Zbudować lampowy wzmacniacz mocy, bez transformatora wyjściowego (OTL, Output Transformer Less ) nie jest łatwo. Lampy mają dużą impedancję wewnętrzną, niski prąd anodowy i muszą być zasilane wysokim napięciem. Współczesne głośniki natomiast wymagają dużego prądu przy stosunkowo niewielkim napięciu, no i mają niską a nawet bardzo niską (np. 2 omy) impedancję.
Wszystko to tworzy rozbieżność trudną do pokonania. Owszem, budowane są lampowe wzmacniacze mocy bez transformatora wyjściowego, gdzie łączy się równolegle ze sobą nawet kilka lamp o stosunkowo niskiej impedancji i dużym prądzie anodowym, ale okupione jest to dużym kompromisem, i często rachunek zysków jest mniejszy niż straty i trudności w budowie, a przede wszystkim w eksploatacji takiego wzmacniacza.

Łatwiej jest zbudować słuchawkowy wzmacniacz lampowy OTL, bo impedancja słuchawek jest większa niż kolumny głośnikowej, (nawet 300 czy 600 omów) a moc potrzebna do zasilania słuchawek jest niewielka, w porównaniu do tej, która jest potrzebna do zasilania kolumn głośnikowych.

Pozwala to na zbudowanie poprawnie brzmiącego wzmacniacza lampowego bez dużych i drogich transformatorów głośnikowych.

W założeniach, wzmacniacz ma pracować w czystej klasie A w układzie SE (czyli Single Ended), bez transformatorów wyjściowych. Ma być bardzo prosty i składać się tylko z dwóch stopni zbudowanych na triodach – przedwzmacniacza i wzmacniacza mocy.

I taki pozostał, mimo że schematy wydają się bardziej złożone.

Budowałem kilka próbnych układów, różniących się nieco rozwiązaniami konstrukcyjnymi, ale ostatecznie stanęło na dwóch wersjach różniących się tylko przedwzmacniaczem.

Zobaczmy na schemat pierwszej, mniej złożonej wersji wzmacniacza (jeden kanał).

Wzmacniacz składa się z dwóch stopni: pierwszy, wzmacniający, zbudowany na połówce triody L1. Drugi stopień, to wzmacniacz mocy. Dwie triody lampy L2 połączone równolegle pracują w układzie wtórnika.

W tym wzmacniaczu triody pracują w dwóch podstawowych układach: ze wspólną katodą w przedwzmacniaczu i ze wspólną anodą we wzmacniaczu mocy.
Układ ze wspólną katodą jest podstawowym układem wzmacniającym triody, tetrody czy pentody. W urządzeniach półprzewodnikowych odpowiada mu układ ze wspólnym emiterem.

Charakteryzuje się dużym wzmocnieniem napięciowym, dużą impedancją wejściową, natomiast ma mniejszą impedancję wyjściową.

Jeżeli obciążeniem anody lampy małej mocy jest rezystor, to układ ma zastosowanie w stopniu wejściowym i ew. kolejnym, w przedwzmacniaczach i wzmacniaczach.

Gdy zastosujemy lampę mocy i zamiast rezystorem, obciążymy anodę lampy uzwojeniem pierwotnym transformatora głośnikowego, otrzymamy wzmacniacz mocy, którym możemy zasilać głośniki.

Jak to działa?
Na rysunku przedstawiony jest układ wzmacniacza triodowego zwanego oporowym, ponieważ obciążeniem anody jest rezystor R3.
Dla zapewnienia poprawnej pracy wzmacniacza siatka sterująca powinna być spolaryzowana ujemnym napięciem stałym. Od wartości tego napięcia (przy niezmiennym napięciu anodowym) będzie zależeć jaki prąd będzie płynął przez lampę.
W tym układzie polaryzację otrzymuje się automatycznie, dzięki spadkowi napięcia na rezystorze katodowym R2. Im niższa wartość tego rezystora, tym spadek napięcia na nim jest mniejszy, czyli mniejsze jest napięcie ujemne na siatce, względem katody lampy. Napięcie to „przenoszone” jest na siatkę przez rezystory R1 i Rx. Rezystor R1 o dużym oporze służy do „przenoszenia” ujemnego potencjału na siatkę, natomiast rola rezystora Rx jest pomocnicza, zapobiega bowiem wzbudzaniu się układu. Nie zawsze jest stosowany.

Wartość prądu anodowego zależy nie tylko od napięcia na siatce, ale także od napięcia anodowego oraz od wartości rezystancji obciążenia anody (R3).

Przez wzmacniacz pracujący w klasie A zawsze, o ile tylko wzmacniacz jest włączony, płynie prąd anodowy, zwany prądem podkładu (bias). To jest właśnie cecha klasy A wzmacniaczy czy to lampowych czy tranzystorowych.
Klasa A charakteryzuje się niską sprawnością, rzadko przekracza 20%.
Sygnał małej częstotliwości podany na wejście We, przez potencjometr P dociera do siatki lampy modulując ujemne napięcie siatki i tym samym zmienia się prąd anodowy. Na rezystorze obciążeniowym R3 otrzymujemy wzmocniony, modulowany sygnał. Sygnał na wyjściu wzmacniacza (na anodzie) jest przesunięty w fazie o 180⁰ w stosunku do sygnału wejściowego.

