Wzmacniacz_lampowy_dla_nielampowcow_cz2.pdf

Wzmacniacz lampowy

dla nielampowców (2)

cz. 1 artykułu

dostępna na CD

Doświadczeni konstruktorzy wzmacniaczy lampowych twierdzą, że

jakość wzmacniacza najbardziej zależy od sposobu wykonania

transformatora głośnikowego. Dlatego część 2 artykułu poświęcona

jest głównie obliczeniom i opisowi know-how wykonania

transformatora w warunkach domowych. To prawdziwe rękodzieło,

ale warto się przyłożyć, by uzyskać niepowtarzalne „lampowe”

brzmienie wzmacniacza wykonanego dosłownie własnymi rękami.

Wykonanie tego wzmacniacza nie jest trudne, ale wymaga zapału

i cierpliwości prawdziwego hobbysty.

Każdy transformator głośniko-

wy jest przystosowany do pracy

z konkretną lampą. Aby dobrze go

dopasować, najpierw należy prze-

studiować wykresy charakterystyk.

Na rys. 6 przedstawiono charakte-

rystyki siatkowe lampy mocy, a na

rys. 7 charakterystyki anodowe .

Na ich podstawie musimy określić

moc admisyjną, (czyli maksymal-

ną moc, która może się wydzielać

na anodzie lampy), optymalne ob-

ciążenie anodowe oraz opór we-

wnętrzny lampy. Na wykresie cha-

rakterystyk anodowych znajdujemy

krzywą oznaczającą 0 V na siatce

sterującej. W miejscu maksymalne-

go prądu anodowego (w przypad-

ku lampy 6H13C jest to 130 mA)

zaznaczamy punkt A i kreślimy

przez niego styczną do hiperboli

mocy admisyjnej. Nachylenie tej

prostej oznacza optymalne obcią-

żenie. W dowolnym miejscu na

prostej zaznaczamy drugi punkt B.

Liczymy iloraz różnicowy:

R a =DU/DI=(U B –U A )/(I A –I B ) [V]

R a wynosi 2,5 kV, jednak literatura

często podaje wartość 2 kV, którą

przyjmujemy (jest bardziej korzyst-

na). Ponieważ nasz stopień mocy

pracuje przeciwsobnie, interesuje

AVT-5142

W ofercie AVT jest dostępna:

– [AVT–5142A] – płytka drukowana

PODSTAWOWE PARAMETRY

• Płytka wyłącznika o wymiarach 62x37 mm, wzmacniacz montowany „na pająka”

• Konﬁguracja wzmacniacza: układ napięciowy Williamsona

• Stopień mocy: triodowy push-pull, klasa AB1

• Stała polaryzacja lamp mocy

• Logarytmiczny wskaźnik wysterowania

• Maksymalna moc wyjściowa (bez przesterowania wzmacniacza): 2x7 W (Uwej=1,24 Vrms; f=1 kHz, sinus;

THD=1,2%)

• Pasmo przy spadku 3 dB: 32 Hz...18,5 kHz

• Nominalna impedancja obciążenia: zależna od transformatora (w prototypie 3 V )

• Czułość wejściowa dla max mocy (2x7 W): 1,24 Vrms

PROJEKTY POKREWNE wymienione artykuły są w całości dostępne na CD

Tytuł artykułu

Nr EP/EdW Kit

Bufor lampowy

EdW 12/2003 AVT-2690

Przedwzmacniacz lampowy

EdW 8/2004 AVT-2729

Lampowy wzmacniacz słuchawkowy

EdW 1/2005 AVT-2744

Wzmacniacz lampowy z PCL86

EP 2/2005 AVT-455

Stereofoniczny wzmacniacz lampwy

EdW 6-7/2005 AVT-2754

Lampowy wzmacniacz gitarowy

EdW 12/2005 AVT-2772

Wzmacniacz lampowy na ECL86 w układzie SE

EdW 4/2006

Lampowy wzmacniacz akustyczny 2x30 W

EP 4/2008

Lampowy korektor dźwięku

EdW 7/2008

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2008

Rys. 8. Średnia długość strumienia magne-

tycznego

= π

⋅

2 H

⋅

[

]

