VF3 HI-FI végfok

2007-11-08-án felújítva

 

A várakozásaimmal ellentétben sokan próbálkoznak meg ezzel a kapcsolással. Az egyszerű áramkört, a leveleim alapján sok kezdő választja. Ezzel nem akarok lekicsinylő lenni. Lehet, hogy aki ezzel az áramkörrel kezdi, attól a neten néhány év múlva komoly munkákat találhatunk. Az ő kedvükért alaposabban átdolgoztam ezt a leírást, és igyekeztem kitérni az építéssel kapcsolatos dolgokra is.

Egy minimális alkatrész szükségletű végfokon gondolkoztam, ami olcsó, jobb minőségű mint a gyári monolit IC-k, egyszerűen megépíthető, gondolva a sok csatornás (4-5-6-7) otthoni házimozi és PC felhasználókra. Ez lett a VF3. A kapcsolás nem teljesen ismeretlen, korábban is használták már tranzisztorokkal. Mivel a tranzisztorok teljesítmény erősítése jóval kisebb mint a FET-eké, általában kisebb teljesítményű igény esetében, pl. fejhallgatóhoz, vagy vonal meghajtónak használták.

Az áramkört úgy terveztem, hogy könnyen beszerezhető 2x12V-os , vagy két darab 12V-os trafóról járatható. Terhelés nélkül a trafók nagyobb kimenő feszültséget produkálnak. Érdekes módom a kisebb teljesítményű trafók (2-10W) akár 30%-kal nagyobbat, míg nagyobb trafók (100W..) csak 2-5%-ot. Az terheletlen egyenirányított feszültség elérheti a trafó szekunder feszültségének 1,41x-sét. Gondolom senki sem 3W-os trafóval fog végfokot készíteni, tehát körülbelül számoljunk 2x15-17V feszültséggel. Ekkor a végfok kb. 10-15 W leadására képes 8 Ohm-os hangfalakon. Ugyanakkora kimenő feszültség esetén, 4 Ohm-os terhelésnél, kétszer akkora áram fog folyik, így a kimenő teljesítmény is a duplája lesz. Annak idején, az iskolába azt az ökölszabályt tanultuk, hogy 50Hz-es, kétutasan egyenirányíott feszültség pufferkondijának amperenként számítsunk 1000uF-ot. Az áramfelvétele nem haladja meg a 2A-t (8 Ohm esetén), ezért modulonként 2x2000 uF-nyi puffer kondit javasolok hozzá. Azért írom ezt, mert csak kevés embert tudok meggyőzni a végfok modulkéntu külön tápról. A legtöbben vesznek egy nagy trafót, azt egyenirányítják, rátesznek két nagy kondit, aztán rákötik a kettő vagy több végfok modult. Tessék átolvasni a táprészről szóló fejtegetéseimet! A végfok az én 100W-os hangfalaimmal kielégítő hangerőt produkált a szobámban. A hangminősége is elfogadható, egy kissé talán kevésbé csillog a magasa mint a VF2-nek, de lehet, hogy ez nem is mindenkinek tűnik fel. 1 kHz-en hozzávetőleg táptól-tápig kivezérelhető, 50 kHz környékén már csak kb. +/- 10V ig. Szóval ez sem THX (az állítólag 100kHz-ig megy), de szerintem kifogástalan.

