10-25-30 W Klasse A Effektforsterker (ASK)

Innledning

Denne forsterkeren er en forenklet versjon av Mimir-forsterkerne (Mimir and Mimir v.2).Den er inspirert av, og ligner også litt på, den relativt kjente 20 W Hiraga-forsterkeren. Utgangstrinnet er relativt likt Hiraga-forsterkeren, mens utgangseffekten er økt noe. Det er heller ikke noe problem å nedskalere denne forsterkeren til en lavere utgangseffekt.

Komplett skjema

Forsyningsspenningene VPOS og VNEG er omtrent +25V/-25 V. Inngangstrinnet er dannet av to symmetriske emitterfølgere, med transistorene Q9 og Q10, som vist i figuren under. Hvilestrømmene til disse to transistorene trimmes til omtrent 1 mA ved å bruke potensiometrene RV5 og RV6. Disse potensiometrene vil imidlertid også trimme hvilestrømmen i utgangstransistorene og offsetspenningen på utgangen. Siden de to transistorene er koblet som emitterfølgere, har de dermed en spenningsforsterkning på i underkant av 1 gang (0 dB). Transistorene er komplementære typer med ganske gode spesifikasjoner ved 1 mA. Motstandene R1 + R2 bestemmer inngangsimpedansen. R1 har en relativt lav verdi mens verdien til R2 ikke bør være for høy siden det er en liten hvilestrøm ved inngangen (lik forskjellen mellom basisstrømmene til Q9 og Q10) som går gjennom denne motstanden.

Transistorene Q13 og Q14 er koblet som felles-emittertrinn og utgjør mellomtrinnet. Hvilestrømmen i disse transistorene er med de viste verdiene ca. 1 mA som for Q9 og Q10. Merk at koplingen mellom Q9 og Q13 samt mellom Q10 og Q14 er relativt temperaturstabil siden base-emitterspenningen i de komplementære parene vil følge hverandre ganske godt siden transistorene har samme hvilestrøm. Motstandene R17 og R18 er koblet til forsterkerens utgang og sikrer dermed spenningstilbakemeldingen. Dette gir da en (lukket sløyfe) forsterkning omtrent lik:

A_V = R17/R15 = R18/R16 = 1000/100 = 10 ganger (20 dB)

Forsterkningen i hvert felles-emittertrinn er omtrentlig:

A₁ = R11/(r+R15) hvor r er lik intrinsikk emittermotstand gitt som forholdet mellom termisk spenning (25 mV ved romtemperatur) og kollektorstrøm (her 1 mA).

Forsterkningen i hvert felles-emittertrinn vil da være omtrentlig:

A₁ = 1500/(25+100)= 12 ganger (21 dB)

R11 og R12 er i realiteten belastet med utgangstrinnet, følgelig reduseres forsterkningen fra denne verdien.

Utgangstrinnet utgjøres av transistorene Q21/Q25 i øvre halvdel og Q22/Q26 i nedre halvdel. De danner Sziklai-par (komplementære Darlington-par). Siden utgangssignalet er hentet fra emitteren til Q25/Q26, vil disse Sziklai-parene utgjøre vanlige fellesemitterforsterkere. Dette er veldig uvanlig, siden de fleste effektforsterkere har utganger som kjører i felles kollektor (de er emitterfølgere).

Forsterkningen for hvert Sziklai-par er omtrent gitt som forholdet:

A₂ = R_L/R23, hvor R_L er belastningen på utgangen (egentlig høyttaleren). Denne forsterkningen er da:

A₂ = 8/0.5 = 16 ganger (24 dB) for en ren resistiv belastning på 8 ohm. Siden emitterne til Q25 og Q26 summeres ved utgangen, dobles forsterkningen, som her blir lik 32 ganger (30 dB).

Lineariteten til Sziklai-parene er veldig høy. Både driverne Q21/Q22 og utgangstransistorene Q25/Q26 er gjensidig komplementære par. Driverne er mindre effekttransistorer og kan velges som raske typer. Disse transistorene kan dra nytte av sine egne små kjøleribber. Effekttransistorene Q25 og Q26 skal monteres på en stor kjøleribbe. Driverne må ikke monteres på samme kjølefinne da dette vil gi større temperaturdrift.

Vær oppmerksom på kondensatorene C19 og C20. De stabiliserer forsterkeren og gir tilstrekkelig fase- og forsterkningsmargin.

Hvis vi ønsker en 25 W klasse A forsterker, må RMS-spenningen for en last på 8 ohm være:

V=√ P·R =√ 25·8 =14,1 V

Dette tilsvarer en toppverdi på:

V_p = 14,1√ 2 =20,0 V

For en last på R_L = 8 ohms tilsvarer dette en toppverdi for strømmen på:

I_p = V_p/R_L = 20,0/8 = 2,50 A

Siden utgangen opererer i Push-Pull, må hvilestrømmen til Q25/Q26 være minst:

I_C = I_p/2 =2,50/2 = 1,25 A

For en 30 W klasse A forsterker, må RMS-spenningen for en last på 8 ohm være:

V=√ P·R =√ 30·8 =15,5 V

Dette tilsvarer en toppverdi på:

V_p =15,5√ 2 =21,9 V

For en last på R_L = 8 ohm tilsvarer dette en toppverdi for strømmen på:

I_p = V_p/R_L = 21,9/8 = 2,74 A

Siden utgangen opererer i Push-Pull, må hvilestrømmen til Q25/Q26 være minst:

I_C = I_p/2 =2,74/2 = 1,37 A

Med en forsyningsspenning på 25V er det mulig å få 30W ut av denne forsterkeren før klipping, så en hvilestrøm på 1,4A i oppvarmet tilstand kan være et rimelig mål. Fra kald forsterker til arbeidstemperatur stiger hvilestrømmen ca. 0,2 A. Dette skyldes hovedsakelig at base-emitterspenningen i Q21/Q22 faller med temperaturen. Merk også at temperaturen i utgangstransistorene Q25/Q26 i seg selv ikke påvirker hvilestrømmen. Dette er i motsetning til de fleste andre effektforsterkerne.

Hvilestrømmen justeres med potensiometrene RV5 og RV6. Offset på utgangen trimmes dermed også ved hjelp av disse potensiometrene.

Q13 og Q14 ble funnet å ha en spenningsforsterkning fra base til kollektor på omtrent 12 ganger (21 dB). Siden R11 og R12 belastes av inngangsmotstanden til Sziklai-parene (Q21/Q25 og Q22/Q26), blir spenningsforsterkningen i Q13 og Q14 omtrent lik:

A₁ = 10 ganger (20 dB).

Forsterkningen for hvert Sziklai-par for en ren resistiv belastning på 8 ohm ble gitt som:

A₂ = 16 ganger (24 dB).

Den totale forsterkningen i åpen sløyfe er da omtrent gitt som:

A₀ = 10∙2∙16 ganger = 320 ganger (50 dB).

Med en lukket sløyfeforsterkning på 20 dB blir tilbakekoplingen da 30 dB.

Simuleringsresultater

Data i det følgende antar en lukket sløyfeforsterkning på 10 ganger (20 dB). Med en belastningsmotstand på 8 ohm og en tomgangsstrøm på 1,4 A, kan en åpen sløyfe forsterkning på ca. 48 dB oppnås. At forsterkningen ved åpen sløyfe er mindre enn de beregnede verdiene, skyldes at den antatte forsterkningen i Q13/Q14 og i Sziklai-paret er antatt for optimistisk. I tillegg vil spenningsforsterkningen i emitterfølgerne Q9/Q10 være mindre enn 1. Forsterkerens åpen sløyfebåndbredde ifølge simulatoren er ca 60 kHz med kondensatorene C19 og C20 på 68 pF. Dette gir en fasemargin på ca 85 grader. En slew rate på ca. 25 V/us med de valgte raske driverne er oppnådd. Båndbredden til forsterkeren er omtrent 1,8 MHz. Dersom C19 og C20 ikke er montert eller har for lave verdier, må det påregnes stabilitetsproblemer. Forsterkeren kan drive kapasitive belastninger uten problemer, siden slike belastninger automatisk fører til redusert åpen sløyfebåndbredde. Utgangsmotstanden er over 0,3 ohm. Forvrengningen ved 1 kHz og 10 kHz er omtrent 0,07 % ved halv utgangseffekt (15 W), og den domineres av 2. og 3. harmoniske med raskt fallende høyere harmoniske. Med en forsyningsspenning på +/- 25 V klipper forsterkeren ved ca. 22,5 V i toppverdi.

10 W versjon

Det eneste som må gjøres, med henvisning til skjemaet, er å redusere verdien av motstandene R3 og R4 til 13 kohm og motstandene R11 og R12 til 1,3 kohm. Hvis vi ønsker en 10 W klasse A forsterker, må RMS-spenningen for 8 ohm last være:

V=√ P·R =√ 10·8 = 8,9 V

Dette tilsvarer en toppverdi på:

V_p = 8,9√ 2 = 12,6 V

For enn last på R_L = 8 ohm tilsvarer dette en toppverdi for strømmen på:

I_p = V_p/R_L = 12,6/8 = 1,60 A

Siden utgangen opererer i Push-Pull, må hvilestrømmen til Q25/Q26 være minst:

I_C = I_p/2 = 1,60/2 = 0,80 A

En forsyningsspenning på ca +/- 16 V vil da være passe. Da kan en 2x12 V ringkjernetransformator i strømforsyningen beskrevet nedenfor, være egnet.

Kretskort

Utlegget for forsterkerkretskortet er vist i figuren nedenfor. Denne har målene 100x52 mm. Komponentene i diagrammet ovenfor er alle plassert på samme kretskort. J1-J6 er kontaktene på brettet. Verdiene vist for komponentene i diagrammet passer for en 25-30 W forsterker. Drivertransistorene Q21 og Q22 kan monteres med egen kjølefinne, en termisk motstand på 35 K/W eller mindre kan anses som passende. Effekttransistorene Q25 og Q26 må monteres på en stor kjøleribbe, en termisk motstand på 0,4 K/W eller mindre kan anses som passende. Motstand R0 skiller mellom signaljord (GND) og effektjord (Earth). Denne motstandsverdien vil typisk ligge i området 4-10 ohm.