L p w ynosi ok oło 5 H. Następnie

należy obliczyć minimalną objętość

rdzenia, który będzie spełniał nasze

oczekiwania:

Rys. 6. Charakterystyki siatkowe lampy mocy

⋅

�

[

]

�

(

⋅

)

⋅

gdzie:

P=30%·moc admisyjna dwóch triod

łącznie=0,3·2 6 [ W]=7,8 [W]

m ż – średnia początkowa przenikal-

ność rdzenia (przeważnie zakłada

się 500)

B – maksymalna indukcja w rdze-

niu w Gs (1 Tesla=10000 Gausów)

Ponieważ materiał ferromagne-

tyczny z którego będzie wykonany

rdzeń nie magnetyzuje się w spo-

sób liniowy, duże indukcje w rdze-

niu będą powodować powstawanie

zniekształceń harmonicznych. Dla

wzmacni acza aku stycznego może-

my przyjąć B=2000 Gs. Objętość

rdzenia powi nna wy nosić około

100 cm 3 . W prototypie zastosowa-

no kształtki EI84 (grubość pakietu

42 mm, grubość blachy 0,5 mm).

Liczymy śr ednią dł ugość strumienia

magnetycznego w rdzeniu ( rys. 8 ):

Rys. 7. Charakt erystyki anodowe la mpy mocy

nas opór od jednej anody do dru-

giej:

my nasz punkt P i kreślimy przez

niego sty czną do krzyw ej oznacza-

jącej –100 V na siatce. Nachylenie

tej prostej oznacza opór wewnętrz-

ny lampy w naszym punkcie pra-

cy. Zaznaczamy dowolny punkt na

tej prostej i ponownie liczymy ilo-

raz różnicowy:

l �

= π

⋅

(

)

⋅

[

]

2 Ω

[

]

a następnie przekrój czynn y kolum-

ny środkowej (10% zajmują tlenki

i lakier na kształtkach)

Następnie na wykresie charak-

terystyk siatkowych również kreśli-

my tę samą prostą i zaznaczamy

na niej punkt przecięcia z krzywą

oznaczającą napięcie anodowe rów-

ne 200 V. Punkt P wyznacza nasz

punkt pracy (I 4 =65 mA przy U p =

–100 V na siatce). Na charaktery-

styce siatkowej doskonale widać,

w jakiej klasie będzie pracować

lampa mocy. W naszym przypadku

jest to klasa AB1. Na odpowiedniej

charakterystyce anodowej odnajduje-

⋅

�

[

]

�

gdzie:

V ż – objętość rzeczywistego rdzenia

( nie ta wychodząca z obliczeń)

Przechodzimy do uzwojeń. Li-

czym y liczbę zwojów uzwojenia

pierwotnego:

∆

−

)

[

Ω

]

∆

(

−

)

R i wynosi około 550 V. Zakłada-

my dolną częstotliwość wzmacniacza

(f d ), w prot otypie wy nosiła np. 16 Hz.

Liczymy minimalną indukcyjność

uzwojenia pierwotnego ze wzoru:

⋅

8920

⋅

�

⋅

�

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2008

= k

⋅

(

Przekładnia transformatora jest

równa:

karkasie. Na ile to możliwe,

powinno stosować się grubszy

drut nawojowy niż to wynika

z obliczeń. Zmniejszy się wte-

dy oporność uzwojeń, przez

co wzrośnie skuteczność całe-

go transformatora. W trafach

głośnikowych istnieją duże róż-

nice potencjałów (np. pomię-

dzy uzwojeniem pierwotnym

a wtórnym). Należy stosować

druty z podwójną izolacją. Po

pierwsze jest to zabezpieczenie

przed przebiciami, po drugie

grubsza izolacja zmniejsza po-

jemności międzyzwojowe.

