Technické parametre zosilňovača

• Napájacie napätie:    max. +/- 45V
• Výstupný výkon sínusový maximálny:     130W/4R, 70W/8R
• Frekvenčná charakteristika:   15 - 230 000Hz/-3dB
• Harmonické skreslenie:   0,01% pri 100W/1kHz; 0,059% pri 100W/10kHz
• Intermodulačné skreslenie:   0,064% pri 100W/ 80+7kHz 5:1
• Vstupná citlivosť:  0,65V@100W/4R
• Prúdové istenie:   2x 4A rýchle poistky
• Rýchlosť priebehu SR:   33V/us
• Min. zaťažovacia impedancia:    4R
• Citlivosť JS ochrany:  cca. +/-2V
• Oneskorené pripojenie reproduktora:    cca. 2,5s
• Rozmery DPS:   120x85 mm

Schéma a princíp zapojenia zosilňovača

Schéma zosilňovača je na obr. č:1. Pohľadom do nej, zosilňovač nevyzerá zložito. A zložitý v skutočnosti ani nie je. Na vstup zosilňovača sa privádza nízkofrekvenčný signál, ktorého úroveň pre maximálne vybudenie je 0,65V. Za vstupným konektorom sa nachádza kondenzátor C1, ktorý zabraňuje prieniku jednosmernej zložky do zosilňovača s predchádzajúceho zariadenia. Kondenzátor C2 spolu s odporom R1 tvoria dolno-priepustný filter, ktorý potláča frekvencie vyššie ako 220kHz, a tak prispieva k stabilite zosilňovača. Odpor R2 definuje vstupnú impedanciu zosilňovača, v tomto prípade je 15kOhm. Tranzistory T1a a T1b tvoria vstupný diferenciálny zosilňovač. Tranzistor T2 je prúdový zdroj, ktorý napája konštantným prúdom dvojicu tranzistorov T1a a T1b. Veľkosť prúdu je určená červenou LED diódou a odporom R4. Odpor R5 napája LED diódu prúdom cca 5mA. Veľkosť prúdu pretekajúcim tranzistormi T1a a T1b je 1,25mA. Na odpore R3 sa vplyvom pretekajúceho prúdu vytvorí úbytok napätia, ktorý následne budí napäťový zosilňovač. Napäťový zosilňovač je tvorený tranzistorom T3, ktorý pracuje v triede A a jeho nastavený pracovný bod je na 10mA. Tranzistor T4 plní funkciu prúdového zdroja pre T3, a zároveň jeho dynamickú záťaž. Nastavený prúd napäťovým zosilňovačom určuje predpätie do bázy a odpor R10.  Prúd nastavený tranzistormi T4 a T3 je 10mA. Kondenzátory C3, C4 tvoria frekvenčnú kompenzáciu a prispievajú k celkovej stabilite zosilňovača. Na tepelnú väzbu a reguláciu pokojového prúdu  je použitý tzv. násobič Ube. Oproti zapojeniu s jedným tranzistorom má výhodu v strmosti a stabilite regulácie, a v neposlednom rade odozve. Násobič je tvorený súčiastkami R7, R8, R9, R11,  trimrom a tranzistormi T5 a T6. Tranzistory T9 a T10 tvoria budič. Sú budené s napäťového zosilňovača. V bázach budiacich tranzistoroch sa nachádza aj obvod nadprúdovej poistky. Tá je tvorená odpormi R14, R15, R18, R19, tranzistormi T7, T8, diódami D2, D3, 4, 5, a kondenzátormi C8, C9.  Budiace tranzistory T9 a T10 tvoria spolu s koncovými tzv. Darlingtonovo zapojenie, vyznačujúce sa veľkým prúdovým zosilnením. Koncové tranzistory T11, 12 spolu s budiacimi zosilňujú už iba prúdovo. Odpory v bázach a emitoroch koncových tranzistorov slúžia na stabilizáciu pracovných bodov koncových tranzistorov. Emitorové odpory, sú v tomto zosilňovači drôtové z výkonovou stratou 5W. Na výstupe zosilňovača je zapojený Boucherotov člen, ktorý napomáha takisto k ďalšej stabilite zosilňovača. Diódy D6 a D7 sú rekuperačné, potláčajú spätné napäťové špičky vznikajúce vplyvom indukčnosti basových reproduktorov.