Sterowanie siatkowe jest sterowaniem napięciowym, dlatego w obwodzie siatki sterującej nie płynie prąd sygnału małej częstotliwości, obwód siatkowy praktycznie nie pobiera mocy.

Wzmacniacz mocy - układ ze wspólną anodą (wtórnik katodowy)

Układ ze wspólną anodą nazywany jest też wtórnikiem katodowym.

W urządzeniach półprzewodnikowych odpowiada mu układ ze wspólnym kolektorem (wtórnik emiterowy).
Jako wzmacniacz mocy zastosowałem dwie triody połączone równolegle, w układzie ze wspólną anodą

Impedancja wejściowa wtórnika jest duża, praktycznie równa R4, natomiast impedancja wyjściowa jest bardzo mała i wynosi w przybliżeniu: Rwy = 1/Sa, gdzie Sa to nachylenie charakterystyki lampy (podawane w katalogu lampy).

Współczynnik wzmocnienia napięciowego wtórnika jest nieco mniejszy od jedności, natomiast współczynnik wzmocnienia prądowego jest bardzo duży. Wtórnik katodowy stanowi jak gdyby transformator impedancji z wysokiej na niską.

Układ wtórnika ma bardzo szerokie pasmo przenoszenia, wadą natomiast jest pewna niesymetria wzmocnienia ujemnego impulsu sygnału.

Ze względu na swoje właściwości wtórnik katodowy znalazł zastosowanie jako wzmacniacz wstępny, separator (bufor) i wzmacniacz mocy.
Faza sygnału wyjściowego jest zgodna z fazą sygnału wejściowego.

W tym układzie sygnał z anody lampy poprzedniego stopnia, przez kondensator C1 podawany jest na siatki połączonych równolegle lamp L2 i po wzmocnieniu prądowym, przez kondensatory C2, C3 podawany jest na wyjście słuchawkowe Wy.

Rezystory R5 i R6, służą do ustalania punktu pracy wtórnika (napięcia polaryzacji siatki i prądu anodowego).

Rezystory Rx pełnią taką samą rolę jak w poprzednim układzie – zapobiegają wzbudzaniu się układu.

Dla obniżenia impedancji wyjściowej i zwiększenia mocy, zostały połączone równolegle dwie triody. Impedancja wyjścia będzie więc o połowę niższa.

W przedwzmacniaczu zastosowałem popularną triodę małej mocy E88CC. Jej odpowiedniki to: ECC88, 6922, rosyjska 6N23P, amerykańska 6DJ8.

Lampa ta może być zasilana stosunkowo niskim napięciem anodowym – typowe to 90 V, ma średnie wzmocnienie 33 i dość duże nachylenie charakterystyki – 12,5 mA/V.

We wzmacniaczach OTL zależy nam na jak najniższej impedancji wyjścia wzmacniacza, stąd jako lamp wyjściowych warto użyć triod (mają niższą impedancję wewnętrzną niż pentody) o dużym nachyleniu charakterystyki Sa.

Przeglądając karty katalogowe różnych lamp, zauważycie, że różnią się one wieloma parametrami – dopuszczalną mocą,, prądem anodowym, wzmocnieniem i nachyleniem charakterystyki, właśnie. Inne nazwy to: transkonduktancja, mutual conduktance

Ponieważ będzie to wzmacniacz słuchawkowy, dedykowany do słuchawek o mniejszej mocy – 100 mW, o większej impedancji, przynajmniej 60 omów (zalecana 100 omów lub więcej), więc wybór lamp był stosunkowo łatwy.

Wybrałem rosyjską (a właściwie radziecką) lampę średniej mocy (5W) zasilaną niskim napięciem (120V) - 6N6P. Lampa ta, przy prądzie anodowym ok 30 mA (każda trioda), ma nachylenie charakterystyki, Sa = ok. 11 mA/V, czyli rezystancja wyjściowa pojedynczej triody 6N6P wynosi ok. 90 omów.
Ma jeszcze jedną zaletę – można ją jeszcze kupić stosunkowo tanio. Zbliżone odpowiedniki tej lampy to E182CC, 7119, 5687, mają jednak inne wyprowadzenia elektrod.

Bardzo dobrą lampą jest też radziecka 6N30P (odpowiednik to 6N30) lecz jest ona dużo droższa. Ma większe nachylenie charakterystyki – 18 mA/V - więc impedancja wyjściowa byłaby dużo niższa, co oczywiście jest bardzo pożądane. Świetne byłyby też E182CC (i jej odpowiednik – 7119), mimo że ich pierwotnym przeznaczeniem była praca w komputerach (tak, były takie komputery), są chętnie stosowane w urządzeniach audio. Nachylenie charakterystyki tych lamp to 15 mA/V.

Na rysunku przedstawiony jest schemat wewnętrzny podwójnej triody. Wyprowadzenie elektrod – jak u lampy widzianej od dołu (od cokołu).

Tak E88CC jak i 6N6P mają identyczny rozkład wyprowadzeń.

Inne typy lamp mogą mieć inny układ wyprowadzeń, trzeba sprawdzić w katalogu.

 Konstrukcja wzmacniacza.

