Bohumil Federmann

Rubriky

L

Nejnovější

Korekční zesilovač „zapojení Federmann“

Hodnocení uživatelů: 5 / 5

Popis zapojení

Zapojení vychází z principu popsaném v modelu „zapojení Federmann“. Zapojení jako takové bylo modelováno v prostředí MC7 a provedeno nespočet praktických zkoušek.

Na obrázku 1 je celkové schéma zapojení popisovaného korekčního zesilovače. Schéma bylo vytvořeno v prostředí „EAGLE“. Tuto informaci uvádím poněvadž všechny použité grafické znaky nemusí odpovídat běžným zvyklostem a platným normám. To však pro většinu zájemců nemusí nutně znamenat snížení srozumitelnosti.

.

Zesílení celého korekčního zesilovače jsem volil 2x tj. +6dB. Rozsah regulace zesílení pak pomocí balancí od +3dB do +9dB, pomocí regulace basů a výšek pak o ±20dB a více. Skutečnost je zřejmá z naměřených veličin. Zde je třeba si uvědomit, že rozsah regulace je extrémně vysoký a je zapotřebí ji používat vždy přiměřeně.

Aby bylo možno dosáhnout maximálního rozkmitu výstupního napětí je nutno velikost referenčního napětí volit dostatečně malou. Zde tato hodnota není tak kritická jako u koncového stupně. Referenční napětí se nám pak objeví na odporech R7, R2, R3, R8, R9, R12, R13, R14, R20, R21, R22, R23, R27, R28, R30, R33. R34, R35, R41 a R42, Jako prvotní zdroj referenčního napětí jsem volil úbytek napětí diodě Led, je vhodné použít červenou, není však podmínkou. Od úbytku napětí na Led diodě je odvozena prvotní reference a následně jsou odvozeny všechny proudy. Skutečná reference je pak vytvořena na odporu R6, jako úbytek napětí vytvořený proudem IR4. proud IR4=ULed/R4.

Typický konstantní klidový odběr celého korekčního zesilovače je cca 30mA v závislosti od napětí Led diody. V kladné větvi o IR4 a IR5 tj. cca 3 mA méně. Zapojení je dokonale funkční již od napájecího napětí 2x5 V až po průraz tranzistorů tj. více jako 2x65 V. Osobně doporučuji příliš nepřekračovat napájecí napětí 2x35 V, při kterém jsou ztrátové výkony výstupních tranzistorů na cca 50% dovoleného výkonu. . Pro napájení z vyššího napětí doporučuji do napájecí cesty zařadit další odpory, kde vznikne konstantní úbytek odvozený od konstantního odběru proudu korekčního zesilovače.

Volba zesílení

Pomocí odporů R10 a R11 (R31 a R29 ) lze nastavit libovolné zesílení. Toto zesílení je zapotřebí upravit dle vlastních potřeb. Zesílení se bude lišit od použití, pro jaké účely budeme korekční zesilovač používat. Uvedené hodnoty platí pro citlivost 0dB, tj. 775mV a požadované výstupní napětí +6dB, tj. 1.55V.

Pokud použijeme jako zdroj signálu např. PC s výstupním napětím cca 400mV a požadujeme výstupní napětí +6dB, tj. 1.55V, musíme vstupní citlivost zvětšit na -6dB, tj. ještě 2x. Dosáhneme toho zvětšením R10 a R31 na hodnotu 68kΩ.

Pro případ zdroje signálu s výstupním napětím -26dB, tj. cca 50mV použijeme zesílení 20x, odtud odpory R10 a R31 o velikosti cca 330kΩ.

Konstrukce

Konstrukci jsem volil jako jednostrannou klasickou montáž, součástky jsou na vrchní straně jednostranného plošného spoje. Použité prvky jsou zcela běžné a finančně nenákladné, jedno z konstrukčních kritérii jsem volil cenu.

Plošný spoj je o síle 1,5mm, tloušťka mědi 35μm, otvory vrtané CNC, nepájivá maska, cínováno, na vrchní straně potisk.

Na obrázku 2 je renderovaný obraz, tudíž 3D obraz vytvořeny pomocí prostředí 3D EAGLU. Ne všechny prvky jsou zobrazeny správně (konektory) a potenciometry jsem nezobrazoval (omezení knihovnami).

.

Odpory jsou typu TR204. kondenzátory s uvedeným napětím jsou elektrolytické a ostatní jsou keramické, vyjma kondenzátorů tvořících frekvenční charakteristiku, které jsou kondenzátory svitkové s tolerancí 5%.

Dále jsem použil miniaturní přímé konektory pro snazší manipulaci, ale i menší riziko poškození PS při manipulaci a oživování. PS lze přišroubovat na libovolný nosič pomocí dvou šroubů M3, mimo to lze PS uchytit i prostřednictvím potenciometrů. Je vhodné před osazováním spoj upravit na přesný rozměr minimálně na straně potenciometrů, nebo použít na hřídele potenciometrů podložky.

Vlastní PS je vytvořen v prostředí Eagle, je vyráběn profesionálně včetně potisku, nepájivé masky, pocínování a vrtání všech děr, což je v amatérských podmínkách jen špatně proveditelné. Při pájení postačí transformátorová pájka a dostatek zručnosti. Pro ty, kteří ji ještě nezískali je vhodné si nejdříve pájení odzkoušet na nějakém zkušebním spoji.

Odpory je vhodné pájet pomocí podložky. Všechny součástkové vývody je vhodné nejdříve zkrátit cca na 1 mm nad spoj a pak zapájet. Není vhodné zkracovat vývody až po pájení, dochází k poškozování spoje jako takového v horším případě i odtržení vodivé cesty.

Oživení

Oživení je jednoduché, připojíme napájecí napětí, kde nám postačí 2x5 V a překontrolujeme výstupní napětí jednotlivých částí, nejlépe na zpětnovazebních kapacitách C2, C11, C14 a C20. Typicky by mělo být výstupní napětí do 1V. Pokud tomu tak není pak musíme překontrolovat všechny referenční napětí na odporech R7, R2, R3, R8, R9, R12, R13, R14, R20, R21, R22, R23, R27, R28, R30, R33. R34, R35, R41 a R42, které by mělo být cca 0,8 V Na odporu R4 by mělo být 1,6 V. Klidový odběr celého koncového stupně by měl být cca 30 mA. V záporné větvi o IR4 a IR5 tj. cca 3 mA více. Nyní je vhodné překontrolovat průchod signálu pomocí obdélníkového signálu o kmitočtu 1 kHz, kde můžeme překontrolovat změnu tvaru při pohybu potenciometrů basů a výšek. Pokud máme potenciometry uprostřed, měl by obdélníkový signál procházet tvarově nezměněn, pouze zesílen o +6dB.

Na obrázku 3 je naměřená přenosová charakteristika korekčního zesilovače při nastavění potenciometrů uprostřed. Charakteristika byla naměřena měřícími přístroji HP, které jsou zřejmé s obrázku. Přístroje byly ovládány z počítačového prostředí VEE.

Je zřejmé, že pro pokles -3dB lze použít charakteristiku s takto nastavenými potenciometry až do 70kHz.

.

Zkreslení

Zde je nutno podotknout, že korekční zesilovač byl proměřován až do frekvencí 3MHz!! Po čas celého měření, na všech frekvencích nevykazoval žádných tvarových změn výstupního signálu, vždy se jednalo pouze a pouze o změnu úrovně, velikosti signálu!

Při měření jiných konstrukcí korekčních zesilovačů tato vlastnost neplatila, většina korekčních zesilovačů již tvarově deformuje signály v pásmu pod 20kHz.

Tato skutečnost mne právě vedla k řešení korekčního zesilovače v „zapojení Federmann“. Většina konstruktérů se doslova honí za skreslením koncového stupně daleko pod 0,1% na straně jedné a vůbec jim na straně druhé nevadí zkreslení vytvořené v předchozích stupních a to běžně na kmitočtu 20kHz zkreslení vyšší než 10%!!!

Pokud považuji za potřebné přenášet běžně pásmo od 5Hz a ž po minimálně 200kHz, pak je nutné v celém rozsahu zaručit i zkreslení řádově 0,1%. Všechny uvedené konstrukce jsou konstruovány tak aby tyto hodnoty byly splněny pro všechny použité prvky v celé přenosové cestě!! Korekční zesilovač toho není výjimkou.

.

Na obrázku 4 je opět naměřená přenosová charakteristika korekčního zesilovače. Je zde zřejmé zesílení v okolí 1kHz cca +6dB, ale také převýšení zesílení od této úrovně na kmitočtech 20Hz a 20kHz. Červeně je znázorněna hranice +6dB. Mimo to je zřejmé i zesílení na ostatních kmitočtech.

.

Na obrázku 5 je opět naměřená přenosová charakteristika korekčního zesilovače. Je zde zřejmé zesílení v okolí 1kHz cca +6dB, ale také pokles zesílení od této úrovně na kmitočtech 20Hz a 20kHz. Mimo to je zřejmé i zesílení na ostatních kmitočtech.

Zapojení

Pokud jsme již korekční zesilovač oživili pak jej můžeme napevno zapojit. Při zapojení je vždy kritické zapojení zemí, kde nesmíme vytvořit spolu s ostatními zapojenými díly smyčku. Platí obdobně jako je tomu u koncového stupně. Zem je nutno připojit dle možnosti jenom jednou.

Upevnění

Upevnění je vhodné si rozmyslet před vlastní konstrukcí. Dále pak spoj upravíme před započetím jeho osazování. Rozměr ořezaného plošného spoje je 25x157mm (25x169mm).

Pokud použijeme upevnění za potenciometry, pak je vhodné správně zarovnat obrys plošného spoje, hlavně v přední části. Pokud jme tak neučinili použijeme pod potenciometry podložky, čímž se nám oddálí plošný spoj od předního panelu. Při tomto uchycení můžeme spoj ze stran zkrátit.

Jako další možnost je uchytit plošný spoj za k tomu přichystané otvory ø3mm. Pokud jsme již tuto část plošného spoje neodstranili.

Závěr

Na obrázku 6 je pohled se strany součástek shodný s potiskem plošného spoje. Jedinou odlišností od potisku je použití tandemových potenciometrů. Ve vlastním návrhu byly použity, z důvodu srozumitelnosti schématu, potenciometry dva jednoduché, odtud i jejich značení 2A-2B a 3A-3B.

.

Na obrázku 7 je obrazec plošného spoje, je nutno uvést že většina vodivých cest je provedena o šířce 0,25 či 0,3mm! Otvory jsou opět ve většině případů ø0,7mm.

.