezystorami R37 i
R38 likwidują pasożytnicze oscylacje w układzie protekcyjnym.
Tranzystory wyjściowe, są połączone z bazami tranzystorów układu zabezpieczającego, przez rezystancję.
We wcześniejszych wersjach wzmacniacza, każdy z tych rezystorów miał podłączony równolegle kondensator.
Ze względu na, jak twierdzi autor „dziwne problemy”, zostawił tylko dwa kondensatory.
D5..D10 to diody szybkie-przełączające. Jeżeli są zbyt wolne, układ zabezpieczający może zadziałać przy
przechodzeniu przez 0 sygnału wyjściowego. Wprowadzi to dodatkowe zniekształcenia.
D11 i D12 zabezpieczają tranzystory Q18 .. Q20 przed przepięciami, które mogą się indukować gdy obciążenie
ma charakter indukcyjny i wzmacniacz jest sterowany szybko zmieniającym się przebiegiem.
1.1.7. Układ zasilający
Schemat zasilania pokazano na rysunku 14. Symbole masy reprezentują centralny punkt zerowego potencjału
Rysunek 14. Układ zasilający.
wzmacniacza. Do tego punktu, gwiaździście zbiegają się wszystkie masy wzmacniacza. Wzmacniacz jest zasilany
napięciem symetrycznym, z transformatora z odczepem w środku uzwojenia wtórnego. W przybliżeniu napięcie
UAC
stałe jakie uzyska się z zasilacza to: Uzas = 1,414
− 0, 5V Przy zastosowaniu transformatora o napięciu wtórnym
równym 80V (2x40V) uzyskane napięcie stałe wyniesie około ±58V . Z 12mF kondensatorem elektrolitycznym,
energia zgromadzona w zasilaczu wynosi 40J. Jest to dość energii aby podnieść 10 funtowego psa na prawie 3
stopy nad ziemią.
2. Budowa wzmacniacza
11
Płytki drukowane mają zaprojektowane ścieżki dla dwóch mas. Obie ścieżki łączą się w centralnym punkcie
masy zasilacza. Jedna masa (sygnałowa) zasila stopień wejściowy, druga podłączona jest do kondensatorów
odsprzęgajacych i układu protekcyjnego. Obie masy łączą się przez rezystor R51. Wyrównuje on potencjał
miedzy masami, jednocześnie stanowi barierę dla prądu, który popłynie ścieżkami bezpośrednio do centralnego
punktu masy. Rozdzielenie mas sygnału o małej amplitudzie, szczególnie w stopniu wzmacniacza różnicowego,
z sygnałami o dużej amplitudzie, przeciwdziała powstawaniu przydźwięków.
2.1. Przygotowania
Mając gotowy schemat, przychodzi moment, w którym trzeba skompletować elementy, wykonać płytki,
zmontować i uruchomić urządzenie. Każda z tych czynności powinna być wykonana jak najstaranniej. Mamy wtedy pewność, że zbudowane urządzenie zostanie uruchomione szybko, a raz wykonany układ posłuży
bezawaryjnie przez długi czas.
2.2. Kompletowanie części
Elementy aktywne, zastosowane we wzmacniaczu, są produkowane przez firmę On Semiconductor. Zdobycie
elementów, wydaje się z pozoru, łatwą sprawą. Jednak przeglądając sklepy elektroniczne on-line, bardzo ciężko
było znaleźć oryginalny produkt. Oznaczenie kodowe się zgadzało, ale żadnej informacji o producencie. Jedynie
w firmie NDN podano ceny tranzystorów oryginalnych. Można oczywiście zamówić elementy w bardziej profesjonalnych sklepach (ELFA) ale znacząco powiększa to koszty całego wzmacniacza. Na szczęście jest jeszcze
jeden, najprostszy i najtańszy sposób. Wszystkie tranzystory, można bez trudu zamówić u producenta. Po
zarejestrowaniu się, zacząłem wyszukiwać potrzebne typy tranzystorów. Okazało się, że jest możliwość zamówienia darmowych próbek. Z darmowymi próbkami jest różnie. Czasami wypełnia się wiele formularzy i na
końcu dostaję wiadomość że nic z tego nie będzie. Na stronie On Semiconductor jest inaczej, ponieważ próbki
są darmowe, ale przesyłka kosztuje. Wbrew pozorom jest to dobra wiadomość, bo oznacza, że jak zamówi się
elementy to powinny się one pojawić. Koszt przesyłki to 22$. Zakup elementów w Polsce przekroczy tę kwotę.
Maksymalną ilość jaką można zamówić w darmowej próbce to 25 sztuk!! Cały system wysyłki w On Semiconductor jest na tyle zautomatyzowany, że na bieżąco można śledzić stan zamówienia. Po dwóch dniach prawie
wszystkie elementy zostały skompletowane i przygotowane do wysyłki. Tylko jeden tranzystor został wysłany
o 5 dni później. Po dwóch tygodniach przyszły paczki. Zrozumiałem wtedy, dlaczego musiałem za przesyłkę
zapłacić 22$. Każdy element był zapakowany w osobne pudełko, zabezpieczony przed wstrząsem, upadkiem,
burzą i zatopieniem. Adres nadawcy informował, że paczka przyszła nie z USA, tylko z magazynu w Niemczech.
