Erősítő építés

2014-07-27

 

Az elmúlt évek során sokan kerestek meg erősítő építéssel kapcsolatban. Bár korábban már leírtam a tapasztalataimat, hozzávaló okosságokat, úgy látom, hogy szükséges közérthetőbben fogalmaznom, ezért készítettem ezt a leírást.

Aki első erősítőjének készül nekivágni, ajánlom próbálja ki a VF3-t. Igérem nem fog csalódni benn. Egy lakásba teljesen elegendő teljesítményt nyújt. 2*12V-os trafó kell csupán hozzá, ami viszonylag kevésbé is ráz :).

Itt szeretném leszögezni, hogy jelenleg nem készítek eladásra sem végfokokat, sem paneleket :(.

Rendhagyó elméleti alapozás - 2007-03-16

VFx audiofil végerősítő család - 2007-12-05

Fehér foltok a teljesítményerősítők körül - 2008-03-29

VF3:   http://www.hobbielektronika.hu/forum/topic_2177.html?pcount=15&pg=0

VF2:   http://www.hobbielektronika.hu/forum/topic_2662.html?pg=0&pcount=15&date_order=ASC

Ahogy egy autónál megkérdezik hány lóerős, egy végfokozatnál megkérdezik mekkora a teljesítménye? Ugyan számos fontos dolog van még, de mekkora is a teljesítménye? A teljesítményt a kimenő feszültség, és a kimenetre kapcsolt terhelés határozza meg.

Egyenáramra tudjuk, hogy: P = U * I

Az Ohm törvénytből kiszámolhtjuk az áramot: I = U / R

Tehát az egyenáramú teljesítmény: P = U * U / R

A hangfrekvenciás jelek szinuszos összetevőkből állnak (lásd egy Fourier nevű bácsi munkáit). Részletes levezetés nélkül elárulom (úgy sem tudom már levezetni),a szinuszos váltóáram egy 1.41 (gyök 2) tényezővel konvertálhatjuk a vele egyező teljesítményű egyenáramra. Az kapcsolásaim csaknem tápfeszültségig kivezérelhetők, ezért kimeneti csúcsfeszültség nagyjábol egyezik a tápfeszültséggel. Tehát ha a tápfeszültséget osztjuk gyök 2-vel, a rendezett képlet szinuszos váltóáramú teljesítményre:

Tehát mondjuk egy VF3 végfok, amit 17V-tal táplálunk, 8 Ohm-os hangfallal hozzávetőleg 18W-t képes produkálni. Mennyi az a 18W? Én egyszer szkóppal a 8 Ohm-os hangfalamon olyan 6-8 V körüli jelszintet mértem, ami a szobában nekem már sok volt. Úgy sem hiszitek...

Végfoknak nem kell stabilizált táp, mert az beleszól a kimenő jelbe. Meg kell érteni (persze ki is lehet tapasztalni), hogy egy erősítőt már a tápnál el lehet rontani, pedig alább látható, hogy nem valami bonyolult kapcsolásokról van szó. Az amatőrt a pénztárcája határozza meg, pontosabban a lehetőségeit. Ha valakinek kevés pénze van, de igényes, szeretne jó minőségeben zenét hallgatni, érdekli az elektronika, akkor felmerül, építeni kellene egy jó erősítőt, amiről lehetőleg jókat írnak, vagy valamelyik barátunk ajánlotta, vagy hallottuk nála szólni, az sem baj ha egyszerű és olcsó. Remélem a kedves olvasóm ráismer ebből az Audió sarokban található kapcsolásaimra :). A kapcsolási rajzból látható, hogy azok általában kijönnek 1-2 kHUF-ból. Az ember általában a saját munkája értékével, és a további hozzávalókkal nem szokott számolni, doboz, hűtőborda, trafó, panel...

Én, ha belefogok valamibe, vagy vásárolni akarok valamit, körbejárom mihez lehet hozzájutni, azután kialakul, hogy nagyjából mennyiért. Tovább nézegetve a megkívánt dolgot, a zsugori énem megpróbálja elérni, hogy minél kevesebbet fordítsak rá. Viaskodik az énem egy másik felével, aki meg azt mondogatja, hogy nézzük csak meg, 10-20% engedményért azért ne legyen az a dolog pocsék. Ha később mégiscsak azt a drágább megoldást kell válasszam, a számla végösszege 180% lesz. Ha lehet, ne garasoskodjunk, 2 végfokon mondjuk 1000HUF-t megspórolva. De leírom az olcsó, és leírom a kifogástalan tápegységet is, azután ki-ki olyat csinál amilyet.

A legdrágább elem a trafó, tehát az ember gyakran egy már meglévő darabot igyekszik munkára fogni. Tegyük fel, találunk a láda fiában egy 230/12V 50VA trafót. Ebből elkészíthető az alábbi tápegység:

Ez a legegyszerűbb táp, de érdemes rajta keresztül megismerkedni a méretezéssel, kialakítással. A trafónak két funkciója van. Az áramköreink ritkán működnek 230V feszültségről, ezt átalakítja, letranszformálja számunkra a trafó. A tápegységben úgynevezett hálózati trafókat használunk, amelyek életvédelmileg (galvanikusan/érintkezésmentesen) elválasztják a 230V-os hálózati feszültségű oldalt a kisfeszültségű oldaltól. Különféle teljesítményű, és kimenő feszültségű trafók kaphatók, de tetszőleges tekercseltethető is. Van a hálózati trafóknak egy toroid trafónak nevezet fajtája, ami kerek, pontosabban gyűrű alakú. Az az érdekessége, hogy kisebb a mágneses szórása, ezért ha tehetjük, az erősítőnkbe ilyet alkalmazzunk. A trafókon feltüntetik a névleges kimenő feszültségüket. Ez teljes terhelés mellett értendő. Kisebb trafók (1-10W) a terheletlen, üresjárati feszültsége akár 30-40%.kal is magasabb lehet a névlegesnél. Egy 100W-os trafónál már csak néhány százalék az eltérés. Az erősítőknek kettős szigetelésűnek kell lennie, ami számunkra azt jelenti, hogy a trafót is úgy kell beépíteni az erősítőbe, hogy a külső fém házzal nem érintkezhet. A primer oldalon lévő vezetékeket még egy plusz szigetelő csőbe kell húznunk. Figyelembe kell venni, hogy meghibásodás esetén az esetleg megolvadó alkatrészek, vezetékek se okozhassanak áramütést. Ezt csak tájul! Senki ne hivatozzon rám, hogy ezt itt olvasta! A hálözati rész kivitelezése szakértelmet igényel! Amúgy éppen azért építünk biztosítékokat az erősítőbe, hogy a kigyuladásukat megakadályozzuk. Már Murphy megírta, hogy a tranzisztorral sorbakapcsolt biztosítéknak az a jelentősége, hogy a tranzisztor kiégésével megóvja azt :). Ez mondjuk komoly, az áramkörünket nem fogja megvédeni, de megakadályozza a trafó leégését. Biztosíték betétből háromféle van, F - gyors, N - normál, és T - lomha. Inkább T típusú biztosítékokat alkalmazzunk. Az értékét úgy számolhatjuk ki, hogy az erősítő várható maximális kimenő teljesítményéből és a tápfeszültségből kell kiindulnunk, továbbá figyelembe kell venni, hogy ezek úgynevezett B osztályú erősítők, amelyeknek hozzávetőlegesen 75% a hatásfokuk. Tehát:

Persze biztosítékokból is csak bizonyos értékek kaphatók, mint az ellenállásokból. A trafó szekunder tekercsén váltakozó polaritással jelenik meg a feszültség. A diódának az a szerepe, hogy csak az egyik irányba engedi át az áramot. Az elektrolit kondenzátort így 50Hz-es peridiocitással pulzáló áram tölti. A kondenzátor tárolja az energiát, amiből az erősítőnk folyamatosan szükség szerint fogyaszt. A tápegységekben nagy kapacitású elektrolit kondenzátorokat használunk, amelyeknél nagyon fontos a polaritás. Megépítés során, bekapcsolás előtt többször ellenőrizzük le, hogy jó polaritással kötöttük-e be, mert egy fordított polaritással bekötött elektrolit kondenzátor felrobban! A trafó esetén is szinuszos váltakozó áramról van szó, ami a fenti példánál maradva, egy 12V-os trafó esetén 12v*1,41=16.9V csúcsfeszültséggel kell számolnunk, a kondenzátorunk erre töltődik fel. Az összefüggés így néz ki:

Így jött ki a 17V-os feszültség, amiről a VF3 jár. Ha pontosabban akarunk számolni, figyelembe lehet venni a diódán eső 0.7V feszültséget, de nem tudunk előre számolni a trafó, a hálózati feszültség pontatlanságával, szóval nyugodtan kalkulálhatunk 17V-tal. Pedig milyen jó lett volna, ha kicsit kisebb, akkor használhattunk volna 16V-os elkót. Na most ezt nem szabad. Legalább 20%-kel nagyobb feszültségű elkót tegyünk a tápba, mint a várható csúcs feszültség, ide válasszunk inkább 25V-os kondit. Nyilván olyan diódát kell választani, ami elviseli a biztosítéknál kiszámolt maximális áramot. Számolnunk kell vele, hogy a diódánkat az átfolyó áram és a 0.7V-os nyitófeszültség szorzatának megfelelő veszteségi teljesítmény fogja melegíteni. Úgy kell diódát választani, hogy a maximálisan előforduló kimenő feszültség legalább 2x-sét el kell tudni viselnie. Elég nehéz helyzetben vagyunk, ha 35V-os diódát keresünk, mert szinte mindegyik típus elvisel úgy 100V-ot, de lehet, hogy 2HUF-fal többért van olyan típus amelyik akár 600V-t is. A kondenzátor kapacitására, egyutasan egyenirányított 50Hz-es áram esetén, 1A-enként számítsunk 2000uF-t.

Ha jobban megnézzük a VF3-t, látjuk ám, hogy a kapcsoláshoz +/-17V tápfeszültségre van szükség. Az alábbi ábrán látható a kettős táp rajza. Ebben a kapcsolásban legalább 3300uF-os kondenzátorokat kell alkalmaznunk egy VF3 panelhez. Ha sztereóban építjük meg, használjunk 6800uF-t. Szeretném kiemelni, hogy ez a kapcsolás is működik, de a nem ajánlott kategóriában versenyez. Hasznos lehet esetleg egy kapcsolás kipróbálása esetén.

A következő kapcsoláson a normális kétutas egyenirányítás látható. A diódáknak ezt a kapcsolását Gretz hídnak hívják. Nem kell külön diódákat vennünk, kapható Graetz híd is, aminek az az előnye, hogy általában már a tokozás is képes leadni a veszteségi hőteljesítményt, illetve a diódák elektromosan szigeteltek. A kétutas egyenirányításnál is hasonlóan számolhatunk, mint korábban, azzal a különbséggel, hogy mindkét félperiódusban töltödik a kondenzátor, így elegendő A-enként 1000uF-t számolni.

De megint probléma, hogy ez csak egy tápfesz. Igazából célszerű olyan trafót alkalmazni, amelyiknek két szekunder tekercse van. Az alábbi megoldást sokan kedvelik, mert egy teljes Gretz hidat meg lehet vele spórolni, mondjuk olyan 200HUF-t. Én meg nem szeretem, mert nem lehet vele megfelelően elválasztani a kondenzátorokat töltő és terhelő áramot.

Ez már a vége, szerintem az optimális megoldás. Persze azért az ördög még bújkál a részletekben. Azért rajzoltam ilyen furcsán fel a kapcsolást, hogy jobban érthető legyen, az összes szekunder feszültséget külön-külön kell egyenirányítani, és majd az egyenirányított feszültségeket kell a közös föld pontra kötni. Úgy kell huzalozni, hogy külön vezeték menjen a kondi lábára a töltő (Graetz) irányból, és külön vezeték menjen rőla tovább az erősítőhöz. Ne panel csík, hanem lehetőleg olyan vastag vezeték, amit a hangszóróhoz is használunk. A vezetékek lehetőség szerint legyenek rövidek.

Mindent táp modul földpontját, minden végfok panel földpontját, minden hangfal földpontját egyetlen földpontba kell összekötni, mégpedíg így, külön-külön vezetékkel. Ezt a megoldást nevezik csillagpontos huzalozásnak. Az ábrán láthatjuk, hogy az ideális megoldás szerint a bal és a jobb oldali erősítő modulnak külön-külön tápja van. Ezt a kialakítás dual mono-nak is hívják. Igaz hogy több alkatrész kell hozzá, viszont kisebb értékűek elegendők.

A nyomtatott áramköri lapok, a panelek feltalálása nagy áldás volt az elektronika számára. Amiről viszont közben megfeledkeztünk, az a csöves technikában szinte kizárólagosan alkalmazott csillagpontos huzalozás. Az alábbi képet a FH3B fejhallgató erősítő paneltervéből ollóztam ki. Megfigyelhető rajta nemcsak a földpontok, hanem a nagyobb áramú vezetékek, a tápok, és a kimenetek csillagpontos közösítése is.