Med 3D i KiCad ser kretskortet slik ut:

<

>

Og slik ser et nær ferdig kretskort ut:

Strømforsyning

Forsyningsspenningen bør være minst +24/-24 V for 25 W (til 8 ohm) klasse A-drift. Som eksempel kan strømforsyningen bestå av blant annet en 2x18 V 300-500 VA transformator (T1), felles for begge kanaler, se figuren under. Separate likerettere (D1 og D2) kan brukes for positiv og negativ spenning. 47000 μF kondensatorer og 0,47 ohm effektmotstander for filtreringen kan anses som rimelige. En sikring (F1) på primærsiden er et krav. En effektbryter er vanligvis i serie med denne sikringen. VPOS i skjemaet viser til V+R og V+L i figuren under, mens VNEG i skjemaet viser til V-R og V-L i figuren under (R for Høyre kanal og L for venstre kanal).

CRC-komponentene 1-6 kan plasseres på et eget kretskort, men dette er selvsagt ikke et krav; se figuren nedenfor. Størrelsen på motstandene kan økes for bedre rippelundertrykkelse, men det må tas hensyn til effekttap. Dette resulterer også i redusert maksimal utgangseffekt for forsterkeren.

Med 3D i KiCad ser strømforsyningskortet slik ut:

Montering

10 W-versjonen av denne forsterkeren er bygget. Utgangene fra 2x12 V-transformatoren ble matet til likeretterne og videre til det separate strømforsyningskortet med CRC-filtrering. Det ble laget en forbindelse fra jord på strømforsyningskortet til felles jord på chassiset. Jorden til signalinngangskontakten er koblet til skjermen på phono-kabelen og deretter koblet til forsterkerkretskortet, til punktet merket GND. Den varme enden av phonokabelen er koblet til forsterkerkortet merket IN. Fra høyttalerutgangen tvinnes de to ledningene og føres til forsterkerkortet til punktene merket OUT og EARTH. Sistnevnte er koblet til minuslederen. Fra strømforsyningskortet lages forbindelser fra strømforsyningen til forsterkerkretskortene.

Alle tilkoblinger bør være så korte som mulig. Hvis noen form for ustabilitet, støy eller brum skulle oppstå, er det høyst sannsynlig at årsaken er dårlige forbindelser. Det anbefales å bruke en variabel netttransformator når forsterkeren startes for første gang. Etter hvert som spenningsforsyningen øker, justeres bias og offset ved å bruke potensiometrene RV5 og RV6. Hvis mulig bruk et oscilloskop for å se på utgangen, det skal ikke være annet enn støy her hvis alt er i orden. Når temperaturen øker, kan det være nødvendig å justere hvilestrømmen og offset på utgangen.

Stykkliste (BOM) er vist nedenfor. Forsterkeren egner seg godt for personlige tilpasninger. Ved utskiftninger, husk å ta hensyn til endrede fysiske dimensjoner og pinnekonfigurasjoner, spesielt ved bruk av andre transistortyper ved montering på kretskortet.

Stykkliste for en kanal på kretskort

Det er brukt metallfilmmotstander med 1 % toleranse. Effektmotstandene er på 3 W mens de andre motstandene er på 0,6 W. Andre typer er selvfølgelig også mulig så lenge de passer i kortet. Drivertransistorene Q21 og Q22 er raske typer med svært lav Cob (kollektor-base kapasitans). Paret 2SC5200/2SA1943 fra Toshiba ble brukt til utgangstransistorene Q25/Q26. Disse kommer i et plasthus og ble montert direkte på en stor kjøleribbe. For en 30 W forsterker er effekttapet for hver av disse transistorene ca 35 W, slik at man ikke skal undervurdere kjølebehovet.

R1 680 ohm
R2 33 kohm
R3, R4 22 kohm (13 kohm for 10 W, se tekst)
R7, R8 100 ohm
R11, R12 1,5 kohm (1,3 kohm for 10 W, se tekst)
R15, R16 100 ohm
R17, R18 1 kohm
R23, R24 0,5 ohm 3 W

RV5, RV6 10 kohm Potensiometer Bourns 3386F

C19, C20 68pF NP0/C0G P 5,0mm
C27, C28 10u Radiell Film L 18,0mm W 9,0mm P 15,0mm

Q9, Q14 KSA992 TO-92
Q10, Q13 KSC1845 TO-92

Q21 KSA1381 TO-126
Q22 KSC3503 TO-126
Q25 2SC5200 TO-264
Q26 2SA1943 TO-264

J1 Skruterminal 01x02
J2-J6 Loddeterminaler

Kjølefinne (2 stk) Fischer SK95 eller tilsvarende
Kjølefinne 0,3 K/W eller tilsvarende

Please notice:
This project description is for non-commercial use, only. Using this document on a site and charging a fee for download is vialation of non-commercial use and prone to demand for payment. So, for commercial use, contact me for agreement of terms. This page, however, can be downloaded for own use, and linked to, not violating term of non-commercial use.

Hjem