Tak to za około 80 zł dostałem taką ilość elementów, która spokojnie starczy na zbudowanie 5 wzmacniaczy.
Brakujące elementy zamówiłem w North Electronik.
Kolejny problem(chyba największy) to zdobycie kondensatorów zgodnych ze specyfikacją. Autor preferuje
kondensatory ceramiczne - mikowe. Początkowy zapał, aby wykonać z elementów dokładnie takich, jakie sugeruje
autor, bardzo szybko mi minął. Zdobycie takowych kondensatorów nie jest łatwe (no i oczywiście nie jest tanie).
Jak zwykle w elektronice (i nie tylko) wszystko jest wynikiem kompromisu. Zdecydowałem się użyć zwykłych
kondensatorów ceramicznych.
Innym preferowanym przez autora typem elementów, to kondensatory polipropylenowe. Zdobycie ich nie
jest już takie trudne. Problemem mogą być wymiary, standardowo o rastrze 1,5mm W układzie nie zastosowano ani jednego kondensatora galwanicznie separującego stopnie wejściowe. Jest to bardzo dobre rozwiązanie,
kondensator wejściowy z reguły ma duży wpływ na charakterystykę częstotliwościową całego wzmacniacza.
Jeszcze jeden „niestandardowy” element to kondensator bipolarny, pracujący w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza. Nie mogłem znaleźć kondensatora bipolarnego o tak dużej pojemności. Została więc druga wersja z
szeregowo podłączonymi zwykłymi kondensatorami elektrolitycznymi.
Rezystory zostały zamówione w seguro.home.pl Firma sprzedaje je po 10 sztuk w całkiem rozsądnej cenie.
Ważnym podzespołem jest także transformator. Kupiłem go w firmie MKPT. Typ: TST 250VA - 2x40V,
2X31A. Koszt z wysyłką to 97,30zł.
Został jeszcze problem dobrania radiatora. Idealny radiator do tego wzmacniacza to taki, który ma w środku
miejsce na przymocowanie tranzystorów w obudowie TO-3 i żeberka ułożone pionowo (lepsze odprowadzenie
ciepła). Najbardziej zbliżony profil to A4129. Kupiłem dwie sztuki przez Allegro (firma z Krakowa). Koszt
radiatorów to 16zł plus koszty wysyłki, elementy trochę ważyły i koszt wysyłki zamknął się w kwocie 30zł
(Poczta Polska). Czas skompletowania wszystkich potrzebnych elementów zajął mi 2 miesiące.
12
W dokumentacji wzmacniacza, (punkt 2.5.1) opisana jest procedura zestawiania tranzystorów w komplementarne pary. Opis ten dotyczy tranzystorów w stopniu wejściowym (wzmacniacze różnicowe). Opisaną procedurą
nie mogłem jednak dobrać tranzystorów. Zmierzone przedziały (prądy bazy) dla tranzystorów NPN i PNP nie
pokrywały się. Zmierzyłem po 20 sztuk tranzystorów. Tranzystory dobrałem za pomocą multimetru - pomiarβ.
2.3. Przygotowanie obwodu drukowanego.
Wielkie mecyje, przecież widok płytki zamieszczono w pliku pdf. Pierwsza uwaga to konieczność wybrania
odpowiedniej opcji drukowania w programie Adobe Acrobat. Przy domyślnych ustawieniach opcji drukowania,
otrzymany wydruk jest mniejszy niż w rzeczywistości. Autor umieścił pod widokiem radiatora linię o długości
6 cali. Pozwala ona zweryfikować poprawność wydruku.
Następna trudność to, uzyskanie lustrzanego odbicia widoku płytki. Zgodnie z obowiązującymi trendami, w
amatorskich sposobach wykonywania płytek, dominują:
— folia TES;
— papier kredowy;
— emulsja światłoczuła.
Wszystkie te metody potrzebują lustrzanego odbicia widoku płytki drukowanej . Wykonanie lustrzanego wydruku, w moim przypadku, nie było takie proste. Okazało się, że w sterowniku drukarki laserowej, którą używałem,
nie ma opcji mirror print. Skorzystałem więc z ogólnie dostępnych narzędzi. Uruchomiłem program Ghostview,
wczytałem plik pdf z rysunkiem ścieżek, przekonwertowałem go do formatu dxf (AutoCad, Qcad). Za pomocą
programu AutoCad odpowiednio dopasowałem wielkość wygenerowanego przez Ghostview pliku dxf, korzystając z 6 calowej linii, którą autor umieścił na rysunku. Przy okazji dosztukowałem sobie kawałek ścieżki,
ponieważ zdobyte przeze mnie kondensatory polipropylenowe o wartość 100nF miały raster (rozstaw nóżek)
15mm. Zmieniłem także numer wersji z 4.5 na 4.5a. Gotowy rysunek jest do pobrania.
Po pewnym czasie okazało się, że mogłem to zrobić łatwiej. Wystarczyło poszukać sterownika drukarki,
obsługującej postscript i która miała opcję mirror print, jeszcze prostszą metodą jest użycie programu CuteFTP.
Instaluje się on jako sterownik drukarki, która tworzy plik PDF. Drukując za pomocą tego sterownika, można
uzyskać zwierciadlane odbicie, należy tylko włączyć opcję w zaawansowanych właściowściach programu.