Niestety nie wszystkie li-

nie strumienia magnetyczne-

go przenikają rdzeń. Niektó-

re niejako ulatują i nie biorą

udziału w indukowaniu prądu

elektrycznego. Takie zjawisko

nazywamy indukcją rozpro-

szenia. Wiąże się ono ze stratami

w górnych partiach pasma. Dlatego

w transformatorach akustycznych

uzwojenia powinno się sekcjono-

wać, czyli nawijać naprzemian

warstwy uzwojenia pierwotnego

i wtórnego. Sekcjonowanie nie tyl-

ko zmniejsza indukcyjność rozpro-

szenia, izolacje pomiędzy sekcjami

także wpływają na odporność elek-

tryczną i zmniejszenie pojemności

całkowitej. Najlepiej do izolowania

warstw i sekcji w domowych wa-

runkach nadaje się „pergamino-

wy” papier do pieczenia. Pomię-

dzy dwoma sekcjami powinno się

znaleźć od 4 do 6 warstw takiego

papieru. Podczas nawijania warto

pamiętać, że kawałki papieru lepiej

ciąć o milimetr większe niż karkas

– w ten sposób będziemy mieć

pewność, że druty nie dotykają się

na końcach warstw, a sam papier

nie będzie się ślizgał.

W transformatorach prototy-

powych nawinąłem 16 sekcji (8

uzwojenia pierwotnego i 8 wtór-

nego). Wszystkie sekcje uzwojenia

pierwotnego łączy się szeregowo,

natomiast sekcje uzwojenia wtórne-

go łączy się równolegle, tak jak to

pokazano na rys. 9 . Bardzo waż-

ne jest, aby każda sekcja uzwoje-

nia wtórnego miała dokładnie tyle

samo zwojów. Jeśli warunek ten nie

będzie spełniony, przez transforma-

tor będą przepływać prądy wyrów-

nawcze i jego skuteczność spad-

nie. Transformatory dla układów

Push–Pull można nawijać na dwa

sposoby: albo podzielić karkas na

głło�nik

⋅

Liczba zwojów uzwojenia wtór-

nego:

= 1

⋅

Przekrój drutu uz wojenia pier-

wotnego jest zależ ny głównie od

wartości skuteczne j p rądu. W uzwo-

jeniu tym płynie prąd stały z na-

łożoną składową zmienną. Wartość

skuteczną prądu w układzie prze-

ciwsobnym obli cza się ze wzoru:

(

⋅

)

[

]

gdzie:

I 4 – prąd spoczynkowy tylko jednej

triody (65 mA )

Przekrój drutu nawojowego

uzwojenia pierwotn ego :

Rys. 9. Rozmieszczenie sekcji

dwa i nawijać dwa oddzielne blo-

ki (zazwyczaj robi się tak w klasie

B), albo nawijać biﬁlarnie, czyli

dwoma drutami jednocześnie (jedy-

nie uzwojenie pierwotne) – po za-

kończeniu nawijania koniec pierw-

szego drutu łączy się z początkiem

drugiego (jest to odczep dla zasi-

lacza), a dwa pozostałe końce łą-

czy się z anodami lamp. Lepszym

rozwiązaniem w naszym przypadku

jest druga metoda, ponieważ sto-

sując ją uzyskamy idealną syme-

trię. Transformator powinien być

zabezpieczony przed uszkodzenia-

mi mechanicznymi. Końce uzwojeń

(odczepów) powinny być przylu-

towane do twardszych kabli lub

specjalnych zakończeń, jeśli tako-

we posiada karkas. W widocznym

miejscu należy nakleić kartkę z in-

formacjami o uzwojeniach, sekcjach

i odczepach, a same uzwojenia na-

leży mocno zakleić taśmą klejącą.