Ochrana reproduktorov je realizovaná pomocou komparátora. Jednosmerné napätie na výstupe zosilňovača je snímané cez napäťový delič tvorený odpormi R31 a R32. Ten spolu s kondenzátormi C16 a C17 tvoria dolnopriepustný filter cca 10Hz. V prípade prítomnosti jednosmerného napätia kladnej polarity sa otvorí tranzistor T14 a ten zníži úroveň na neinvertujúcom vstupe komparátora a relé opadne. V prípade prítomnosti záporného jednosmerného napätia sa otvoria tranzistory  T15 a T16 a nastáva opätovný dej. Tranzistor  T17 slúži ako obvod oneskorného pripojenia reproduktorov. Na svorku AC sa privedie striedavé napätie zo sekundárneho vinutia transformátora, ktoré sa usmerní diódou D10 a vyhladí kondenzátorom C18. Takto získané záporné napätie sa cez odpor R33 privedie do  bázy tranzistoru T17.

Veľkosť tohto napätia preváži kladné napätie na báze T17 s rezistora R39 a tranzistor sa uzavrie. V tom momente sa začne nabíjať kondenzátor C15 cez odpor R43. Akonáhle  sa dosiahne na kondenzátore také napätie ako je nastavené napäťovým deličom R40 a R41 komparátor preklopí a zopne relé s oneskorením. Zenerová dióda D9 slúži na stabilizáciu napájacieho napätia pre komparátor. Výstup komparátora je posilnený odporom R44. Led dióda  D11 indikuje aktiváciu ochrán.

1. Schéma zosilňovača JPA100SE

Zostavenie zosilňovača.

Osadzovať je dobré začať od najmenších súčiastok po najväčšie. Začneme prepojkami, ktoré vytvarujeme na potrebnú dĺžku pinzetou. Prepojky nie sú štandardne dodávané. Je možné si ich jednoducho zhotoviť s kúska drôtu hrúbky maximálne 0,8mm. Vhodné sú čisté medené, či s inou povrchovou úpravou napríklad striebrením. Po osadení prepojok postúpime na odpory , diódy, kondenzátory.

Odpory je s estetického hľadiska osadiť tak aby boli v jednej línii. Pokiaľ  nedisponujete ohýbačkou súčiastok, tak sa to dá aj pinzetou. Nie je to však nutnosť, je to iba poznámka na margo estetického vzhľadu. Výkonové odpory je dobré takisto osadiť v jednej rovine nad dosku plošných spojov. To docielime podložením si pomocného predmetu pod daný odpor. Ten po zaspájkovaní a uštipnutí vývodov odporu odstrániť.

Led diódy osadzujeme na DPS priamo, hlavne diódu D1. Tá totižto neslúži na žiadnu indikáciu, je iba zdrojom referenčného napätia, preto pre správnu činnosť zosilňovača musí byť umiestnená na doske plošných spojov bez akýchkoľvek predlžovacích prívodov. Výstupnú tlmivku pred osadením do DPS najskôr nožom na koncoch oškriabeme aby sa zošúchal smalt, ktorý izoluje závity medzi sebou. Smalt nie je možné spájkovať. Nakoniec osadíme tranzistory.

Vhodné je súčiastky spájkovať olovnatou spájkou s obsahom tavidla. Hoci je používanie olova v elektrotechnike podľa európskej smernice zakázané, bohužiaľ s olovnatou spájkou sa lepšie pracuje a aj má dlhšiu trvácnosť a stálosť. Spájkovacie plôšky sa snažíme veľmi neprehrievať, aby sa neodlepila med s podkladu. Pri správnej technike sa spájka pekne rozleje na plôšku a výborne zaleje aj vývod súčiastky. Doporučujeme spájkovať mikrospájkovačkou, avšak pri opatrnosti je možné spájkovať aj klasickou transformátorovou spájkovačkou. Pred samotným osádzaním tranzistorov na chladič je potrebné si vyvŕtať tú stranu uholníka, ktorá bude prichytená na hlavný chladič..

Zvláštnu pozornosť venujte upevňovaniu tranzistorov na chladič. Tranzistory T3, 4, 5, 9, 10, 11 a 12 sú osadené na chladiacom AL uholníku pomocou izolačných podložiek a skrutiek . Pod tranzistory  T5, T11 a T12 je potrebné dať izolačnú podložku. Tranzistory T11 a T12 sa upevňujú nasledovne.

Najskôr namažeme teplovodivou silikónovou pastou spodnú plochu tranzistora. Následne priložíme sľudovú izolačnú podložku. Následne namažeme pastou aj samotnú podložku, a pripevníme na AL uholník. Po priložení tranzistora na chladič ho upevníme skrutkami, ktoré majú na časti závitu natiahnutú izolačnú bužírku. Skrutky sú v samostatnom sáčiku pribalené. Čiže postupnosť je nasledovná: Hlava skrutky, následne obyčajná podložka púzdro tranzistora, uholník, DPS následne obyčajná podložka, pérová a matica.