Ponieważ wzmacniacz słuchawkowy nie wymaga dużego wzmocnienia, przyjąłem, że będzie się składał z dwóch stopni – przedwzmacniacza i stopnia mocy.

Wzmacniacz mocy pracuje w układzie wtórnika (wspólnej anody). W takim układzie impedancja (zmierzona ) wynosi 42 - 46 omów, co jest bardzo dobrym wynikiem jak na lampy. Pozwala to na wysterowanie słuchawek np. 60-omowych, ale ze słuchawkami 32–omowymi wzmacniacz radzi sobie nieco gorzej (nie polecam).

Po wielu próbach i eksperymentach, gdzie badałem różne układy przedwzmacniaczy (wspólna katoda, aktywne obciążenie), oraz odmiany wtórnika, stanęło na dwóch wersjach wzmacniacza.

Jedna, prostsza, druga bardziej rozbudowana.

Schemat podałem na początku, zobacz więc powyżej.

Składa się tylko z 3 lamp - jednej E88CC, pracującej w przedwzmacniaczu, gdzie każda z dwóch triod znajdujących się w bańce lampy wzmacniają sygnał z jednym kanale wzmacniacza – oraz po jednej na kanał podwójnych triod 6N6P połączonych równolegle w układzie wtórnika.

Układ tej jest prosty i daje zaskakująco dobry dźwięk. Tylko trzy lampy – dwie podwójne triody wzmacniacza mocy, natomiast jedna podwójna trioda (ECC88), wspólna dla obu kanałów, pracuje w przedwzmacniaczu.

Kondensatory C4, C5 oraz rezystor R8 tworzą filtr odsprzęgający zasilanie lampy L1.

Układ zasilania też jest dość prosty. Wszystkie lampy żarzone są napięciem zmiennym, 6.3V. Napięcie wyjściowe z transformatora, 150-160V po wyprostowaniu (mostek M1) podnosi się ok. 1.4 razy. Napięcie to wstępnie filtrowane jest za pomocą filtra CRC składającego się z rezystora R101, oraz kondensatorów C101...C103.

Ponieważ układy SE wymagają bardzo dobrze odfiltrowanego napięcia anodowego, zastosowałem dodatkowo prosty filtr zbudowany na na tranzystorze MOSFET T1.

Filtr jest bardzo skuteczny, tętnienia sieciowe zmniejszają się kilkakrotnie. Diody Zenera Dz1 i Dz2 nie pełnią roli jakiegoś precyzyjnego stabilizatora napięcia, ale powodują, że napięcie wyjściowe będzie utrzymywane w mniej więcej stałym zakresie o ok. 4 V niższym niż suma napięć diod Zenera. Zastosowałem dwie diody połączone szeregowo, by można było łatwiej dobrać żądane napięcie.

Dioda Zenera Dz3 o napięciu 15V zapobiega uszkodzeniu bramki G tranzystora w przypadku, gdyby różnica napięć pomiędzy bramką G a źródłem S była większa niż 15V.

Lampy powinny być żarzone napięciem przemiennym 6,3V, z tolerancją +/- 5%. Napięcie to, dla zmniejszenia przenikania zakłóceń do do lampy, jest symetryzowane względem masy za pomocą rezystorów o jednakowej wartości – R107, R108.

Dioda LED sygnalizuje pracę wzmacniacza. Jasność świecenia reguluje się za pomocą rezystora R 106 (1-2k).

Do tej wersji nie podaję wzoru płytek drukowanych. Jako zasilacza można użyć tego z wersji II, a sam wzmacniacz zmontować na chassis, metodą przestrzenną (na tzw. pająku).

Po sprawdzeniu wersji I wzmacniacza, postanowiłem zbudować wersję bardziej rozbudowaną, gdzie w jednym kanale pracowałaby samodzielnie lampy, tak w przedwzmacniaczu jak i wzmacniaczu mocy.

Wzmacniacz mocy nie zmienia się, nadal jest to układ dwóch triod połączonych równolegle, jednak uległ pewnej modyfikacji.

Zobaczmy na schemat.

W przedwzmacniaczu pracuje jedna trioda w układzie wspólnej katody, która odpowiedzialna jest za wzmocnienie, jak w wersji I. W bańce lampy są dwie triody, więc drugą z triod połączyłem z lampami mocy w dość nietypowym układzie wtórnika posobnego. Lampy we wtórniku są sprzężone bezpośrednio, bez kondensatora międzystopniowego, co oczywiście jest korzystne. Każdy kondensator w torze sygnałowym powoduje pewne przesunięcia fazowe sygnału, tak że zbyt wiele kondensatorów może nawet zamienić wzmacniacz w generator.

Czy to coś dało? Tak, przede wszystkim wyrównało i znacznie poszerzyło się pasmo przenoszenia.

Zasilanie wersji II

Zasilacz jest bardziej skomplikowany.

Zobaczmy na schemat.

Do zasilania żarzenia lamp użyłem tak napięcia 6,3V stałego jak i zmiennego.

Lampy mocy żarzone są napięciem zmiennym, natomiast lampy przedwzmacniacza żarzone są napięciem stałym, z oddzielnego zasilacza.

Napięcie anodowe po wyprostowaniu wygładzane jest jak w wersji I za pomocą filtra CRC oraz filtra zbudowanego na tranzystorze T1. Ta część zasilacza nie różni się od poprzedniej. Natomiast rozbudowałem zasilacz o trzy dodatkowe układy.