Warto także zatopić na jakiś czas

(ponad godzinę) cały transforma-

tor, nie tylko karkas z uzwojenia-

mi, w Caponie. Zabezpieczy go to

przed wilgocią, a także uniemożli-

wi blaszkom tzw. „granie” w trak-

cie pracy.

Mając nawijarkę nie warto

oszczędzać na dławikach. Na dła-

wik nadaje się rdzeń z każdego

starego transformatora sieciowe-

go, pod warunkiem, że jesteśmy

w stanie rozebrać go nie niszcząc

lakieru na kształtkach. Procedura

liczenia dławików jest także mozol-

na, jednak do tego celu (i nie tyl-

ko) pan Wojciech Staszak stworzył

[

]

∆

gdzie:

D to gęstość prądu od 2 do 2,5 A/

mm 2

Średnica d ru tu nawojowego

uzwojenia pie rwo tnego:

⋅

[

]

Przekrój drutu nawojowego

uzwojenia wtórnego:

w =

[

]

analogicznie średnica drutu nawojo-

wego uzwojenia wtórnego:

⋅

[

]

Blaszki należy poskładać bardzo

starannie i nie powinno się ich

mocno ściskać. Nie można jednak

dopuścić, aby swobodnie poruszały

się, ponieważ transformator będzie

„grał” głośniej niż głośnik. Źle po-

składane lub zbyt mocno ściśnię-

te mogą spowodować zmniejszenie

indukcyjności uzwojenia pierwot-

nego, co z kolei obetnie nam ni-

skie tony. O ile to możliwe, nale-

ży stosować jak najcieńszą blachę.

Im mniejsza grubość kształtki, tym

mniejsze prądy wirowe i mniejsze

straty w rdzeniu. Po obliczeniu

transformatora należy oszacować,

czy wszystkie zwoje zmieszczą się

w oknie rdzenia przy konkretnym

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2008

Rys. 10. Widok płytki włącznika

niacza usztywniają konstrukcję. Do

nich należy przykręcić gumowe

nóżki lub takie, które będą dobrze

tłumić drgania. Podstawki lamp

muszą być dobrze dokręcone, aby

lampy nie poruszały się w trakcie

pracy – powoduje to tzw. mikro-

fonowanie. Przed uruchomieniem

wzmacniacza należy sprawdzić

każdy zasilacz oddzielnie. Przed

każdą modyﬁkacją należy upewnić

się, że kondensatory elektrolitycz-

ne są wystarczająco rozładowane.

Środkowy odczep uzwojenia grzej-

nika (2x3,15 V) należy przyluto-

wać do masy urządzenia (jest to

tzw. symetryzacja względem masy)

– zmniejszy to ewentualny brum.

Wokół transformatorów sieciowych

dobrze jest zastosować uziemione

ekrany magnetyczne, co zniweluje

sprzężenia magnetyczne transforma-

torów głośnikowych. Nie powinno

się prowadzić kabli sieciowych bli-

sko transformatorów głośnikowych,

gdyż indukują one nieprzyjemny,

słyszalny przydźwięk. Masy wszyst-

kich stopni wzmacniacza powinny

być połączone w jednym punkcie.

Nie można dopuścić do powstania

pętli masy, ponieważ mogą one

wzbudzać wzmacniacz. Masę urzą-

dzenia warto uziemić bezpośrednio

lub przez rezystor 1 kV.

Urządzenia lampowe przeważ-

nie montuje się na tzw. „pająka”

i taki sposób jest zalecany w tym

przypadku. Wyjątkiem jest układ

wyłącznika, który jest wykona-

ny w sposób tradycyjny na płytce

z obwodem drukowanym ( rys. 10 ).

Pozawala to uniknąć sprzężeń

i łapania zakłóceń z zewnątrz.

