Před několika lety jsem objevil konstrukci téměř dokonalého sluchátkového zesilovače v čisté A třídě. Před časem jsem ho také postavil a oživil, ale už jsem ho ovšem nezabudoval do krabičky. Nyní jsem ho objevil a pokusím se popsat mé zkušenosti. Zesilovač navrhnul Kevin Gilmore a jeho konstrukce je zveřejněna v tomto článku: A Pure Class A Dynamic Headphone Amplifier. Konstrukce se vyskytuje na internetu ve více variantách s většími či menšími úpravami. Já jsem navrhnul plošný spoj pro jeden kanál v původní variantě a v upravené variantě známé pod názvem Dynalo. Dále jsem navrhnul zapojení a plošný spoj jednoduchého zdroje.
Vstupní část tvořená tranzistory Q1-Q4 je plně symetrická a vytváří předpětí pro následující stupeň a zajišťuje, že výstupní část bude vždy ve třídě A. Klidový proud jednotlivými tranzistory je 1mA. Jsou použity dvojité nízkošumové tranzistory typu JFET speciálně vytvořené pro audio, které se ovšem již nevyrábí a nelze je téměř vůbec sehnat. Zesílení prvního stupně je 50. LED1, Q11 a LED2, Q5 slouží jako přesný proudový zdroj pro vstupní tranzistory.
Rozkmitový stupeň je tvořen tranzistory Q12 a Q6 a má zesílení 0.5 a klidový proud 4.3mA. Je zapojen jako napěťový zesilovač.
Výkonový stupeň je zapojen jako symetrická čtveřice paralelně zapojených emitorových sledovačů Q7-Q10 a Q13-Q16. Má zesílení 0.9 a klidový proud je kolem 15mA na tranzistor při napájecím napětí +/- 16V. To způsobuje, že jsou tranzistory docela horké, ale ne zas tolik, aby byl potřeba chladič.
Zesilovač díky symetrické konstrukci nepotřebuje na vstupu ani na výstupu kondenzátor, který by mohl způsobit zhoršení kvality zvuku. I když součástky párujeme, tak se může objevit na výstupu malé stejnosměrné napětí. V obvodu je použito DC servo, které nám pomocí změny proudu pro vstupní tranzistory zajistí posun výstupního napětí na nulu. Servo je integrátor. Díky relativně velké kapacitě C1 a rezistoru R29 je frekvence filtru 0.05Hz. S dobrým operačním zesilovačem je jeho šum zanedbatelný. Operační zesilovač měří stejnosměrné napětí na výstupu, integruje ho a aplikuje ho mezi LED. Na LED se vzhledem ke změně proudu změní nepatrně jejich napětí maximálně o 3-4% a to je dostatečné pro to, aby servo pracovalo. Je ovšem stejně nutné mít tranzistory spárované, protože rozsah serva je jen asi 10%.
Pro vysokoohmová sluchátka není malé stejnosměrné napětí problém. Pokud ovšem budeme mít stejnosměrné napětí na nízkoohmových sluchátkách, např. Grados po delší dobu, může se změnit jejich zvuk, nebo se mohou úplně zničit.
Rozdíl zapojení Dynalo od původního je v přidání trimrů R30 a R31 na přesné doladění klidového proudu, dále v přidání diod D1 a D2, které slouží pro tepelnou kompenzaci proudu koncovými tranzistory a s tím související změnou hodnoty rezistoru R15. Dále by přidán malý kondenzátor C6 pro kompenzaci zpětné vazby.
Zdroj vyžaduje transformátor se dvěma sekundárními vinutími 15-16V. Popisovat budu pouze kladnou větev, záporná je zapojena stejně. Napětí z transformátoru je přivedeno na můstkový usměrňovač B1 a dále na kondenzátor C1. Za filtrační tlumivkou L1 následuje filtrační kondenzátor C3. Dále je zapojen stabilizátor LM317 v katalogovém zapojení a výstupní napětí je nastaveno pomocí R1 a R3 na přibližně 15V. Kondenzátor C9 je nutný pro stabilitu stabilizátoru a C5 zlepšuje šumové parametry. D1 slouží jako ochrana LM317 pro vybití C5. Následuje blokovací kondenzátor C11 a malý filtrační kondenzátor C7. Na napájecí napětí je připojena LED dioda D3 přes R5 signalizující přítomnost napájecího napětí.