Nehéz megmondani. Ha veszzük a borda anyagát, ahhoz megadják a hőfok tényezőt, ami alapján számolhatunk. Szilícium eszközök (vég FET-ek) akár 80-100 fok C-t is képesek üzemszerűen elviselni. Az 50 fok C meleg hűtőborda csaknem megégeti kezünket, tehát csak tapintó hőmérőre hagyatkozhatunk, ha mérni akarunk. Talán legegyszerűbb, ha megnézünk egy hasonló méretű végfokot, és egy ahhoz hasonló méretű bordát használunk. A táprésznél írtam, hogy a kapcsolásaim alapvetően B osztályúak, és az ilyeneknek 75% a hatásfokuk. 50W kimenő teljesítmény mellett kb. 17W-ot disszipálnak el. Volt, hogy már a FET-ek mérete is szóba került. Mivel ez a teljesítmény két FET-en oszlik el, egy FET-nek ténylegesen kb. 8W-t kell eldisszipálnia (elfűtenie).

Az erősítönket modulonként, lépésről-lépésre élesszük fel! Ha szerencsések vagyunk, van labortápunk. Ezeket úgy tudjuk használni, ha kimenetével paralel kötünk legalább 1000uF-os kondikat. Ha nem vagyunk ilyen jól eleresztve, előszőr a tápot kell elkészítenünk. Még ha nem is a végleges formájában kerül megépítésre a táp, ne sajnáljuk az időt, a hozzávalókat és a munkát! Gondosan szigeteljünk le minden vezetéket, érinkezőt, véletlenül se érhessünk nagyfeszültségű részhez! Bemérés során úgyis olyan szituációk adódhatnak, amire nem készülhetünk fel előre. Mielőtt rákapcsolnánk a 230V-t, még egyszer ellenőrizzük az elkók polaritását! Első bekapcsoláskor legalább ne hajoljunk a tápunk fölé! A végfok paneleket csak akkor kössük rá, ha ellenőriztük a kimenő feszültségeket.

A végfok panelek felélesztése, bemérése nem komplikált. A végfok panelek csak hűtőbordára szerelve éleszthetők! Minden végfoknál be kell állítani egy nyugalmi áramot. Bármennyire szeretnénk rögtön feszültség alá helyezni penelünkat, előszőr jó alaposan nézzük át. Sok szívást lehet így megtakarítani. Előszőr ellenőrizzük, hogy minden alkatrész jó helyen van-e! Ha magunk terveztük a panelt, és az első darab, egy kicsit elmélázhatunk azon, hogy minden vezeték jó helyre megy-e? Azután forrasztás oldalról nézzük meg, nincsenek-e hidegforrasztások, nem sikerült esetleg valahol több lábat összezárni, vagy éppen nincsenek kóbor óncseppek a panelen. Első lépésben ne kapcsoljunk terhelést a végfokra. A tápokat 22 Ohm-os ellenállásokon keresztül kössük a panelra. Normál méretű ellenállások megfelelnek, ha rossz a panelünk, legfeljebb elfüstöl egy 3HUF-os ellenállás. A kapcsolásaimnál célszerű olyan 80-100mA nyugalmi áramot beállítani. A panelen lévő trimmert bekapcsolás előtt forgassuk olyan állásba, hogy értéke maximális legyen. A tápot bekapcsolva a trimmert addig kell forgatni, míg a 22 Ohm-os ellenállásokon olyan 1,7-2V körüli feszültséget nem mérünk, ekkor a nyugalmi áramot bellítottuk, az ellenállásokat kivehetjük. Ellenőrizzük le a panel kimeneti feszültségét, hogy kisebb mint 0.01V? Ha igen, minden rendben van, rá lehet kötni a hangfalat, használatba lehet venni.

Ha komolyabb műszerezettséggel bírunk (műterhelés, oszcilloszkóp, hanggenerátor) alaposabban is vizsgálhatjuk a végfok panelünket. A hangenerátorral megvizsgálhatjuk előszőr terhelés nélkül, hogy a végfok panelünk közel tápfeszültségig kivezérelhető-e? Ha valamelyik oldalon nem, az alkatrész (FET) hibájára utal. Megvizsgálhatjuk ezt típustól függően olyan 10Hz-40kHz...100kHz tartományban. Ezután ugyanezt nézzük meg terhelés mellett is. Ha határolódnak a szinuszok (tetejük ellaposodik), a tápegység nem eléggé terhelhető. A szinusz jelen nem szabad szőröket, vagy megvastagodásokat látni, mert az gerjedést jelent. A kapcsolást ellenőrizhetjük négyszög jellel is. Mondjuk adjunk a bemenetre 1kHz-es négyszög jelet, ami 10V-ra vezérli ki a végfokot. Végül javaslom, hogy most már hallgassuk is meg! :).