A kapcsolás a következő képpen működik. Alaphelyzetben a IC nyugalmi árama átfolyik a tápvezetékekbe kötött 470 Ohm-os ellenállásokon és diódákon, ami körülbelül 2 mA. Így körülbelül 1,5V körüli feszültség esik rajtuk. A MOS FET-eknek 4V körül van a nyitófeszültségük. A 47 kOhm-os trimmer potival segítségével megnöveljük az átfolyó áramot úgy, hogy mindkét FET egy kicsit kinyisson. Pontosabban annyira, hogy a kapcsoláson keresztül, alaphelyzetben 80-100 mA follyon. Ez azért szükséges, mert kis kimenő jelek esetén, 0 pont környékén hatalmas torzítás jelentkezik, ha mind a két FET le van zárva (egyébként tapasztalat, hogy ilyenkor az áramkör mindenféle gerjedésre is hajlamos). Ha az IC-re bemenő jelet kapcsolunk, elkezd dolgozni, elkezdi meghajtani a kimenetére kötött 470 Ohm-os terhelést . A vezérlő jelnek megfelelően, a kimenetén megjelenik egy feszültség, ennek hatására a terhelő ellenálláson kimenő áram fog folyni, ami nyilván a tápáramból származik. Az egyik oldali tápvezetékben lecsökken a tápáram, a másikban viszont megnő. Ennek hatására, a tápágakban lévő ellenállásokon eső feszültség nő/csökken, ami az egyik FET-et jobban kinyitja, a másikat meg lezárja. Így a kimenet is elmozdul a megfelelő irányba. Az erősítés nagyságát, a 1/22 kOmh-os visszacsatolás szabja meg. Az osztó a kimeneti feszültséget 1/23 arányban leosztva vezeti vissza a bemenetre. Részletesebb elméleti taglalás nélkül, az IC úgy állítja a kimenő feszültséget, hogy az osztón keresztül éppen akkora feszültség jöjjön vissza, mint amekkora a másik bementére kapcsolt vezérlő feszültség, mert ekkor kerül egyensúlyba. Ez azt jelenti, hogy a kimeneten a vezérlő jel 23x-osa jelenik meg, vagyis az áramkör erősítése 23x lesz. Hiradástechnikában az erősítés jele az A. Van feszültség erősítés és teljesítmény erősítés is. Általában feszültség erősítésről beszélünk. Az erősítésnél alkalmazott viszonyszámot gyakran használjuk jelek egymáshoz való viszonyítására is. Ez igen nagy is lehet, ezért a gyakorlatban erre sokkal alkalmasabbnak bizonyult a logaritmikus ábrázolás. Így alkották meg az AdB-t (a dB alsó indexben értendő, deciBell, AdB=20 x log( Au)). Tehát az áramkörünk erősítése 20x log( 23)= 27dB. Nevezetesebb értékek a 20dB, ami 10x erősítést jelöl, 40dB 100x erősítésnek felel meg, a 60 dB 1000x-nek, és 0 dB, ami 1x-es. Gyakran beszélnek +/-3dB-es pontokról. Az áramkörök a bemenetükre kapcsolt különböző frekvenciájú jeleknek csak egy részét, egy sávját képesek átvinni. Azt nevezzük sávszélességnek, ahol az átvitel gyök kettedére, -3dB-re csökken.

Már nem emlékszem pontosan a méréseimre, de a kapcsolás felső 3dB-s pontja olyan 40 kHz környékén lehetett. Az alsó a bemenetre kapcsolódó RC tagból, és a visszacsatolás alján lévő RC tagból számolható a következő képlet alapján: f= 1 / (2 x Pi x R x C). fbe= 1 / ( 2 x 3,14 x 2,2*10E4 x 2,2*10E-6 ) = 3,3 Hz. fvcs= 1 / ( 2 x 3,14 x 1*10E3 x 2,2*10E-5 ) = 7,2 Hz. Szóval a visszacsatolás határozza inkább meg a frekvenciamenetet, az áramkörünkről azt mondhatjuk, hogy a teljesítmény sávszélessége 7Hz-től 40 kHz-ig tart. A felső szávszélességért elsősorban a FET-ek GATE ( ami 1nF nagyságrendű) kapacitásának feltöltése/kisütése felelős. Tehát az áramkörünket úgy bírhatnánk gyorsabb működésre, ha csökkentenénk a táp ágakban lévő ellenállás értékét, esetleg a terhelő ellenállást ist. A denevérek nyilván várják már, hogy valaki meglépje ezt:)