Układ pierwszy, to przekaźnikowy włącznik zasilania transformatora głównego. Nie chciałem prowadzić do wyłącznika głównego W2, przez całą długość obudowy wysokiego napięcia sieciowego 230V, więc za pomocą prostego układu składającego się z małego, 2-watowego transformatorka 12V, przekaźnika, oraz kilku elementów RC, włączane jest zasilanie transformatora głównego Tr2.

Wyłącznikiem W2, który znajduje się na panelu przednim obudowy wzmacniacza, włączamy zasilanie cewki przekaźnika Pk1, który z kolei włącza do sieci główny transformator zasilający - TR2.

Układ drugi, to prostownik napięcia żarzenia, którym to napięciem +/- 6.3V zasilane są lampy przedwzmacniacza. Jednocześnie wyprostowane napięcie służy do zasilania wentylatora chłodzącego wnętrze wzmacniacza i zasila kolejny, trzeci, układ zbudowany na tranzystorze T2 i przekaźniku Pk2. Jest to układ opóźniający włączanie napięcia anodowego zasilającego lampy wzmacniacza.

Trzeci układ, opóźniający, pozwala na włączenia napięcia anodowego dopiero wtedy gdy lampy są rozgrzane, co korzystnie wpływa na ich trwałość.

Układ jest banalnie prosty: przez rezystor R106 o dużej wartości (600-80k) ładowany jest kondensator C110. W miarę naładowania się C112, tranzystor T2 MOSFET zaczyna się otwierać i przekaźnik Pk2, włącza napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora Tr2, które po wyprostowaniu i odfiltrowaniu, zasila anody lamp.

Dioda Dg gasi impuls samoindukcji jaki pojawia się na cewce przekaźnika.

Diody DL1 i DL2 sygnalizują pracę układu, dioda DL1 gaśnie po załączeniu przekaźnika.

Układ jest bardzo prosty, ale prostota okupiona jest pewną wadą: powolne ładowanie kondensatora C110 powoduje, że tranzystor nie otwiera się skokowo, co powoduje iż przekaźnik załącza się powoli. Ale ponieważ układ działa niezawodnie więc na razie nie widzę potrzeby jego komplikowania.

Można oczywiście zbudować układ opóźniania np. na układzie scalonym 555, czy na tranzystorach bipolarnych.

Także opóźnianie załączania napięcia anodowego może być realizowane najprostszą z możliwych metodą, tj, za pomocą ręcznego włączania dodatkowym wyłącznikiem umieszczonym w obwodzie napięcia anodowego transformatora, TR2.

Wzmacniacz lampowy wytwarza wiele ciepła – żarzenie lamp, rezystory mocy w katodach lamp mocy, zasilacz anodowy grzeją się niemiłosiernie. W dość ciasnej obudowie cyrkulacja powietrza jest słaba, mimo wielu otworów wentylacyjnych. 
Po kilkudziesięciu minutach temperatura powietrza dochodziła do 60^o C. Do wnętrza obudowy włożyłem wentylator komputerowy, który znacznie poprawił sytuację, bowiem temperatura spadła o ponad 10^o C.

By wentylator nie szumiał głośno, zasilany jest obniżonym napięciem, ok. 7V, co wprawdzie obniża hałas, ale z kolei zmniejsza wydajność chłodzenia. 
No, ale coś, za coś.

Płytka wzmacniacza wraz z zasilaczem. Do pobrania rysunki płytki  w  pdf: - wersja szara (rysunek płytki z elementami) - wersja czarna (wydruk do termotransferu) Należy używać tylko i wyłącznie oryginalnego tonera w drukarce laserowej, bowiem wszelkie zamienniki dają mniej lub bardziej szary wydruk ścieżek na papierze do termotransferu. Jest to wersja płytki dostosowana do konkretnej obudowy. Umieszczenie elementów, prowadzenie masy i ścieżek może być inne, być może lepsze, dlatego warto szukać własnych rozwiązań.

Układ opóźnionego startu znajduje się na oddzielnej płytce.  Na niej znajdują się moduły: włączania wzmacniacza, prostownik napięcia żarzenia oraz opóźniacz napięcia anodowego.

Żarzenie napięciem stałym i przemiennym.

 

Napięcie stałe, 6,3V używane jest do zasilania żarzenia lamp przedwzmacniacza, co zmniejsza przenikanie zakłóceń od żarnika do katody. Wprawdzie wzmacniacz ma małe wzmocnienie i spokojnie można lampy zasilać napięciem przemiennym, ale skoro już napięcie stałe 6,3V mamy, to warto go wykorzystać. Jak pamiętamy, napięcie sinusoidalne po wyprostowaniu podnosi się ok. 1.4x, co dało po wyprostowaniu 7.1-7.2V napięcia stałego. Jest to napięcie zbyt wysokie do żarzenia lamp. więc zredukowałem je za pomocą diody DS. W tym przypadku użyłem diody Schottky,ego, ponieważ zastosowanie „zwykłej” diody prostowniczej redukowało napięcie do ok 5.9V. Diody Schottky,ego mają niższy spadek napięcia w kierunku przewodzenia (0,3-0,4V) niż diody prostownicze (0,6-0,7V). Można użyć rezystora redukcyjnego o małej wartości, dobranego doświadczalnie (ok. 0.5 oma/1W).