Wszystkie elementy należy prowa-

dzić równolegle, albo prostopadle

do innych. Po upewnieniu się, że

zasilacze pracują poprawnie nale-

ży kolejno wkładać lampy i spraw-

dzać napięcia i prądy w punktach

kontrolnych. Poszczególne warto-

ści przedstawione są w tab. 2 .

Na końcu wkładamy lampy mocy

i regulujemy spoczynkowe prądy

anodowe, których wartości mo-

żemy odczytać podpinając wolto-

mierz w miejsca U9, U10. Jednoo-

mowe rezystory nie mają na celu

wprowadzenia ujemnego sprzężenia

zwrotnego: prąd, który przez nie

płynie jest wprost proporcjonalny

do spadku napięcia na nich. Je-

śli zastosujemy nieużywane lampy,

przez około godzinę prądy te będą

niestabilne. Prądy spoczynkowe

bardzo przydatny program ECCLab.

Można go pobrać ze strony http://

www.ecclab.com . Po uruchomieniu

programu klikamy na „Elementy

indukcyjne” i wybieramy „Dławik”.

Nie jest wymagana znajomość wy-

miarów posiadanego rdzenia, ponie-

waż baza kształtek zawiera najczęś-

ciej stosowane wymiary. Program

zapyta nas jedynie o niezbędne pa-

rametry i resztę obliczy sam.

Montaż i uruchomienie

Wzmacniacz najlepiej umieścić

w aluminiowej obudowie. Blacha

aluminiowa o grubości 1...2 mm ła-

two się wygina i nawierca. Wszel-

kie ciężkie elementy, takie jak dła-

wiki lub transformatory oraz płytki

drukowane najlepiej jest przykręcić

do płyty wiórowej. Przed malowa-

niem obudowy należy wygładzić

powierzchnię papierem ściernym

(≥200) i przemyć ją rozpuszczal-

nikiem. Drewniane boki wzmac-

Tab. 2. Kontrolne wartości napięć

i prądów

Uk +200 V zależne od oporu dławika

Un +360 V zależne od oporu dławika

Up –100 V zależne od napięcia anodowe-

go i punktu pracy

U1 +4 V

U2 +125 V

U3 +250 V

U4 +65 V

U5 +185 V

U6 +300 V

U7 +7,5 V

U8 +200 V

U9 65 mA zależne od punktu pracy

U10 65 mA zależne od punktu pracy

I1 3,7 mA

I2 3,7 mA

I3 5 mA

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2008

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1: 1 M V /0,5 W

R2: 51 k V /0,5 W

R3: 33 k V /1 W

R4: 1,1 k V /1 W

R5, R6: 330 k V /0,5 W

R7, R8: 18 k V /0,5 W

R9: 6,8 k V /1 W

R10, R11: 510 k V /0,5 W

R12, R13: 22 k V /1 W

R14: 3,9 k V /3 W

R15: 750 V /0,5 W

R16, R17: 120 k V /1 W

R18, R19: 1 V /1 W

R20: 47 V /1 W

R21...R24: 470 k V /1 W

R25, R28, R29: 10 k V /0,125 W

R26: 220 k V /0,125 W

R27: 1 k V /0,125 W

R30: 47 k V /0,125 W

Rx: 5...10 k V /1 W

Rr: 100 k V /0,125 W

Ra: dobrany doświadczalnie

P1: potencjometr 2x100 k V B (logarytmicz-

ny)

P2...P5: rezystor nastawny 47 k V A (linio-

wy)

Kondensatory

C1: 10 m F/400 V

C2...C4, C6, C7,C11...C17, C20...C22:

100 nF/400 V

C5, C8: 47 m F/400 V

C9, C10, C18, C19: 330 m F/400 V

C23, C24: 220 m F/200 V

C25...C27: 100 nF/200 V

C28...C31: 330 nF/200 V

C32, C37, C41: 220 m F/50 V

C33, C35, C36, C38, C40, C42, Cr:

10 m F/16 V

C34, C39: 10 nF/16 V

Półprzewodniki

IC1, IC8: 7805

IC2, IC9: NE555

IC3: 4013

IC4...IC7: 4026

IC10: 7812

M1: 1000 V/1 A

M2: 100 V/1 A

M3: 100 V/3 A

D1: 1N4007

D2, Da: 1N4148

Q1: BC555

W1...W4: SC52–11

Lampy

V1, V2: 6H8C

V3: 6H13C

V4: 5Ц3C

Inne

L1: 20 H

L2, L3: 10 H

T1: opis w tekście

T2: opis w tekście

T3: 6...12 V/100 mA

T4: 12...15 V/2 A

A1: 10...50 mA

G1: opis w tekście

S1, S2: styk zwierny

K1: Przekaźnik dla dwóch obwodów (cew-

ka na 5 V)

4 podstawki lampowe typu octal do

chassis

Podwójne gniazdo RCA

Gniazda głośnikowe

Rys. 11. Wykres zmierzonego pasma prototypu

Rys. 12. Cokół lamp a) 6H13C i 6H8C, b) 5Ц3C

muszą być sobie równe, ponieważ

nawet mała różnica (rzędu 1 mA)

powoduje nasycanie się rdzenia

transformatora głośnikowego i ob-

cięcie basów.

lisys”. Klikając „Scan” otrzymamy

charakterystykę częstotliwościową

naszego wzmacniacza. Pasmo pro-

totypu zostało przedstawione na

rys. 11 . Musimy pamiętać, że na

wyjściu wzmacniacza napięcie jest

większe niż to, do którego nor-

malnie jest przystosowane wejście

liniowe. Aby nie uszkodzić karty

muzycznej należy zastosować odpo-

wiedni dzielnik napięcia.

Pomiary wzmacniacza

Z pewnością, jeśli ktoś włoży

sporo serca i czasu w obliczenia

i wykonanie wzmacniacza, będzie

chciał sprawdzić, jak naprawdę

przenosi on dźwięki. Przeważnie

będzie nas interesowało jedynie

pasmo. Okazuje się, że do takich

pomiarów nie jest potrzebna skom-

plikowana aparatura. Wystarczy

zwykły komputer i program Cool

Edit PRO 2.0, który bez problemu

można znaleźć w sieci. Po zainsta-

lowaniu i włączeniu programu na-

leży utworzyć nowy projekt. Prób-

kowanie 44 kHz przy rozdzielczości

16–bitowej w zupełności wystarczy.

Następnie klikamy na „Generate”–>

„Noise...”, zaznaczamy szum biały

i wybieramy jego styl. Projekt zapi-

sujemy jako plik WAV (nie MP3! –

empetrójki obcinają pasmo nagrania,

co jest efektem kompresji stratnej

stosowanej do tworzenia pliku MP3)

i ponownie tworzymy nowy projekt.

Równolegle do głośnika (lub innego

obciążenia na wyjściu wzmacnia-

cza) podłączamy kabel „Jack”, któ-

ry podpinamy do wejścia liniowego

komputera. Na wejście wzmacniacza

podajemy zapisany wcześniej szum

biały. Nagrywamy sygnał, który

komputer odbiera przez wejście li-

niowe. Mając próbkę klikamy na

„Analyze”–>„Show Frequency Ana-

Uwagi końcowe

Jak widać, wykonanie lampo-

wego wzmacniacza audio nie jest

trudne i powinni poradzić sobie

z nim nawet średnio zaawansowani

amatorzy. Najtrudniejszym zadaniem

jest wykonanie transformatora głoś-

nikowego. W artykule pokazałem,

że jest to możliwe nawet w warun-

kach domowych. Temat ten z uwagi

na ograniczone miejsce w artykule

nie został wyczerpany. Więcej moż-

na się dowiedzieć z internetowych

artykułów, które można znaleźć pod

poniższymi adresami: