Hi-Fi svět

QQF-55 KS 500W, chlazení

Jak jsem zmínil, doporučuji zcela obecně provozovat v zájmu kvality reprodukce a potřebné přebuditelnosti, všechny zesilovače při hodnotě efektivního výkonu, pod 10% výkonu maximálního, špičkového. Pro uvedené zapojení to platí rovněž.

Lze předpokládat účinnost 50%, tím se dostaneme, k rovnocennému ztrátovému výkonu na chladiči tj. 10% výkonu maximálního. Pokud nám na kvalitě reprodukce natolik nezáleží a hlasitost bude vyšší za cenu ořezávání, některých pasáží, pak úměrně povýšíme i velikost ztrátového výkonu na chladiči, při 30% se stává reprodukce značně ořezána.

Zcela záměrně neuvažuji klidový ztrátový výkon. Tento je natolik malý, že s ním nemusím vůbec počítat.!!!

Pro případné srovnání s běžnými zesilovači má konstrukce „zapojení Federmann“ jisté výhody. Uvedu-li běžný zesilovač 100W, napájení 2x35V s klidovým proudem 100mA, vyjde klidový ztrátový výkon 7W. tento výkon se musí ztratit na chladiči. Kdežto v „zapojení Federmann“ je tento ztrátový výkon až při efektivní hlasitosti 7W!!! Při této hlasitosti a kvalitním zdroji signálu však již dosahuje výstupní výkon ve špičkách přes 90W. Lze tedy říci, že chlazení postačí na úrovni 50-60% chlazení obdobných zesilovačů běžné konstrukce. Chladič tedy volíme dle výkonu s ohledem na zde popsané, přesto jej nesmíme jej poddimenzovat.

Ochrany

Stalo se velmi módní používat různé ochrany a to ať výkonovou či různé ochrany reproduktorů.

Zastávám názor, že ochrany v koncovém stupni nahrazují něco, co autor neuměl vyřešit jinak. Pokud vezmu ochranu výkonovou, je ve všech zapojeních pouhým proudovým omezením, sebou nesoucím nekonečné množství konstrukčních potíží. Pozdní připojení reproduktorů či ochrana před ss napětím je spíše řešení nevhodné konstrukce složitým způsobem. Tím rozhodně nechci nikterak znevažovat tyto konstrukce a koncepce.

Proudové omezení v případě zkratu, či přetížení je výstupní proud omezen, většinou nad maximální běžný proud, u lepších ochran dojde k následnému snížení tohoto proudu. Pokud si uvědomím, velikost napájecího napětí pak se dostanu k zajímavým číslům. Pro napájení 2x35V, tudíž zesilovač 125W a omezení na 10A (při 32V a impedanci 4Ω je běžný špičkový proud 8A) vyjde ztrátový výkon až 350W. Ale při běžném provozu s klidovým proudem blízkým k nule je maximální ztráta do 30% maximálního výkonu, tj. 30W, ano 10x méně!!! Tento fakt se nám projeví v samotném návrhu zapojení, hlavně ve velikosti předpokládaného a také použitého ztrátového výkonu na koncovém tranzistoru, či tranzistorech.

Například s ochrannou pro výkon 1kW je nutno použit tranzistory s výkonem 3kW, tj. 20 transistorů o výkonu 150W v každé větvi. Při přetížení je nedokážeme ve většině případů uchladit. Jinak je tomu u spousty IO, zde je doplněna tepelná ochrana a včas obvod odpojí. Realizovat obdobnou tepelnou ochranu pro transistory je „ztráta času“. Nejsme schopni tuto ochranu dostatečně přiblížit zdroji tepla, tj. na čip transistoru.

Pro případ bez proudového omezení nám pro výkon 1kW postačí 300W tudíž dva transistory o výkonu 150W, nejlépe v můstkovém zapojení.

A jak tedy chránit? Zcela jednoduše, proudovým omezením, ale ve zdroji! Pro nejjednodušší případ použijeme pouze tavnou pojistku. Pojistku, kterou budeme chránit pouze 20% (20-60%) maximálního výkonu. Při efektivním výkonu rovnému 10% maximálního výkonu, a účinnosti 50%, je to právě 20% maximálního výkonu. Při 2x35V bude cca 2x0,5A na 1 koncový stupeň s výkonem 125W. S dostatečnou rezervou použijeme pojistky 0.8A.

Přiměřeně zde popsané platí i pro napájecí zdroj, jeho kondenzátory a hlavně transformátor, pouze 20% maximálního výstupního výkonu nám postačí!!! Nikoliv 300% či dokonce 2x 300% pro případ omezení v obou větvích.