Napięcie +/-6.3V użyte do żarzenia lamp przedwzmacniacza, jest symetryzowane względem masy za pomocą rezystorów R109, R110.

Rezystory znajdują się na płytce drukowanej, w pobliżu lamp L1, L1A.
Ponieważ w układzie pojawiają się szpilki napięcia, rezystory te zostały zbocznikowane kondensatorami elektrolitycznymi C113, C114 o niewielkiej pojemności.

Zwróć uwagę, iż kondensator C114 jest wlutowany na płytce plusem do masy.

Lampy mocy żarzone są napięciem przemiennym 6,3V które jest symetryzowane do masy za pomocą rezystorów R111, R112. Symetryzacja powoduje, iż zakłócenia wytwarzane przez przepływający prąd w żarniku znoszą się wzajemnie.

Rezystory te także znajdują się na płytce głównej, w pobliżu lamp L2, L2A.

 

 Transformator sieciowy

Zamówiłem transformator toroidalny z ekranem, który zmniejsza pole rozproszenia wokół transformatora, oraz zalewanym środkiem rdzenia, co usztywnia zwoje i zmniejsza brzęczenie. Ekran ma wyprowadzenie, które dołączyłem do masy.

Transformator zasilający TR2 ma moc 100VA, (chociaż 60-80VA by wystarczyło) a uzwojenia wtórne 6,3 V/4A i 150V/0,5A.

Poprosiłem by uzwojenia były nawinięte nieco grubszym drutem, tak, by transformator nie grzał się zbytnio podczas pracy, bowiem przez żarniki przepływa spory prąd potrzebny do podgrzania katod, a wzmacniacz pracując w klasie A, także pobiera cały czas prąd, czy sygnał podawany jest na wejście czy nie.

 

Obudowa

Wymiary wewnątrz - 295x185x84 mm. Tym wymiarom zostało przyporządkowane rozłożenie elementów wewnątrz obudowy i wymiary płytek drukowanych.

Obudowa wydaje się wystarczająco obszerna dla wzmacniacza słuchawkowego, ale gdy uwzględnimy też inne elementy jak gniazda zasilające i wyjściowe, wyłączniki, potencjometr i zajmujący dużo miejsca transformator zasilający, to okazuje się, że miejsca nie zostaje tak wiele.

W wersji II wzmacniacza, płytka zajmuje znaczną część wolnej przestrzeni, do tego zasłania część otworów wentylacyjnych w dolnej części obudowy. Duża ilość elementów wydzielających ciepło powodowało, że wewnątrz obudowy po kilkudziesięciu minutach pracy wzmacniacza temperatura powietrza była wysoka. Sytuację poprawiło zainstalowanie wewnątrz, wentylatora komputerowego. Temperatura spadła o kilka stopni i utrzymuje się poniżej 50^o C.

 

 

Płytki drukowane

W wersji II, kompletny wzmacniacz został zbudowany na dwóch płytkach – głównej, o wymiarach 115x185 mm, na której znajduje się wzmacniacz wraz z zasilaczem anodowym, oraz oddzielnej płytki na której znajdują się moduły: włączania wzmacniacza, prostownik napięcia żarzenia oraz opóźniacz napięcia anodowego.

Ta płytka ma niewielkie wymiary, 85x70 mm, ponieważ została umieszczona pionowo, z boku obudowy wzmacniacza, w pobliżu transformatora zasilającego.

Zbudowałem też kolejną wersję, powiedzmy „II-bis” o identycznym schemacie, lecz kanały rozdzieliłem tak, że wzmacniacz składa się z dwóch oddzielnych płytek, po jednej na kanał. Na płytce znajduje się wzmacniacz i zasilacz anodowy, oddzielny dla każdego kanału. Płytki mają wymiar 175x70 i umieściłem je pionowo, przy bokach obudowy wzmacniacza. Poprawiło to znacznie chłodzenie elementów wzmacniacza. Dla pewności mocowania lamp zastosowałem specjalne podstawki ze sprężynkami dodatkowo dociskającymi lampy do podstawek.

Płytki przymocowałem pionowo, z boku obudowy. Otwory wentylacyjne są odsłonięte, a opływ powietrza wokół grzejących się elementów jest znacznie szybsze i chłodzenie bardziej skuteczne. Teraz po godzinie pracy wzmacniacza, przy niewielkiej pomocy wentylatora, temperatura powietrza wewnątrz nie przekracza 40^o C. Oczywiście, przy założeniu, że nie ma upalnego lata i w pomieszczeniu nie ma 30^oC

Pomiary wzmacniaczy

Pomiary wykonałem oscyloskopem i generatorem.

Wersja I – pasmo przenoszenia wynosi (-3 dB) 15 Hz – 42 kHz.

Pierwsze spadki amplitudy sygnału wyjściowego zaczynają się już od 12 kHz-15 kHz.

Jak widać pasmo przenoszenia jest wystarczające, ale nie powalające.

Prawdopodobną przyczyną jest dość duża pojemność wejściowa wzmacniacza mocy – dwie triody połączone równolegle mają dość dużą pojemność wejściową, co powoduje tłumienie wysokich częstotliwości sygnału.