Začneme osazením všech rezistorů. Zapojení je dost kritické na přesnost hodnot součástek, zvláště kolem vstupních JFET tranzistorů, takže rezistory by měly být hodně přesné. Můžeme jich nakoupit více a následně vybrat ty nejbližší. Pokračujeme osazením tranzistorů Q5 a Q11, které by měly mít téměř stejný zesilovací činitel H21e. Dále osadíme diody LED1 a LED2, které by měly mít pokud možno stejné napětí. Ideálně si jich koupíme více a vybereme. Dále osadíme ostatní bipolární tranzistory Q6 až Q10 a Q12 až Q16. Opět se předem pokusíme osazovat tranzistory s co nejpodobnějšími parametry. Pokud stavíme verzi Dynalo, tak osadíme navíc diody D1 a D2, které by měly být tepelně svázány s koncovými tranzistory např přilepením na společný malý chladič. Také navíc osadíme trimry R30 a R31. Musíme je otočit do polohy s největším odporem! Druhou skupinu spárovaných součástek využijeme na druhý kanál. Dále osadíme tranzistory JFET. Ideálně dvojité typy 2SJ109BL a 2SK389BL. Já jsem sehnal již jen 2SJ74BL a 2SK170BL. BL označuje Idss klasifikaci 6 až 12mA. Dáváme si velký pozor na orientaci tranzistorů, protože plošný spoj je primárně navržen pro dvojité tranzistory. Pomůže fotografie. Dále osadíme kondenzátory, ale operační zesilovač ještě neosazujeme. S tím počkáme až na oživení. Stejný postup aplikujeme i na desku pro druhý kanál.
Desku zdroje osazujeme od nejmenších součástek po největší. Zvlášť vybíráme rezistory R1, R2 a R3, R4 kvůli přesnému nastavení výstupních napětí. Ideálně by měl být zdroj dokonale symetrický. Na místo L1 a L2 lze použít také 2 wattový rezistor o malém odporu kolem 1 ohmu. Po osazení připojíme desku zdroje k dvojitému transformátoru a pokud je vše v pořádku, měly by se nám rozsvítit diody D3 a D4 a na výstupech by mělo být napětí +/- 15V. Já naměřil 15.33V.
Plošné spoje jsou jednostranné s širokými cestami a lze je vyrobit jednoduše v amatérských podmínkách. Já jsem si je nechal udělat u firmy Kohout Spoj.
Pokud jste zkontrolovali, že zdroj dává správné napětí, uzemněte vstup zesilovače, nebo připojený potenciometr natočte do nulové polohy a připojte jeden kanál na napájení.
Nyní pomocí multimetru zkontrolujeme několik bodů, abychom viděli že zapojení pracuje správně. Na R9 a R10 bychom měli naměřit napětí kolem 1V, což odpovídá proudu 2mA který dodává zdroj konstantního proudu. Já jsem naměřil 1.048 až 1.05V. Pokud je napětí menší než 0.85V, nebo větší než 1.15V, tak bude něco špatně. Možná je použitá LED s jiným napětím, než 1.6V.
Na rezistoru R15 bychom měli naměřit lehce přes 2 volty, což odpovídá klidovému proudu napěťového zesilovače 4mA. Já jsem naměřil 2.035V. V případě varianty Dynalo bychom na rezistoru R15 o hodnotě 215 ohmů měli naměřit 0.86V.
Na rezistorech R18 až R25 bychom měli naměřit napětí okolo 0.37V, což odpovídá klidovému proudu 15mA každým tranzistorem koncového stupně. Jestliže je napětí menší než 0.32V, nebo větší než 0.44V, tak je něco špatně. Já jsem po zahřátí naměřil napětí kolem 0.39V. Verze Dynalo by měla lépe stabilizovat klidový proud koncovými tranzistory pomocí tepelné zpětné vazby diodami D1 a D2. Výkonová ztráta na každém tranzistoru je kolem 240mW.
Pokud vše vypadá dobře, můžeme nyní změřit stejnosměrné napětí na výstupu. Pokud jsme pečlivě spárovali součástky, měli bychom na výstupu zesilovače naměřit stejnosměrné napětí od -50mV do +50mV. Pokud máme verzi Dynalo, tak se pokusíme zmenšit offset pomocí trimrů R30 a R31. Měly by být nastaveny na největší odpor. S jedním začneme otáčet a pokud se napěťový offset zvětšuje, tak ho vrátíme do původní polohy a otáčíme s druhým, dokud nedosáhneme offset menší než 5mV. Pokud nám vadí použití trimru, můžeme změřit hodnotu R9 s R30 a R10 s R31 při minimálním offsetu a nahradit je jiným rezistorem, nebo dvojicí rezistorů s naměřenou hodnotou.
Pokud jsme úspěšně minimalizovali napěťový offset na výstupech, můžeme nyní přikročit k zapájení operačního zesilovače IC1, který funguje jako DC Servo. Pokud servo pracuje správně, mělo by být na výstupu patrné, že se offset pomalu zmenšuje a pohybuje se kolem nuly maximálně +/-2mV a ideálně +/-1mV. Je opravdu nutné, aby byl offset minimalizován před osazením serva, protože servo má poměrně malý rozsah regulace a při příliš velkém offsetu nebude pracovat. U verze Dynalo lze ještě offset po studeném zapnutí zesilovače rychle donastavit na co nejnižší hodnotu pomocí trimru.
Zesilovač je nejlepší zabudovat do kovové skříňky. Na okolních fotografiích
je vidět instalace do krabičky Hammond. Je důležité dbát na to, aby síťový
transformátor a vodiče ke zdroji byly daleko od vstupních vodičů.