Nézzük meg a kondenzátorok szerepét. A kondenzátor tulajdonsága, hogy az egyenáramot nem engedi át, csak a váltót. Azért kellet a bemeneten kondenzátorral elválasztani, mert ha a bemenetre egyen feszültség jutna valamiképpen, akkor az az erősítő kimenetén is megjelenne felerősítve. El kell mondjam, ha valaki mást gondolt volna, a hangszórók különösebben nem szeretik az egyenfeszültséget. Az áramkör közepére az ideális műveleti erősítő van rajzolva, de mi tudjuk, hogy az valójába egy NE5534-es típusú IC. A bementének az ideálistól eltérően, van bemenő árama. A nagy álmoskönyvek azt írják, hogy akkor járunk el optimálisan, ha mindkét bemenetre egyenáramúlag azonos értékű ellenálláson keresztül kapcsolódunk. Ezért van az 1 kOhm felé menő vezeték 22uF kondenzátorral megszakítva. Érdekes, hogy próbálkoztam más visszacstolási megoldásokkal is, bár inkább a fejhallgató erősítőim esetén kísérleteztem sokat. És furcsa mód ezt a visszacsatolást találtam meghallgatás alapján a legjobbnak. Nem tudom megmagyarázni miért, de jobban élt a hang. Talán a kondenzátornak van egy kis induktivitása, ami kicsit rásegít a magas tartományra. Vagy éppen kompenzálja a bemeneten lévő kondi csillapítását? Biztos vannak okosabb emberek is nálam, akik egyszer majd megmondják a tutit. Szakmai berkekben vitatják az egyenáramú előfeszítés nélküli elkók használatát, tipikusan pont itt a visszacsatoló ágban. Én is gondolkodtam erről. Arra már nem emlékszem pontosan kinek és mi baja volt vele. Talán az, hogy az elkó attól elkó, hogy elektrolit található benne, és abban úsznak a fegyverzetei (bocs aki nincs annyira a pályán, részletesebben nézzetek utána valahol). Az biztos, hogy ezek a fordított polaritású egyenfeszültséget nem szeretik, mert erre elkezd leoldódni a fegyverzetük szigetelését alkotó oxid réteg. Mi is történik? Előszőr a szigetelés elvékonyodik, megnő a kondi kapacitása (ami itt egyébként nem zavarna) és lecsökken a kondi átütési szilárdsága. Végül kilukad a szigetelő réteg, elfogy az oxid réteg. A kondi átvezet, és ha olyan helyen van, ahol kap elég feszültséget és áramot is, enyhe esetben maga alá pisili az elektrolitot, rosszabb esetben felrobban. Igazából, erre a kérdéses elkóra legfeljebb akkora feszültség jut, mint amekkorát az erősítő bementére kapcsoltunk (lásd fentebbi fejtegetésemet). Tehát nem haladja meg a +/-1V-ot. Ha valaki kissé jártas az elektrokémiába, talán találkozott azzal a kérdéskörrel, hogy egy elektrolitban meginduljon az elektrokémiai folyamat, ahhoz bizony némi feszültségre is szükség van. További okosság, hogy egy ilyen folyamat általában csak egy bizonyos küszöbfeszültség meghaladása után indul be. Már elég régen tanultam ezeket, meg konkrétan abban sem vagyok biztos, hogy egyáltalán alumínium oxidot használnak-e még a kondik szigetelésére, és bórsav alapú-e még az elektrolit, de abban egészen biztos vagyok, hogy ma már nem tudom kiszámítani, ez a folyamatnak mekkora feszültségen indul be. Csak emlékek, hogy ezek a galván dolgok legalább néhány V feszültséget igényeltek. Aztán van ez a kis 47pF kondi, ami olyan kicsinek tűnik, hogy szinte el is hagyhatnánk. Pedig nagyon fontos szerepe van abban, hogy ne gerjedjen a kapcsolás. Úgy is felfoghatjuk, hogy a nagyon nagy frekis áramot átengedi (a hagfrekis tartomány olyan neki, mint nagyobb kondiknak az egyenáram), vagyis ebben a tartományban lecsökkenti a kapcsolás erősítését. Sajnos ideális kondenzátor csak az elektrotechnikai példákban szerepel talán. Tehát ilyen kis hidegítő kondinak csak kerámia tárcsa kondit használjunk. A bemenetre is jó lenne ilyen, de sajnos ekkora kerámia tárcsa kondikat nem gyártanak. Szóval ide és a visszacsatolásba úgynevezett elektrolit kondikat kell tennünk. Valamikor használtam tantál elkókat. Ezek általában pontosabbak, kisebb a szivárgó áramuk... Előszőr amikor arról olvastam, hogy erősítőkben nem használhatók, nem akartam a szememnek hinni. Aztán később a kísérleteim során rájöttem, hogy tényleg. Megölték a hangot. Pedig egyébként jó kondik. Digitális áramkörökben több 10 MHz-es áramkörökhöz használtuk őket. Véletlen akadtam rá a Lomex-ben a Yageo gyártmányú miniatűr Low ESR elkókra, kb. 10 HUF/db. Ha rám hallgattok, mindenki azt használ amit akar, és olyan drága kondikat vesz amennyi pénze van, nekem ezek jöttek be a legjobban.

És miért is kellett a kapcsolásba beletenni azt a két diódát? A diódáknak hőkompenzáló szerepük van. A FET-ek nyitófeszültsége a hőmérséklet emelkedésével csökken. Ha melegük van lecsökken a nyitófeszültségük, jobban kinyitnak. Ha jobban kinyitnak nagyobb nyugalmi áram fog rajtuk keresztűl folyni. A nagyobb áram jobban fogja őket melegíteni, amitől még jobban kinyitnak ... ezt nevezzük hőmegfutásnak. És akinek meg így elszállnak a vég FET-jei, az mást mond erre:) A FET-ek hűtőzászlójára kell a diódákat ragasztani, hogy a dióda hőmérséklete kövesse, együtt fusson a FET hőmérsékletével. A diódák nyitófeszültsége is csökken a hőmérséklet növekedésével. A diódák úgy vannak az áramkörben elhelyezve, hogy melegedés hatására csökkentsék a FET-ek nyitó feszültségét. Kezdetben próbálkoztam tranzisztorral is. Igazából a FET-ek nyitófeszültségét/hőmérséklet karakterisztikáját a legjobban a FET-ek követik:). A gyakorlatban megelégedtem a diódák által biztosított kompenzálással is. Úgy emlékszem, a kapcsolásokban így is sikerült nyugalmi áram növekedését 30%-os határon belűl tartani az üzeminek nevezhető hőmérséklet tartományban (úgy 70-80 fok C körülig, magasabb hőmérékleten meg kezdett a ragasztó is meglágyúlni).

A kapcsolás biztonsággal +/- 15-17V-os tápfeszről járatható. Többen megpróbálják kiaknázni az egyszerű kapcsolásban lapuló utolsó wattokat is, és megpróbálják minnél nagyob tápfeszről járatni. Az IC +/-20V-ot visel el. A FET-ek Gate nyitófeszültsége miatt a 470 Ohm-on 3-4V körüli feszültség esik. Ezért akinek sok pénze van a leégett hagfalai cseréjéhez, az megpróbálhatja +/-20-22V-ról is járatni a végfokot. Tovább is lehetne emelni a tápfeszt, ha az IC táplábai és a Gate-k közé egy-egy Zener-t tennénk, de ehez én már nem adom a nevem. És jobban is szeretném, ha visszatérnének a csapongó gondolataink egy szobába, ahol a fülünket szeretnénk kényeztetni.

Innen lehet letölteni a kapcsolási rajzot, a kinyomtatható panelt és a beültetési rajzot tartalmazó PDF-t...

A diódákat a vég FET-ek zászlójára kell ragasztani.

És ha már a diódát ráragasztottuk, az a kis 470 Ohm-os ellenállás is el fog ott férni. Legalább nem foglal helyet a panelen:)

Ez a fénykép a VF2H1-ről készült. Itt csak azt illusztrálja, hogyan kellene a panelt megszerelni. A megszerelt panelra derékszögben hozzáforrasztjuk a támasztó lapkát. Aazután a támasztó lapkán található furaton keresztül, egy csavarral lehet a hűtő felületre szorítani. Felmerül a kérdés, a FET-ket el kell-e szigetelni? Igazából mind a két Drain egy ponton van. Ha mondjuk minden erősítő modult külön hűtő bordával látunk el, és biztosítjuk, hogy ne érjenek össze (mondjuk egy dobozon belűl), akkor nem kell. Gyakoribb, hogy egy fém házra vannak a borda/bordák felszerelve, és így inkább jobb ha elszigetejük eleve, nem olyan drága az a szigetelő csillám. Okvetlenűl használjunk hővezető szilikon zsírt, vagy pasztát is! A beméréshez is hűtőbordára, vagy ideiglenesen egy alumínium lemezre kell az áramkört csavarozni!

A kapcsolás felélesztése, bemérése nem komplikált, talán azt is megkockáztathatom, hogy egyszerű. Nyugodjon meg mindenki, készítse ki az asztalra a panelt és a tartalék FET-eket:) Ha van labortápunk úgy egyszerűbb, mert beállítunk rajta mondjuk 0,5A áramkorlátot, 2 x 17V feszültséget. Ha meg is akarjuk róla a végfokot hallgatni, tegyünk a kimenetekre legalább 1000-1000uF kondit, és ha odajutottunk csavarjuk feljebb az áramkorlátot! Ha trafónk van és a megépített tápról akarjuk kipróbálni, akkor elsősorban a tápot ellenőrizzük! A legfontosabb, hogy a puffer kondikat jó polaritással kössük be, különben hagosan pukkannak, és jó esetben mehetünk megint a kedvenc elektronikai alkatrészboltunkba. A rossz esetről most inkább ne beszéljünk. Szóval a polaritásukat ellenőrizzük mégegyszer bekapcsolás előtt! Bekapcsolás után ellenőrizzük a kondikon mérhető feszültséget, hogy biztosan nem haladják-e meg a maximumot! Élesztéshez én javasolnék a tápágakba kötni 1-1 db 20 Ohm-os nagy teljesítményű ellenállást. Tudom nincs mindenkinek ilyen otthon, velem ellentétben:) Na akkor vegyük mondjuk azt, hogy beállítás során 100 mA fog majd rajta átfolyni, ami 20 Ohm-on 2V feszültséget ejt. Ezt összeszorozva, 0,2W-ot kapunk. Jól számoltam? Ezt egy közönséges 22 Ohm-os ellenállásnak is el kell bírnia. Legfeljebb ha nagyon megnőne az áram, akkor az ellenállás kiég. Mondjuk számoljunk azzal, hogy max 20V hatására, 1A áram tudna átfolyni rajta, azt meg ezeknek a FET-eknek vigyorogva el kell viselni. Az ellenállást mondjuk ilyenkor 20W fűti, amitől rohamosan elkezd melegedni. A hőtől az ellenállás értéke egy kicsit megnő, az átfolyó áram egy kicsit csökken, de az nem lesz elég ahhoz, hogy az alkatrészünk visszahűljön. Előszőr a festékréteg fog róla egy kis büdösséget hátrahagyva leégni, majd az ellenállás réteg is leég, ezzel megszakítja az áram útját, és megvédi a drágább alkatrészeinket. Napi árfolyamon, ha mondjuk két ellenálással számolunk, egy bénázás 6 HUF-ba kerül. Szóval kicsit visszakomolyodva, a kezünkben a megszerelt, értékes panelunk. Bármennyire szeretnénk rögtön feszültség alá helyezni, 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. Egy körző, vagy tapétavégó kés segítségével kaparjuk át a gyanús helyeket. Az sem árt, ha kész vagyunk a forrasztással, egy kis denaturált szesz és egy kiselejtezett fogkefe segítségével lemossuk a gyantát, vagy más folyasztószer maradékokat a panelról. Szóval minden jó. Na akkor előszőr tekerjük a trimmer potit abba az álásába, amikor a legnagyobb az értéke. Ezután ráköthetjük a tápot. A végfok normálisan a bemenetére kötött jelvezeték földjén keresztűl kap földet, de most egy darab vezetékkel ezt is kössük hozzá a táp földjéhez! Terhelést (drága hangfalunkat), még ne kössük rá! Kapcsoljuk be a tápfeszt! Feszültség mérővel mérjünk rá az egyik 22 Ohm-os ellenállásra. Ha minden ok, akkor itt kisebb feszt kell mérnünk mint 2V. Ha még semmi nem büdös:), akkor kezdjük el lassan tekerni a trimmert, és ha még mindig minden jó, az ellenálláson a feszültség lassan 2V-ra emelkedik. Ekkor abba is hagyhatjuk. Kapcsoljuk ki a tápfeszt, nagy elkóknál lehet kicsit várni kell amig kisülnek. Érdekes kísérlet egy csavarhúzóval, biztos ami biztos alapon rövidrezárni a lábukat (inkáb olyan csavarhúzót használjunk amit nem sajnálunk:). Vegyük ki az ellenállásokat! Újra bekapcsolva mérjünk még rá a kimenetre, hogy egyenáramúlag 0V-on van-e? Bízok benne, ha idáig eljutottunk akkor már ne lesz vele gond. Tegyük rá végre a hangfalat. Egy csavarhúzóval a bemenetre egy kis brummot adva ellenőrizhetjük az áramkör működését. Persze mehet rá rögtön a hangkari, vagy MP3 player... Felszereltebb utánépítők csíptessenek rá szkópot, a bemenetre kössenek 1 kHz-es négyszöget, és elmerenghetnek a meander vonal felett. Ha nagy a tetőesése, ha lassú a felfutása, ha túllövése van, ha nem táp szimmetrikus, akkor valami gond van! A FET-ek nekem többnyire kísérletezgetés közben, gerjedésektől szálltak el, illetve attól, ha nem érintkezetek rendesen a hűtő felülettel. Ha gyanús a FET, vegyük ki az áramkörből, és ellenállás mérővel mérjünk rá (már ha előbb nem építettük meg a Műhelysarokban található alkatrész teszteremet:). Általában a hibás FET-ek zárlatosak lesznek. Tehát ha nem 0 Ohm-ot mérünk két- vagy az összes lába között, akkor valószinűleg jó.

Igyekeztem jó komplikáltan és bő lére eresztve leírni a bemérést, de most már más nem jut az eszembe, jó munkát minden válakozó kedvű utánépítőnek!