Lepsze parametry ma wzmacniacz w wersji II.

Dołożenie pośredniego stopnia (bufora) pomiędzy triodę wzmacniającą a końcówkę mocy, jakim jest trioda L2 pracująca w układzie wtórnika, poprawiło pracę wzmacniacza.

Obecnie pasmo przenoszenia wynosi 15 Hz (-3 dB) – 220 kHz (-1 dB) przy obciążeniu 60 omów.

Impedancja wyjściowa wzmacniacza

Ponieważ we wszystkich wersjach końcówka mocy nie zmieniła się, impedancja wyjściowa jest mniej więcej jednakowa i wynosi 41-46 omów, w zależności od lampy. Jak poprzednio wspominałem, impedancja wyjściowa wtórnika zależy od nachylenia charakterystyki lampy i wynosi Rwy=1/Sa (dla jednej lampy).

Ponieważ lampy mają pewien rozrzut charakterystyki i do tego nachylenie zależy od punktu pracy lampy, więc i impedancja może się różnić od obliczonej teoretycznie.

Jak zmierzyć impedancję wzmacniacza?

Bardzo prosto – albo za pomocą generatora i oscyloskopu, albo za pomocą multimetru (woltomierza).

Na wejście wzmacniacza podajemy sygnał sinusoidalny o częstotliwości np. 1 kHz z generatora. W Internecie znajdziesz darmowe programy do generowania na komputerze sygnałów różnej częstotliwości.
Potencjometr podkręcamy tak, by sygnał nie był jeszcze przesterowany.

Oscyloskopem mierzymy amplitudę sygnału na wyjściu wzmacniacza nie obciążonego. Następnie, wyjście wzmacniacza obciążamy rezystorem o rezystancji zbliżonej do głośników lub słuchawek (tutaj np. 60 omów).

Mierzymy amplitudę wzmacniacza obciążonego.

Impedancję obliczamy ze wzoru:

Zwy= (V1-V2/V2) *Ro

gdzie V1 to amplituda bez obciążenia, V2 – amplituda po obciążeniu, Ro – rezystancja obciążenia.

Podobnie postępujemy przy pomiarach za pomocą multimetru, z tym, że sygnał sinusoidalny powinien mieć częstotliwość nie większą niż taka. którą jest w stanie odczytać multimetr. Zwykle ta częstotliwość podana jest przez producenta multimetru (tańsze, np. tylko 100 Hz).

Tą metodą można mierzyć także impedancję przedwzmacniaczy, stosując rezystor obciążenia o odpowiednio większej wartości (np. 50 k).

Wersja II-bis wzmacniacza.

 

Schemat jest taki sam jak w wersji II, lecz dla każdego kanału jest oddzielna płytka z zasilaczem anodowym i lampami. Do prawej i lewej ścianki wzmacniacza przymocowane są pionowo płytki wzmacniacza, lampy pracują w pozycji poziomej. Podstawki lamp mają sprężynki, które dociskają lampy do podstawek. Wewnątrz obudowy jest więcej wolnej przestrzeni, poprawiło to obieg powietrza we wzmacniaczu, temperatura wewnątrz obudowy, nawet po dłuższej  pracy nie przekracza 40o C. Ponieważ kanały wzmacniacza są na oddzielnych płytkach, poprzez przewody wejściowe, interkonekty i odtwarzacz powstaje pętla masy, w której generuje się brum słyszalny w słuchawkach. Należy więc połączyć masy obu płytek, grubym przewodem (o niskiej rezystancji),  w okolicach wejścia sygnału na płytkach. Na zdjęciu obok (z prawej strony obudowy), widać jasnobrązowy przewód o przekroju 2.5 mm2 łączący obie płytki  . Miejsce połączenia trzeba dobrać doświadczalnie. Tutaj, przy takim połączeniu nie słychać brumu w słuchawkach. Widoczna na zdjęciu, (poniżej transformatora) jasnozielona listwa zaciskowa ukrywa zamontowaną pionowo małą płytkę drukowaną układu opóźnionego startu zasilania.

 

Lista elementów

Wzmacniacz C1, C1A - 220nF/250V – 2 szt, C2, C2A – 1000uF/100-160V – 2 szt, C3, C3A – 1uF/100-160V – 2 szt, C4, C4A – 100nF/250V – 2 szt, C5,C5A – 100uF/250V - 2sz, R1, R1A – 470k, R2, R2A – 200-240R, R3, R3A – 8-10k, R4, R4A – 470k, R5, R5A – 470R/5-7W, R6, R6A – 68-82R/1-3W, R7, R7A – 1-2k, R8, R8A – 5k/1W, R9, R9A – 220-240R, Rx – z przedziału 500-1000R, ale dobrać jednakowe w obu kanałach Zasilacz C101 – 220-330uF/250V – 1 szt, C102 – 220-330uF/250V – 1 szt, C103 – 100nF/250V – 1 szt, C104 – 10-47nF/250V – 1 szt C105 – 10-22uF/250V – 1 szt., C106, C106A – 100nF/250V – 2 szt, C107, C107A – 100uF/250V – 2 szt,