2.4. Wykonanie płytek.
Odwiecznym problemem przy budowie urządzenia, jest wykonanie obwodów drukowanych. Dawniej starczał
lakier do paznokci, pisak wodoodporny lub frez. Dzisiaj płytki są coraz bardziej skomplikowane, a elektornicy-amatorzy coraz bardziej leniwi. Dlatego pojawiły się nowe możliwości.
Najbardziej profesjonalną metodą, jest zastosowanie emulsji światłoczułej. Na płytkę miedzianą nanosi się
równomiernie warstwę emulsji światłoczułej, potem przykłada się wydrukowana na transparentnym papierze
(folii) schemat ścieżek i naświetla promieniami UV. Potem emulsję „utrwala” się. Głównym problemem jest
równomierne rozprowadzenie emulsji. Niektórzy wykorzystują stary adapter, lub wiertarkę (siła odśrodkowa równomiernie rozprowadza emulsję, przy okazji skutecznie chlapiąc wszystko dookoła). Emulsję światłoczułą można
z powodzeniem zastąpić własną miksturą. Wykonanie tejże, było opisane w książce Stefana Sękowskiego[7]. Niestety książką wyrzuciłem, w chwili słabości, więc nie opiszę jak to się robiło. Z tego co pamiętam to głównym
składnikiem był azotan srebra.
Niewiele ustępująca jakością, a na pewno wystarczająca przy tym projekcie, to zastosowanie folii TES lub
papieru kredowego. Przyznam się, że nigdy nie stosowałem folii TES. Cena za arkusz nie była zachęcająca.
Folię TES, można z powodzeniem zastąpić zwykłą, przezroczystą folią do drukarek laserowych/kserokopiarek.
Najbardziej zadowalające efekty uzyskałem z zastosowaniem papieru kredowego.
2.4.1. Przeniesienie schematu na płytkę
W praktyce amatorskiej rzadko wykonuje się płytki inne niż jednostronne. Najbardziej optymalną wydaje
się być metoda z zastosowaniem papieru kredowego. W dzisiejszych czasach, kiedy maszyny do pisania spotkać
można w muzeach, albo na posterunkach policji, papier kredowy zniknął ze sklepów papierniczych (przynajmniej w moim mieście). Nie brakuje natomiast folderów reklamowych, kalendarzy, wreszcie czasopism które są
wykonane z lśniącego papieru.
Mając materiał, trzeba się jeszcze doposażyć w:
— żelazko;
— drewniane pudełko;
— folię samoprzylepną;
— ściereczkę.
13
Ważnym aspektem w tej metodzie, jest dobre dociśnięcie papieru do płytki. Dlatego najwygodniej jest
umocować żelazko do góry nogami. Do tego właśnie jest potrzebne drewniane pudełko. Oczywiście każdy sposób
umocowania żelazka jest dobry, jeżeli nie spowoduje u wykonującego obszernych poparzeń.
Za pomocą laserowej drukarki, drukujemy na papierze kredowym, lustrzane odbicie ścieżek. Dobrze jest
tak ustawić parametry wydruku i samej drukarki, aby zostawić jak największą ilość tonera. Inna metoda, to
podwójne wydrukowanie na tym samym papierze. Trzeba tylko uważać aby za drugim razem, kartkę tak samo
włożyć do drukarki. Odpowiednio przyciętą płytkę i wydruk, łączymy za pomocą folii samoprzylepnej tak, aby
toner stykał się z miedzią. Na żelazko kładziemy czysty papier, płytkę z rysunkiem (miedzią do góry)5 i na to
wszystko kładziemy drugą, czystą kartkę.
Rozgrzewamy żelazko (trzy kropki, to dobra wartość). No i tutaj czas dobieramy doświadczalnie. Temperatura powoduje, że toner ponownie zaczyna się rozpuszczać i metodą stykową przechodzi na warstwę miedzi.
Ułożenie płytki miedzią do góry równomiernie nagrzewa płytkę, dociskanie szmatką, pozwala dokładnie przenieść toner na miedź. Jak długo należy podgrzewać płytkę i w pocie czoła (bo gorąc jest niemiłosierny) dociskać
ściereczkę, zależy od tak wielu czynników, że ciężko jest podać optymalny czas. Ja podgrzewam z reguły płytkę
z 3 minuty, potem ściereczką dociskam kartkę ze schematem do płytki. Sygnałem ze czas już powoli kończyć, jest
unoszący się zapach tonera, lekkie wypłynięcie otaczającej rysunek ramki, rozpuszczenie się folii samoprzylepnej.
Rysunek 15. Naniesione ściezki.
2.4.2. Wytrawianie płytek
Jeżeli udało się przenieść schemat na laminat i jakość rysunku jest zadowalająca, to można przystąpić do
wytrawiania. Metod i środków wytrawiających jest kilka. Jeżeli obwody drukowane do tego projektu, to nie
ostatnie płytki jakie w życiu zrobimy, polecam wykonanie prostego przyrządu do wytrawiania.
Idziemy do szklarza i zamawiamy szklane pudełko o wymiarach w przybliżeniu: szerokość: 25cm, wysokość
25cm, głębokość 5cm. Jeżeli idziemy do szklarza, to prosimy aby przyciął nam szkło (o grubości ok 4mm) na
kawałki:
— 2 sztuki 25cm x 25cm (ścianka przednia i tylnia);
— 1 sztuka 5cmm x 25cm (podstawa);
— 2 sztuki 4,2cm x 25cm (ścianka boczna).
Dokupić należy jeszcze silikon (najlepiej sanitarny) i wszystko sklejamy.
Dla bardziej leniwych proponuję wycieczkę do mikrozoo i poszukanie szklanego pojemnika do akwarium,
które służy jako pojemnik do filtrowania wody. Przy okazji można kupić grzałkę i ewentualnie brzęczyk/pompkę.
Mając te wszystkie elementy, możemy złożyć zestaw. Mocujemy grzałkę w pojemniku, rurkę od pompki/brzęczyka.
No i trzeba wymyślić sposób podtrzymywania płytki. Następną czynnością jest przygotowanie roztworu wytrawiacza. W ciepłej wodzie rozpuszczamy wytrawiacz, zgodnie z instrukcją obsługi. Wlewamy ciecz do pojemnika,
wsadzamy płytkę i czekamy. Zbyt duża temperatura spowoduje zbyt mocne podtrawienie płytki, zbyt mała
5
Zauważyłem, że moje żelazko nie bardzo radziło sobie z małymi płytkami, w takim przypadku kładę płytkę miedzią do dołu.
14
Rysunek 16. Wytrawiarka
także nie jest korzystna. Standardowo do wytrawiania stosuje się chlorek żelazowy, jednak środek ten bardzo
mocno plami wszystko dookoła i stosunkowo agresywnie podtrawia miedź. Znacznie ciekawszą alternatywą
jest wykorzystanie nadsiarczanu sodu. Potrzebujemy około 100g na 0,5litra. W pojemniku o rozmiarach jakie
podałem wcześniej, mieści się około 1,5 litra płynu. Optymalna temperatura trawienia to 40◦ C. Czas trawienia
to około 20-30 minut, zależy od temperatury i stopnia zużycia roztworu. Jeżeli roztwór nadsiarczanu był świeży,
to przeźroczysta z początku ciecz, będzie nabierała niebieskiego koloru. Po skończeniu wytrawiania, dokładnie
myjemy płytkę, a następnie zmywamy toner np. benzyną ekstrakcyjną.
Rysunek 17. Wytrawiona płytka
2.4.3. Czynności końcowe
Po wysuszeniu płytek, można jeszcze zabezpieczyć ścieżki rozpuszczonym w alkoholu (lub benzynie) roztworem kalafonii. Ułatwia to lutowanie, szczególnie po pewnym czasie, jednak kalafonia ma właściwości korodujące.
Zwiększa się także prawdopodobieństwo przyklejania się wszelkiego rodzaju brudu i kurzu. Dawniej wszystkie
płytki profilaktycznie pokrywałem kalafonią, jednak powoli odchodzę od tej czynności.
Zostało jeszcze napunktowanie punktów lutowniczych i wywiercenie otworów.
2.5. Montaż i uruchomienie
Mając gotową płytkę, można przystąpić do montażu elementów. Część elementów wzmacniacza montowane
są bezpośrednio do radiatora (tranzystory końcowe i diody kompensacji termicznej).
15
2.5.1. Parowanie tranzystorów
Aby zminimalizować napięcie niezrównoważenia wzmacniacza różnicowego, należy zestawić pary tranzystorów npn i pnp o jak najbardziej zbliżonych parametrach stałoprądowych. Wzmocnienie prądowe można
zmierzyć multimetrem wyposażonym w odpowiednią funkcję b - test. Najlepiej sparować wszystkie 4 tranzystory wzmacniacza różnicowego. Jeżeli nie można, należy dobrać pary Q1 z Q3 i Q2 z Q4. Zwykle napięcie
niezrównoważenia wzmacniacza nie przekracza 50mV. Tranzystory można dobierać, wykorzystując schematy
pomiarowe przedstawione na rysunku 18. Prąd polaryzacyjny wynosi około 1,6mA. Parowane tranzystory po-
Rysunek 18. Parowanie tranzystorów.
winny mieć równe prądy bazy. Oczekiwane wartości prądu bazy powinny mieścić się w przedziale 4µA-20µA.
Podgrzewanie powoduje zauważalny dryft pomiaru, napięcie zasilające powinno być cały czas włączone. W
przypadku braku mamperomierza, można mierzyć prąd bazy metoda pośrednią. Mierząc napięcie na rezystorze
podłączonym między masą a bazą, o wartości 51kΩ. Oczekiwane wartości to 0,2V-1V Niestety posiadając próbkę
20 tranzystorów i stosując wyżej opijaną metodę, nie mogłem namierzyć dwóch takich samych tranzystorów.
Dobrałem więc tranzystory na zasadzie pomiaru b zwykłym multimetrem.
2.5.2. Parowanie diod Zenera.
Prąd polaryzujący wzmacniacz różnicowy, jest stabilizowany diodami Zenera. Dwie diody 20V, połączone
w szereg dają napięcie równe 40V. Można zastosować pojedynczą diodę Zenera, jednak rozwiązanie z dwoma
diodami pozwala uzyskać większa zbieżność napięć.
Diody Zenera najłatwiej dobrać, podłączając do źródła regulowanego napięcia i ustalając prąd na około
3,3mA.
2.5.3. Montaż elementów.
Rysunek 19. Przylutowane elementy.
Przed zamontowaniem elementów elektronicznych na płytce, należy każdy z nich sprawdzić. Z pozoru jest
to zbędny wysiłek, jednak znacznie przyspieszy uruchomienie całego urządzanie i uchroni przed dodatkowymi
wydatkami.
16
Zostało jeszcze przylutowanie elementów, pocynowanie ścieżek wysokopradowych (nie jest ich zbyt wiele).
Przy pierwszej płytce wsadziłem odwrotnie tranzystory p-n-p w stopniu wejściowym. Na szczęście nic strasznego
się nie stało.
2.5.4. Testowanie płytki.
Po zamontowaniu elementów na płytce można przystąpić do testów. W pierwszej kolejności bada się układ
bez zainstalowanych tranzystorów końcowych (znajdujących się poza płytką). Uruchomione płytki powinny być
testowane za pomocą zasilacza laboratoryjnego.
1. Do nóżek rezystora R36, przylutować dodatkowe dwa rezystory 100om. Do rezystorów podłączyć obciążenie
(jedna nóżka rezystora R36, rezystor 100Ω, obciążenie, rezystor 100Ω, druga nóżka R36).
2. Zewrzeć kondensator C12.
3. Podłączyć ujemne i dodatnie napięcie zasilania i masę. Uwaga, na płytce znajdują się dwie masy, należy
podłączyć je obie. Napięcie zasilające, początkowo powinno być ustawione na 0V , a prąd powinien być
ograniczony do 50mA. Jeżeli zasilacz nie ma ogranicznika prądu, należy połączyć w szereg z + i - zasilania
100Ω rezystor.
4. Podłączyć sygnał wejściowy o amplitudzie 1V i częstotliwości 1kHz. Obserwować oscyloskopem sygnał na
obciążeniu. Powoli zwiększać napięcie zasilania. Układ powinien pobierać około 25mA, gdy napięcie zasilania
będzie większe od 8V (nie przekraczać 60V).
2.5.5. Radiator
Rysunek 20. Rozmieszczenie elementów na radiatorze.
Staranne zamocowanie elementów na radiatorze, który jest elementem mocowanym na zewnątrz obudowy,
gwarantuje uzyskanie odpowiedniego wrażenia na oglądających wzmacniacz. Oczywiście nie jest to główny powód. Obudowy tranzystorów mają potencjał napięć zasilających, a radiator ma zerowy potencjał. Niestaranne
nawiercenie otworów, lub brak podkładek izolujących niechybnie doprowadzi do wielkiego zwarcia. W pliku
pdf z obwodem drukowanym, dostępny jest również wzór rozmieszczenia elementów na radiatorze. Przyklejamy
wzorzec na radiator i dokładnie, punktakiem, zaznaczamy miejsca na otwory. Trochę wiercenia i można przystąpić do montowania tranzystorów. Trochę pasty przewodzącej, podkładka mikowa, znowu pasta i przykręcamy.
Zamiast miki i pasty, można zastosować podkładki wykonane z silikonu. Daje to pewniejsze i czystsze połączenie,
jednak podkładki silikonowe są droższe. Tranzystor mocujemy śrubami M3. Nie wolno zapomnieć o specjalnej
podkładce izolacyjnej. Diody mocujemy w wcześniej wywiercone otworu, dodajemy pastę przewodzącą i unieruchamiamy odrobiną kleju. Ostatnią czynnością jest sprawdzenie czy zamontowane elementy nie mają zwarcia
do masy.
2.5.6. Uruchomienie wzmacniacza.
Następny etap, to test z zamontowanymi tranzystorami końcowymi.
1. Zmierzyć czy napięcia zasilające są prawidłowe.
17
Literatura
Rysunek 21. Radiator (bez zainstalowanych diód)
2. Pojemności w zasilaczu powinny być rozładowane, przed włożeniem bezpieczników F2-F5. Kondensatory
należy rozładować rezystorem 100 om/2W przez 30s.
3. Ustawić potencjometr P1 na maksymalną wartość rezystancji. Jeżeli posiadamy autotransformator, to możemy powoli zwiększać napięcie. Bez autotransformatora, zamiast bezpieczników F3,F5 lutujemy rezystory
Ω
. Najlepiej uruchamiać na raz jeden kanał.
100 0,25W
4. Bez podłączonego obciążenia, włączamy napięcie. 100Ω rezystor zacznie się dymić, jeżeli coś jest nie tak.
Na rezystorze powinien być spadek napięcia o wartości około 2,5V (25mA lub mniej). Należy wyłączyć
wzmacniacz i odczekać aż rezystory się rozładują.
2.5.7. Ustawienie prądu polaryzacji.
1. Wzmacniacz powinien być wyłączony, a kondensatory zasilacza rozładowane.
2. W miejsce bezpiecznika F2, podłączyć amperomierz.
3. Włączyć zasilanie, nie podłączać sygnału sterującego ani obciążenia. Potencjometrem P1, ustawiamy wartość
prądu na, pobieranego przez wzmacniacz na około 100mA. Należy zwrócić uwagę na to, czy regulujemy
potencjometrem od właśnie uruchamianego kanału.
4. Gdy wzmacniacz się rozgrzeje, wartość mierzonego prądu wzrośnie. Należy powtórzyć regulację. Po około
10 minutach, wzmacniacz powinien się ustabilizować i dryft temperaturowy zniknie.
5. Wyłączamy wzmacniacz. Po rozładowaniu się kondensatorów zasilających, należy zainstalować bezpiecznik
F2.