Je vhodné použít toroidní transformátor, který má menší vyzařování
magnetického pole. Je také třeba dát pozor na zemní smyčky. Zem obou desek
zesilovačů a výstupního konektoru je svedena do centrálního bodu na zdrojové
desce. Zem ze vstupu je přivedena na potenciometr a dále přímo na desky
zesilovačů. Pro vstupní signál je vhodné použít stíněný vodič.
Alternativně by bylo možné zem ze vstupu připojit do centrálního
zemnícího bodu zdroje a nepřipojovat jí na desku zesilovače.
Potenciometr je vhodné umístit poblíž vstupů a na přední panel ho propojit
pomocí prodlužovací tyčky. Na stabilizátory umístíme malé chladiče.
Pokud máme větší skříňku, můžeme dát na vstup síťového napětí filtr a pojistku.
Z obrázku je patrné, jak zesilovač zapojit.
Deska zesilovače
Deska zdroje
Kompletní zesilovač foto © Martin Saidl
Vnitřek zesilovače foto © Martin Saidl
Pohled z přední strany foto © Martin Saidl
Tranzistory JFET je stále těžší sehnat. Někteří prodejci nabízejí i službu párování tranzistorů za úplatu. Rezistory je dobré použít alespoň 1%. Ostatních tranzistorů můžeme koupit více, protože jsou levné. Budou se nám lépe párovat. To stejné platí o LED diodách. Vybíráme opravdu červené LED stejného typu s napětím 1.6V. Jako potenciometr můžeme použít například 10k logaritmický dvojitý potenciometr ALPS-RK27. Zesilovač nesmíme nikdy zapínat bez potenciometru, nebo rezistoru na vstupu. Hrozí zničení sluchátek. Síťový transformátor je nejlepší toroidní, nebo plochý s CI jádrem. Pokud bude trafo externí, nebo bude v krabičce dost místa, můžeme také použít obyčejné trafo s EI jádrem. Ostatní součástky jsou běžně dostupné.
| označení | hodnota a typ | počet na dvě desky |
|---|---|---|
| R1-R4 | 200R 1% | 8ks |
| R5-R8 | 5k 1% | 8ks |
| R9, R10 | 500R 1% | 4ks |
| R11, R12 | 7k5 1% | 4ks |
| R13, R14, R26 | 1k 1% | 6ks |
| R15 | 215R 1% | 2ks |
| R16, R17 | 3k3 1% | 4ks |
| R18-R25 | 25R 1% | 16ks |
| R27 | 10k 1% | 2ks |
| R28 | 15k 1% | 2ks |
| R29 | 1M 1% | 2ks |
| R30, R31 | 100k trimr typ 64W (pouze DYNALO) | 4ks |
| C1 | 330nF/63V fóliový RM5 | 2ks |
| C2, C3 | 100uF/25V elektrolytický low ESR 105°C RM3.5 | 4ks |
| C4, C5 | 100nF/63V fóliový RM5 | 4ks |
| C6 | 10pF keramický RM5 | 2ks |
| D1, D2 | 1N4148 | 4ks |
| IC1 | TL071P DIL8 | 2ks |
| LED1, LED2 | Červená LED 1.6V 5mm | 4ks |
| Q1, Q2 | 2x 2SJ74BL (1x 2SJ109BL) | 4ks (2ks) |
| Q3, Q4 | 2x 2SK170BL (1x 2SK389BL) | 4ks (2ks) |
| Q5-Q10 | 2SC1815 | 12ks |
| Q11-Q16 | 2SA1015 | 12ks |
| X1 | Molex 3pin | 2ks |
| označení | hodnota a typ | počet |
|---|---|---|
| B1, B2 | Diodový můstek 1.5A/100V | 2ks |
| C1-C4 | 2200uF/25V elektrolytický low ESR 105°C RM7.5 | 4ks |
| C5, C6 | 10uF/63V elektrolytický low ESR 105°C RM2.5 | 2ks |
| C7, C8 | 100uF/25V elektrolytický low ESR 105°C RM3.5 | 2ks |
| C9-C12 | 100nF/63V fóliový RM5 | 4ks |
| D1, D2 | 1N4004 | 2ks |
| D3, D4 | LED zelená 2mA | 2ks |
| F1, F2 | Pojistka radiální T500mA do PCB | 2ks |
| IC1, IC2 | LM317 pouzdro TO220 + malý chladič | 2ks |
| L1, L2 | 45uH axiální 500mA | 2ks |
| R1, R2 | 2k7 1% | 2ks |
| R3, R4 | 240 1% | 2ks |
| R5, R6 | 4k7 | 2ks |
| X1, X2 | molex 3pin | 2ks |
| X3, X4 | Svorkovnice AK300/2 | 2ks |
| TR1 | Transformátor 230V/2x15V 2x8VA | 1ks |
Tento zesilovač pracující ve třídě A má vynikající zvuk a dostatečný výkon pro většinu sluchátek. Konstrukce je relativně jednoduchá, ale velmi náročná na výběr součástek a nastavení. Největším problémem je nedostatek JFET tranzistorů. Zesilovač byl úspěšně postaven v mnoha exemplářích a variantách.
-
English
Česky