C108, C109 – 1000uF/16V – 2 szt, C110. C111 – 4700uF/16V – 2 szt, C112 – 470uF/16V – 1 szt, C113, C114 – 10-22uF/16V – 2 szt, R101 – 330-470R – 5-10W – 1szt, R102, R105 -220-250k, 0.5-1W – 1 szt, R103 – 50-70k – 1 szt, R104 – 100-500R – 1 szt, R106 – 600-800k, dobrać – 1 szt, R107, R108 – 1-3k dobrać – 2 szt, R109, R110 – 120-150R, jednakowe – 2 szt, R111, R112 – 100R, jednakowe – 2 szt T1 – dowolny MOSFET na napięcie min. 400V – 1 szt, T2 – dowolny MOSFET, na dowolne napięcie – 1 szt, D1, D2 – dioda prostownicza 1A/400-1000V – 2 szt, Dg – dioda prostownicza 1A/800-1000V – 2 szt, Dz3 – dioda Zenera 12-15V – 1 szt, D1, D2 – diody Zenera, suma ich napięć ok. 150V – 1-2 szt, Dl1, Dl2 – dowolna dioda LED – 2 szt, Ds – dioda Schottky'ego 3A, lub rezystor ok. 0.5 oma Pk1, Pk2 – przekaźnik na napięcie 5-6V, wymiary 10x30mm – 2 szt, (tutaj Relpol) Tr1 – transformator 2-3VA/9-12V, do druku – 1 szt, TR2 – transformator sieciowy 60-80VA -230V/ 150V/0,5A, 6,3V/4A- 1 szt, Złącza śrubowe CON, do druku - 27 punktów zaciskowych, WENT - wentylator komputerowy – opcjonalnie – 1 szt, W1 – wyłącznik 1A/250V – 1 szt, W2 – wyłącznik dowolny – 1 szt,

Pomierzyłem ten wzmacniacz oscyloskopem, sygnałem prostokątnym i sinusoidalnym. Obciążyłem też wyjście wzmacniacza kondensatorem o pojemności 1 uF w celu sprawdzenia wrażliwości wzmacniacza na obciążenie pojemnością. Wiele wzmacniaczy jest wrażliwe na takie obciążenie i często pojawiają się w sygnale wyjściowym oscylacje widoczne na oscylogramie.
Niekorzystne pojemności na wyjściu głośnikowym/słuchawkowym wzmacniaczy wnoszą głośniki oraz długie kable głośnikowe, szczególnie ekranowane.

Sygnał prostokątny pozwala szybko ocenić kondycję wzmacniacza i ew. niektóre zniekształcenia, natomiast sygnałem sinusoidalnym mierzy się pasmo przenoszenia wzmacniacza i liniowość charakterystyki.

Pomiary pasma przenoszenia dokonuje się mierząc amplitudę sygnału na ekranie oscyloskopu od najniższych do najwyższych częstotliwości, z tym że na skrajach pasma spadek amplitudy ma być nie większy niż 3 dB.

Pomiar ogólnej kondycji wzmacniacza sygnałem prostokątnym 1 kHz
Sygnał prostokątny 1 kHz. Czysty prostokąt, bez załamań czy oscylacji. Te postrzępione linie poziome to szumy oscyloskopu i wzmacniacza.	Sygnał prostokątny 1 kHz. Wzmacniacz obciążony pojemnością 1 uF. Zaokrąglenia sygnału świadczą o wrażliwości na obciążenie pojemnością. Jednak nie należy tym się przejmować zbytnio, bowiem kabel i słuchawki nie wnoszą tak dużej pojemności, a jeśli już, to jest ona rzędu nanofaradów. Brak jakichkolwiek oscylacji dobrze świadczy o stabilności wzmacniacza.
Sygnał prostokątny 20 Hz. Niewielki zwis (przy tak niskiej częstotliwości) wskazuje na dobrą pracę wzmacniacza na niskich częstotliwościach. Ukośne linie są w zasadzie proste (nie ugięte) co świadczy o minimalnych przesunięciach fazowych sygnału.	Sygnał prostokątny 20 kHz. Niewielkie pochylenie pionowych linii sygnału i nieznaczne zaokrąglenie naroży wskazuje na szerokie pasmo w zakresie wysokich częstotliwości.
Pomiar pasma przenoszenia wzmacniacza sygnałem sinusoidalnym
Sygnał podstawowy, 1 kHz Wartość sygnału dobiera się tak, by miał amplitudę wynoszącą 7 działek na ekranie oscyloskopu. Pomiar pasma przenoszenia wzmacniacza polega na zmianie częstotliwości - poniżej i powyżej wzorcowej częstotliwości 1 kHz dotąd, aż amplituda sygnału spadnie do 5 działek, co odpowiada spadkowi amplitudy o 3 dB. Przyjmuje się, że spadek o 3 dB nie jest jeszcze słyszalny w słuchanej muzyce.	Sygnał sinusoidalny10 Hz. Tutaj zaskoczenie - 10 Hertzów, a spadek amplitudy praktycznie bez znaczenia. Wprawdzie kształt sygnału prostokątnego przy 20 Hz już sygnalizował (patrz wyżej), że na dole będzie dobrze, ale nie sądziłem że aż tak.
Sygnał sinusoidalny 2 Hz. Dopiero na tej częstotliwości sygnał ma amplitudę 5 kratek. Tak więc pasmo przenoszenia, przy 3-decybelowym spadku zaczyna się od 2 Hz. Oczywiście, tak niskich sygnałów nikt nie usłyszy - co najwyżej można je poczuć jeśli uda się je przekształcić na drgania mechaniczne.	Przy 20 kHz spadek amplitudy jest naprawdę nieznaczny. Zapowiada to szerokie pasmo przenoszenia na wysokich częstotliwościach.
Przy 100 kHz nie ma nawet 1 decybelowego spadku amplitudy. Gdzie będzie granica?	Granica jest przy 370 kHz. Nieźle jak na prosty wzmacniacz bez globalnego sprzężenia zwrotnego (tylko lokalne).
Pomiary wzmacniacza programem RMAA
Pomiar zniekształceń nieliniowych (THD) Wzmacniacz przemierzyłem programem RightMark Audio Analyser (RMAA), stosując do komputera zewnętrzną kartę dźwiękową Sound Blaster Live 24, która z niedrogich kart dźwiękowych, ma w miarę dobre parametry. Program mierzy kilka parametrów, przedstawiam tutaj tylko dwa: poziom zniekształceń nieliniowych (THD) i intermodulacyjnych (IMD), przy obciążeniu wzmacniacza rezystorami 55 omów i 150 omów. Program mierzy dwa kanały jednocześnie i rysuje wykres kolorem białym (L) i zielonym (R). Ponieważ oba kanały są identyczne,  nie widać odstępstwa od linii drugiego kanału (biały wykres jest pod zielonym). Na wykresach poniżej widać wysoki pik sygnału pomiarowego (wzorcowego) o częstotliwości 1 kHz, a po prawej od niego wygenerowane przez wzmacniacz piki zniekształceń harmonicznych. Po lewej od piku 1 kHz liczne wzniesienia, z czego "górki" o częstotliwości 50 Hz i 100 Hz pochodzą prawdopodobnie od przenikającego do obwodu wzmacniacza niedokładnie odfiltrowanych impulsów z zasilacza. Wzniesienia o częstotliwościach 200 Hz, 250 Hz, 300 Hz itd., to harmoniczne tych sygnałów. Drobne impulsy i nierówności to szumy.
Pomiar THD wzmacniacza pod obciążeniem 55 omów. Na prawo od pomiarowego piku (1 kHz) widzimy pik drugiej harmonicznej (-60 dB) i słaby pik trzeciej harmonicznej (-98 dB) oraz nieznaczny pik szóstej harmonicznej. Jak widzimy, są to stosunkowo małe zniekształcenia, z przeważającą drugą harmoniczną, która odpowiada za tzw. "lampowe" brzmienie wzmacniacza.   Według programu RMAA, wartość harmonicznych przy obciążeniu 55-omowym wynosi: THD % - 0,28, THD+N % - 0,29, THD+N (A-weighted) % - 0,37. W sumie - jest całkiem, całkiem, ale... zobacz na prawo >	Pomiar wzmacniacza pod obciążeniem 150 omów. Druga harmoniczna niższa (-70 dB), trzecia coś około - 100 dB - i tyle. Wartość harmonicznych dla obciążenia 150 omów wynosi: THD % - 0,058, THD+N % - 0,081, THD+N (A-weighted) % - 0,080. W sumie, dla obciążenia 150-omowego jest całkiem dobrze. Widać wyraźną różnicę na korzyść obciążenia wyższą, 150-omową rezystancją (zniekształcenia około 4 razy niższe). Warto to mieć na uwadze i stosować wysoko-omowe słuchawki.
Pomiar zniekształceń intermodulacyjnych (IMD)   Pomiar zniekształceń intermodulacyjnych, (które towarzyszą zwykle zniekształceniom nieliniowym) polega na podawaniu jednocześnie dwóch sygnałów - o niskiej częstotliwości (tutaj 60 Hz) i o wysokiej częstotliwości (7 kHz). W wyniku wzajemnego oddziaływania sygnałów powstają modulacyjne harmoniczne - powyżej i poniżej sygnałów wzorcowych, które następnie są mierzone za pomocą programu. W rzeczywistości, w sygnale audio jednocześnie występuje wiele kombinacji częstotliwości, do pomiaru dla uproszczenia używa się tylko dwóch sygnałów. Spotyka się też inne pary sygnałów testowych: 40 Hz i 10 kHz lub 70 Hz i 7 kHz.
Pomiar zniekształceń liniowych, intermodulacyjnych (IMD) dla obciążenia 55 omów. Pomiar zniekształceń odbywa się za pomocą dwóch sygnałów testowych podanych jednocześnie: 60 Hz i 7 kHz. Program obliczył wartość zniekształceń: IMD + N % - 0,36 IMD + N % (A-weighted) - 0,183.	Pomiar zniekształceń liniowych, intermodulacyjnych (IMD) dla obciążenia 150 omów. Program obliczył wartość zniekształceń: IMD + N % - 0,093 IMD + N % (A-weighted) - 0,046 Przy obciążeniu wzmacniacza rezystorami 150 omowymi, wartość zniekształceń IMD jest zdecydowanie niższa niż przy obciążeniu 55-omowym (blisko 4 razy niższa).