6. Następnie należy wyciągnąć bezpiecznik F3 i powtarzamy procedurę dla drugiego kanału.
7. Po skończeniu regulacji. Napięcie stałe mierzone między kolektorem a emiterem tranzystora Q7 powinno
wynosić 3,4V. Napięcie to można mierzyć bezpośrednio na metalowych obudowach tranzystorów Q12 i Q13.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
W. Marshall Leach, Jr.The Leach Amp http://users.ece.gatech.edu/ mleach/lowtim/
W. Marshall Leach, Jr.An Op Amp Tutorial http://users.ece.gatech.edu/ mleach/ece4435/tutorial.pdf
U. Tietze Ch. Schenk:Układy półprzewodnikowe, wyd. III, WNT, Warszawa 1997, ISBN 83-204-2123-3
Z. Nosal J. Baranowski:Układy elektorniczne - układy analogowe liniowe, wyd. III, WNT, Warszawa 1998, ISBN
83-204-2149-7
[5] P. Horowitz W. Hill:Sztuka elektroniki, wyd. III, WKiŁ, Warszawa 1996, ISBN 83-206-1128-8
[6] K. Antoszkiewicz Z. Nosal:Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych, wyd. I, WNT, Warszawa 1998
[7] Stefan Sękowski:Fotochemia domowa, wyd. II, WSiP, Warszawa 1990
3. Dodatki
3. Dodatki
3.1. Listing do programu SPICE
Aby ułatiwć analizę zamieszczonego schematu, podaję plik wejściowy do programu SPICE
Wzmacniacz Leach AMP
* schemat wzmacniacza i dokumentacja na:
* http://users.ece.gatech.edu/~mleach/lowtim/
* program do analizy dostepny pod: http://www.aimspice.com/
* plik stworzył: Rafał Weraksa [email protected]
* wejscie
R1 1 0 20k
R2 1 2 2k
C1 2 0 390pF
* wzmacniacz różnicowy
R3 2 3 300
R4 7 16 300
R5 2 4 300
R6 16 84 300
R7 80 6 300
R8 81 6 300
R9 11 82 300
R10 11 83 300
R11 10 9 1.2k
R12 13 15 1.2k
R13 10 8 2.2k
R14 14 15 2.2k
R15 8 11 12k
R16 6 14 12k
C2
C3
C4
C5
8 0 100nF
14 0 100nF
8 0 100uF
14 0 100uF
X13
X14
X15
X16
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
85 8 D1N5250/TEMP
0 85 D1N5250/TEMP
14 86 D1N5250/TEMP
86 0 D1N5250/TEMP
5 3 80 MPS8099
8 7 81 MPS8099
12 4 82 MPS8599
14 84 83 MPS8599
9 8 5 MPS8099
13 14 12 MPS8599
*sprzezenie zwrotne
R17 17 33 11k
*R17 17 33 110k
R18 17 16 11k
R19 16 18 1.1k
R20 19 37 22k
*C6A 18 180 330uF
*C6B 180 0 330uF
C6 18 0 220uF
C7 18 0 0.1uF
C8 17 0 180pF
C9 16 19 47pF
18
19
3. Dodatki
*wzmacniacz napięciowy, zabezpieczenia termiczne i pradowe
R21 10 20 30
R22 15 31 30
R23 87 20 360
R24 30 31 360
R25 21 22 1k
R26 26 27 1k
Rp1 27 28 2k
R27 28 29 1.2k
R28
R29
R30
R31
34
33
89
90
33 270
35 270
0 3.9k
0 3.9k
R32 44 10 82
R33 43 15 82
*kondensatory wpływające na charakterystykę częstotliwościową
C10 9 21 10pF
C11 29 13 10pF
C12
C13
C14
C15
C16
C17
C18
21
10
15
10
15
34
35
29 0.1uF
0 100uF
0 100uF
0 0.1uF
0 0.1uF
33 0.1uF
33 0.1uF
*czujnik
D1 22 23
D2 23 24
D3 24 25
D4 25 26
temperatury
D1n4004rl
D1n4004rl
D1n4004rl
D1n4004rl
D5 34 89 1N4148
D6 90 35 1N4148
D7 21 88 1N4148
D8 32 29 1N4148
D9 33 34 1N4148
D10 35 33 1N4148
Q7 21 27 29 MPS8099
Q8 9 20 10 MPS8599
Q9 13 31 15 MPS8099
Q10 88 34 33 MPS8099
Q11 32 35 33 MPS8599
Q12 21 9 87 Q2N5416
Q13 29 13 30 Q2N3439
* Stopień
R34 36 37
R35 37 38
R36 40 39
R37 34 41
R38 35 42
R39 34 45
R40 35 46
R41 91 40
R42 93 39
R43 92 40
R44 94 39
R45 41 33
końcowy
330
330
220
680
680
680
680
10
10
10
10
0.33
20
3. Dodatki
R46
R47
R48
R49
R50
33
45
46
33
47
42
33
33
47
48
0.33
0.33
0.33
10
10
RGND1 49 0
0.1
C19 45 34 10nF
C20 35 46 10nF
C21 44 0 100uF
C22 43 0 100uF
C23 44 0 0.1uF
C24 43 0 0.1uF
C25 48 49 0.1uF
L1 47 33 1nH
D11 47 44 D1n4004rl
D12 43 47 D1n4004rl
Q14
Q15
Q16
Q17
Q18
Q19
Q20
Q21
44
43
44
43
44
43
44
43
21
29
36
38
91
93
92
94
36
38
40
39
41
42
45
46
Q2N3439
Q2N5416
Qmje15030
Qmje15031
Qmj15003
Qmj15004
Qmj15003
Qmj15004
* zasilanie
Vcc+ 44 0 58V
Vcc- 0 43 58V
* wejscie\
*Rg 1 111 20k
Rg 1 111 0.1
*Vin 111 0 AC 1 DC 1 SIN(0 1 1k 0)
Vin 111 0 AC 1 DC 1 PULSE(0 1 0.5mS 0S 0S 0.25mS 1mS)
*obciążenie
Rl 47 49 8
******** Pomiary *************
*.plot tran V(16) V(9) V(13)
**************************************
*
Model Generated by MODPEX
*
*Copyright(c) Symmetry Design Systems*
*
All Rights Reserved
*
*
UNPUBLISHED LICENSED SOFTWARE
*
*
Contains Proprietary Information *
*
Which is The Property of
*
*
SYMMETRY OR ITS LICENSORS
*
*
Modeling services provided by
*
* Interface Technologies www.i-t.com *
**************************************
.MODEL Qmj15003 npn
+IS=1e-09 BF=226.431 NF=0.85 VAF=43.4348
+IKF=10 ISE=1e-08 NE=1.79698 BR=1.65466
+NR=1.5 VAR=434.348 IKR=4.42319 ISC=5.49997e-09
+NC=3.18751 RB=43.922 IRB=0.1 RBM=0.1
+RE=0.0001 RC=0.20765 XTB=0.746102 XTI=1
+EG=1.05 CJE=9.62276e-08 VJE=0.505131 MJE=0.650363
+TF=9.99972e-09 XTF=1.35733 VTF=0.996711 ITF=0.999802
3. Dodatki
+CJC=1.22855e-09 VJC=0.95 MJC=0.23 XCJC=0.803115
+FC=0.638728 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5
+TR=1e-07 PTF=0 KF=0 AF=1
* Model generated on Jan 15, 2004
* Model format: PSpice
.MODEL Qmj15004 pnp
+IS=1e-09 BF=226.431 NF=0.85 VAF=43.4348
+IKF=10 ISE=1e-08 NE=1.79698 BR=1.65466
+NR=1.5 VAR=434.348 IKR=4.42319 ISC=5.49997e-09
+NC=3.18751 RB=43.922 IRB=0.1 RBM=0.1
+RE=0.0001 RC=0.20765 XTB=0.746102 XTI=1
+EG=1.05 CJE=9.99946e-08 VJE=0.4 MJE=0.658304
+TF=9.99976e-09 XTF=1.3573 VTF=0.996475 ITF=0.99985
+CJC=1.22854e-09 VJC=0.95 MJC=0.23 XCJC=0.803124
+FC=0.761291 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5
+TR=1e-07 PTF=0 KF=0 AF=1
* Model generated on Jan 15, 2004
.MODEL Qmje15031 pnp
+IS=7.17489e-11 BF=457.169 NF=1.11376 VAF=6.01557
+IKF=0.345808 ISE=1e-08 NE=2.18567 BR=0.247882
+NR=1.39549 VAR=60.1557 IKR=0.0263893 ISC=1e-16
+NC=2.89486 RB=2.29208 IRB=0.0114006 RBM=0.000102795
+RE=0.00815557 RC=0.0407779 XTB=0.1 XTI=0.1
+EG=1.05 CJE=1.64037e-09 VJE=0.819491 MJE=0.537987
+TF=1.60991e-09 XTF=180.82 VTF=1.16561 ITF=6.50499
+CJC=4.82516e-10 VJC=0.4 MJC=0.374287 XCJC=0.786653
+FC=0.712788 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5
+TR=3.32795e-08 PTF=0 KF=0 AF=1
.MODEL Qmje15030 npn
+IS=3.894e-11 BF=312.524 NF=1.0979 VAF=9.9963
+IKF=0.796201 ISE=2.37397e-09 NE=1.94897 BR=0.14246
+NR=1.64791 VAR=99.9749 IKR=0.00539895 ISC=2.33175e-09
+NC=2.79024 RB=267.202 IRB=9.99994e-13 RBM=0.299835
+RE=3.04316e-05 RC=0.252928 XTB=0.1 XTI=3.92812
+EG=1.05 CJE=2.42998e-09 VJE=0.794171 MJE=0.569313
+TF=1.87986e-09 XTF=1000 VTF=1835.34 ITF=270.188
+CJC=2.43127e-10 VJC=0.4 MJC=0.361453 XCJC=0.802892
+FC=0.8 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5
+TR=9.86194e-06 PTF=0 KF=0 AF=1
.MODEL D1n4004rl d
+IS=5.31656e-08 RS=0.0392384 N=2 EG=0.6
+XTI=0.05 BV=400 IBV=5e-08 CJO=1e-11
+VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-09
+KF=0 AF=1
* Model generated on October 12, 2003
*dane z bipolar.lib i z diode.lib
.MODEL 1N4148 D(Is=0.1p Rs=16 CJO=2p Tt=12n Bv=100 Ibv=1nA)
*
IBV is usually set at 0.1pA but this declared to be ’incompatible’
*
by spice 3f4 so CDHW has increased it.
.model MPS8099 NPN(Is=4.872f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=100 Bf=9.599K Ne=1.315
+ Ise=14.65f Ikf=.1434 Xtb=1.5 Br=6.935 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=.7
+ Cjc=5.805p Mjc=.4312 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=10.49p Mje=.4602 Vje=.75
+ Tr=565p Tf=407p Itf=.18 Vtf=3 Xtf=2.5 Rb=10)
* National pid=18 case=TO92
* 88-09-07 bam creation
21
3. Dodatki
*
.model MPS8599 PNP(Is=10.68f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=100 Bf=187.7 Ne=1.401
+ Ise=26.07f Ikf=.2203 Xtb=1.5 Br=1.833 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=.8
+ Tr=358.6n Tf=591.1p Itf=1.5 Vtf=12 Xtf=50 Rb=10)
* Motorola pid=MPS8598 case=TO92
*
.model Q2N3439 NPN(Is=2.644p Xti=3 Eg=1.11 Vaf=100 Bf=1.557K Ne=1.305
+ Ise=5.292p Ikf=38.4m Xtb=1.5 Br=10.22 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=6
+ Tr=303.6n Tf=2.033n Itf=5 Vtf=10 Xtf=20 Rb=10)
* Motorola pid=2N3439 case=TO39
*
.model Q2N5416 PNP(Is=77.48f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=100 Bf=53.77 Ne=1.67 Ise=4.061p
+ Ikf=1.205 Xtb=1.5 Br=5.622 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1.3 Cjc=44.48p
+ Mjc=.4495 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=148.7p Mje=.4081 Vje=.75 Tr=617.4n
+ Tf=3.386n Itf=.5 Vtf=8 Xtf=40 Rb=10)
* Motorola pid=2N5415 case=TO39
*
*
* GENERIC FUNCTIONAL EQUIVALENT = 1N5250
* TYPE: DIODE
* SUBTYPE: VOLTAGE REG GP
* THIS IS A TEMPERATURE TRACKING MODEL WHICH WAS CONSTRUCTED
* FROM PRODUCT SPECIFICATION LIMITS AND PREVIOUSLY EXTRACTED MODELS.
* THE MODEL IS INTENDED FOR USE FROM -55 C TO 125 C. NO RADIATION EFFECTS
* ARE INCLUDED. SIMULATIONS USING THIS MODEL REPRESENT THE RESPONSES OF
* NOMINAL DEVICES AND SIMULATIONS ARE ACCURATE WITHIN THE LIMITS OF THE
* PRODUCT SPECIFICATION.
*
***CAUTION: THE SIMULATED TRR FOR THIS FAMILY OF DEVICES ARE OFTEN OFF BY
*
A FACTOR OF 2. THIS COULD POTENTIALLY LEAD TO ERRORS IN CIRCUIT.
*
SIMULATIONS IF USED IN HIGH SPEED SWITCHING APPLICATIONS.
*
.SUBCKT D1N5250/TEMP
1 3
D1 1 3 DFOR
D2 3 2 DBLOCK
D3 3 1 DLEAK
IC 1 2
0.98
* w zaleznosci czym sie poslugujesz raz tc a raz tc1 (roznica w symulatroach)
RC 2 1
20
TC1 = 8.18E-04
TC2 = -2.81E-08
*RC 2 1
20
TC =
8.18E-04 , -2.81E-08
*
.MODEL DBLOCK D(
+
IS = 1E-12
+
RS = 0
+
N = 0.6
+
TT = 0
+
CJO = 0
+
VJ = 1
+
M = .5
+
EG = .1
+
XTI = -3.86
+
KF = 0
+
AF = 1
+
FC = .5
22
3. Dodatki
+
BV = 9.9999E+13
+
IBV = .001
+ )
*
.MODEL DLEAK D(
+
IS = 1.000E-10
+
RS = 0
+
N = 120
+
TT = 0
+
CJO = 0
+
VJ = 1
+
M = .5
+
EG = 17.8281822
+
XTI = 711
+
KF = 0
+
AF = 1
+
FC = .5
+
BV = 9.9999E+13
+
IBV = .001
+ )
*
.MODEL DFOR D(
+
IS = 1E-14
+
RS = .5
+
N = 1
+
TT = 3.5E-7
+
CJO = 1E-10
+
VJ = .6
+
M = .34
+
EG = 1.11
+
XTI = 3
+
KF = 0
+
AF = 1
+
FC = .5
+
BV = 9.9999E+13
+
IBV = .001
+ )
.ENDS
*
\[ options \]
0
[ac] 2 1000 0.1 1000meg
[pz]0 0 1 0 47 0
[tran]0.05us 4ms 0 0.1us 0
[tf] 47 Vin
[ana]4 101 11 1 -5 252v(1)v(47)
[end]
}
23

Budowa wzmacniacza Leach Amp

Transkrypt

Podobne dokumenty

Wzmacniacz 2x25W

Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa tranzystorowego

QBA AmpliQ2 A.O..indd

Wzmacniacz mocy 2x100W

Tascam GA30 CD

Wykad nr 10

s.IV- rok akademicki 2010/2011 1. Zasada działan

BA-110 - Music Info

Instrukcja Wzmacniacz Mocy 21