Jak nám taková ochrana bude fungovat. Efektivní výkon tavné pojistky bezpečně zvládnou a ochrání. V případě přetížení či zkratu nám obvod přeruší. Používám zde výraz, že chráníme zapojení „poddimenzovaným zdrojem“, nikoliv koncovým stupněm, zdroj je poddimenzovaný pro špičkový výkon a dostatečně dimenzován pro výkon efektivní, neplést si pojmy!

Ochrana před ss napětím bude fungovat obdobně, při trvalém proudu 0,5-0,8A dle pojistky nám obvod odpojí, ale jde o ss napětí na zátěži 4Ω pouze 2-3,2V, při maximálním výstupním výkonu 125W. použitím zdroje pro koncové stupně dva budou hodnoty proudů dvojnásobné, rovněž maximální ss napětí na reproduktoru.

Jak je to s ochranou poslední, opožděným připojením reproduktorů? Nepotřebujeme ji. Jak je popsáno v modelu, zapojení je odolné vůči změnám napájecího napětí. Včetně odolnosti na nárůst napětí po zapnutí, čímž žádné nebezpečné rázy po zapnutí nejsou.

Ochrana vhodně volenou tavnou pojistkou je dostačující, za předpokladu, že dodržíme její velikost! Mnohem dokonalejší, bezpečnější a spolehlivější řešení ochran koncového stupně je zdrojem, který při překročení dovoleného proudu či výkonu odpojí napětí, například MOS tranzistory, v zájmu větší bezpečnosti vybije i kapacity v napájení. Takový zdroj je možno dále řídit teplotou transformátoru, chladiče apod.

Konstrukce

Konstrukci jsem volil jako oboustrannou klasickou montáž, kde na spodní straně jsou výkonové tranzistory, zbylé součástky jsou na vrchní straně jednostranného plošného spoje.

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

Použité prvky jsou zcela běžné a finančně nenákladné, jedno z konstrukčních kritérií jsem volil cenu (200kč). Odpory jsou typu TR204. kondenzátory s uvedeným napětím jsou elektrolytické, ostatní keramické. Dále jsem použil miniaturní přímé konektory pro snazší manipulaci, ale i menší riziko poškození PS při manipulaci a oživování, nemusí být použity, pokud použijeme tranzistory MJ, pak nejsou na plošném spoji.

Hotový PS lze přišroubovat na libovolný chladič pomocí dvou šroubů M3, které zároveň upevňují výkonové tranzistory. Krom šroubu M3 potřebujeme k uchycení každého tranzistoru dvě izolační podložky do tranzistoru, jednu matici M4 jako distanční podložku a jednu izolační podložku pod tranzistor.

Vlastní PS je vytvořen v prostředí Eagle, je vyráběn profesionálně včetně potisku, nepájivé masky, pocínování a vrtání děr, což je v amatérských podmínkách jen špatně proveditelné. Velikost PS je kritická, použitím delších cest, dojde vlivem Vf. vlastností k nestabilitě, která se již nedá nikterak odstranit!

Při pájení postačí transformátorová pájka a dostatek zručnosti. Pro ty, kteří ji ještě nezískali je vhodné si nejdříve pájení odzkoušet na nějakém zkušebním plošném 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 po pájení, dochází k poškozování spoje jako takového v horším případě i odtržení vodivé cesty.

Jde o výkonový zesilovač nemalých výkonů, rozměr jeho PS je pouze 24 x 65mm!!!, nelze opomnět, že většina vodivých spojů je šířky 0.3mm!!! Naopak výkonové cesty jsou téměř bez použití spoje, značný počet děr je vrtaných ø 0.7mm.

Oživení

Oživení je celkem jednoduché, připojíme napětí 2x5 V, pak překontrolujeme výstupní napětí, typicky by mělo být do 100mV. Pokud tomu tak není, pak musíme překontrolovat všechny referenční napětí a to na odporech R7, R2, R3, R8 a R10, toto napětí by mělo být cca 0,7-0,8 V, na odporu R4 (IR4=1,6mA!) je rovno úbytku na svítící LED diodě, tj. 1,6 V. Klidový odběr celého koncového stupně ve větvi záporné by měl být cca 25 mA. V kladné větvi o IR4 a IR5 tj. cca 3 mA méně.

Pokud je vše v pořádku, koncové transistory nemusíme mít na chladiči, napájecí napětí zvýšíme na požadované, ani při napájení 2x50 V není nutno ještě tranzistory chladit, odběr se nemění, krom nárůstu proudu v záporné větvi o cca 2mA LED diodou. Nesmíme však zesilovač zatěžovat. Pokud hodláme připojit zátěž je bezpodmínečně nutné výkonové tranzistory umístit na chladič.

Důležité

Naměřené hodnoty věrně kopírují hodnoty simulované. Opatrně s časem měření a výkony, které musí být úměrné nejenom možnostem koncových tranzistorů, ale i zdroji a chlazení.

Zesilovač je schopen funkce až do kmitočtu cca 500kHz, nad cca 30kHz začne již narůstat příčný proud koncových tranzistorů. Pro běžnou činnost tento stav nemá žádný větší význam, neboť podíl těchto kmitočtů v  kvalitním Nf spektru je pod cca 3% celkového výkonu. Pro náš případ pouze 0,3% maximálního výkonu zesilovače. Dalo by se říci, že postačí takové frekvence odfiltrovat a je po případném problému, ale to by byla značná újma na kvalitě reprodukce. Jsou hudební nástroje, trubka, klarinet, pikola, housle a mnohé další, které mají až 40% své energie právě v oblasti daleko nad 20kHz, běžně 80kHz i výše. Dnes vyráběné reproduktorové soustavy mívají frekvenční rozsah do 150kHz, kde prokazatelně lidské ucho ještě vnímá. Tyto vysoké frekvence samostatně neslyšíme, ale udávají barvu tóno frekvencím v akustickém pásmu.

Zapojení

Pokud jsme již zesilovač oživili, pak jej můžeme napevno zapojit. Při zapojení je zcela kritické zapojení zemí! V žádném případě nesmí po žádné části vstupní signálové země téct výstupní proud. To by automaticky vedlo k nežádoucímu kmitání na kmitočtu 600 kHz a vyšším, příčný proud by poškodil tranzistory!!!

Výstupní signál vedeme k reproduktoru, nejčastěji přes konektor, Boucherotův člen dle nutnosti zapojíme či nezapojíme, jeho potřeba je dána použitými tranzistory, které se liší i u stejného tipu. Pokud Boucherotův člen konec nerozkmitá, pak je nutný, a naopak, kontrolujeme osciloskopem!

Na obrázku 5 je zřejmé propojení zesilovače se zdrojem a reproduktorem, včetně možného propojení zemí.

5-Zapojení jednoho koncového stupně

Pokud nebudeme zapojení provozovat v můstkovém zapojení, pak nemusíme R14 ani SL3 použít.

V opačném případě, tj. pokud provedeme zapojení do můstku, získáme až čtyřnásobný výkon, použijeme zesilovače dva, přivedeme signál na první zesilovač, jehož výstup přivedeme na invertující vstup druhého zesilovače tj. odpor R14 přes SL3. Výstupní signál odebíráme mezi výstupy obou zesilovačů, viz schémata na obrázku 6 a7.

6-Zapojení koncového stupně do můstku

Na obrázku 6 je ukázka propojení koncových stupňů do můstku, při použití jednoho reproduktoru. Výkon takového zapojení je čtyřnásobný oproti normálnímu koncovému stupni. Rovněž je zde ukázka možného zapojení zemí.

Je však možno zapojit každý koncový stupeň na samostatný reproduktor viz obrázek 7. Zde však musíme mít na mysli, že druhý koncový stupeň je zapojen jako invertující, je zapotřebí i inverzně polarizovat i reproduktory, viz schéma. Rovněž je zde ukázka možného zapojení zemí.

7-Zapojení koncového stupně pro dva reproduktory

Pokud máte zájem vytvořit vícekanálové zapojení, pro různé výkony pak můžete najít příklad v obrázku 8, na kterém je možné zapojení čtyřkanálového zesilovače. Zesilovač však může být i s jiným počtem koncových stupňů jako je například 5, 6 či 8 koncových stupňů. Rovněž je zde zobrazeno možné propojení zemí. 

8-Zapojení koncových stupňů na společný zdroj

Pokud máte zájem o výkony větší, je vhodné dát skupině zesilovačů samostatný zdroj, pro výkony opravdu velké je možno dát každému koncovému stupni vlastní zdroj. Rovněž je možné zapojovat koncové stupně do můstku. Jak by mohlo vypadat takové propojování je zřejmé s obrázku 9.

9-Zapojení koncových stupňů na samostatné zdroje

Z předchozích schémat je zřejmý způsob zapojování a propojování jednotlivých koncových stupňů. Je zde ještě naznačeno propojování zemí. Stále je nutné mít na paměti, že každý koncový stupeň může být propojen se zemí pouze jednou a to nevýkonovým připojení, nejlépe přes vstup.

Důležité

Dále je zřejmá celá výkonová cesta, a to pro kladnou proudovou půlvlnu s kladného pólu zdroje přes výstup koncového stupně, reproduktor zpět do zemnící svorky zdroje. Pro zápornou půlvlnu je cesta proudu se zemnící svorky zdroje, reproduktor do výstupu koncového stupně a zpět do záporného pólu zdroje. Nikdy tomu nesmí být jinak!!! 

Diskuse

QQF-55-500W první část

QQF-55-500W druhá část

QQF-55-500W třetí část

Stavíme zesilovač

Oživujeme zesilovač