Izolačné podložky pod tranzistory T3, 11 a 12  sú zo sľudy. Je vhodné namazať tieto izolačné podložky Silikónovou pastou. Táto pasta výrazne znižuje tepelný odpor medzi púzdrami tranzistorov, podložkou a Al uholníkom.

Tranzistory T3, 4, 5, 9 – 12 zaletujeme do DPS až po ich riadnom upevnení na Al uholník. Tranzistory je potrebné doťahovať s citom ale pevne aby nepraskli púzdra, hlavne T3, T4, T5, T9 a T10. Je zvlášť dávať veľký pozor pri používaní teplovodivej pasty!! Pastu doporučujeme použiť bielu  alebo priehľadnú Pasta, ktorá sa používa na mazanie procesora v počítačoch nepoužívať. Obsahuje stopy strieborného prášku, ktorý je elektrický vodivý! 

Po upevnení súčiastok na chladič, skontrolujeme Ohmmetrom či nám neprerážajú izolačné podložky. Multimeter prepneme do režimu merania vodivosti.

DPS po kompletnom zospájkovaní skontrolujeme vizuálne, či niekde nie sú cínové mostíky. Hlavne na nožičkách koncových tranzistorov a súčiastkach, ktoré majú vývody relatívne veľmi blízko seba. Prípadné nedostatky opravíme. Z estetického hľadiska môžeme DPS zospodu umyť izopropylalkoholom, a následne prestreknúť sprejom FLUX 10 alebo pretrieť roztokom kolofónie v liehu.

Vhodný transformátor pre zosilňovač je s napätím 2x28V naprázdno. Výkon transformátora pre jeden kanál by mala byť zhruba 150VA. Filtračná kapacita bude postačovať 2x10mF/63V na kanál. Pri stereo verzií 2x15 - 20mF/63V. Na vstupný konektor zosilňovača sa privádza vstupný signál klasicky, na svorku IN ide živý signál a na svorku AGND sa pripojí stienenie tohto káblika. Zostavený napájací zdroj zosilňovača je nevyhnutné otestovať pred samotným pripojením zosilňovača.

Osadenie DPS zosilňovača

2. Osadená DPS zosilňovača

Oživenie zosilňovača

Pre správne oživenie zosilňovača je potrebný aspoň obyčajný multimeter. V podstate stačí A-meter a V-meter. Pomocou Voltmetra poprípade Ampérmetra nastavíme pokojový prúd zosilňovača.

Po pozornom osadení a zospájkovaníwx všetkých súčiastok opticky skontrolujeme opäť osadenie zosilňovača. Pokiaľ všetko súhlasí, pripojíme v správnej polarite zosilňovač na napájací zdroj s maximálnym napätím +/-45V!!! Poistky neosadzujeme a takisto nepripájame nič na výstup ani vstup zosilňovača!! Namiesto poistiek zaradíme odpory 330Ohm/2W.  Pripojíme na 2pinový konektor (svorka AC) napätie s jedného sekundárneho vinutia. Trimer vytočíme na  minimálny odpor, pri pohľade na DPS je to úplne doľava. Tak je nastavený minimálny prúd koncovými tranzistormi. Zapneme napájací zdroj.  Rozsvietia sa diódy D1 a D11. D1 je dióda v prúdovom zdroji, tá musí svietiť stále. Pokiaľ je ochrana správne osadená tak po určitom čase dióda D11. Pokiaľ ostane svietiť červená dióda D11 môže byť na výstupe zosilňovača jednosmerné napätie. To zmeriame jednoducho voltmetrom prepnutom na  jednosmerný rozsah a napätie meriame medzi výstupom zosilňovača ešte pred relátkom a GND. Pokiaľ je zosilňovač v poriadku, tak napätie bude v tolerancií do 20mV obvykle okolo 5mV. Ochrana však reaguje pre napätia vyššie ako +/-1,5V.  Pokiaľ tam napätie nebude a ochrana napriek tomu nezopne, tak bude chyba v osadení ochrany, treba to opäť skontrolovať.

Ak však ochrana nabehne môžeme pristúpiť k samotnému zosilňovaču. Nakoľko sú nezaložené poistky, zosilňovač je napájaný cez odpory 330R/2W. Význam tých odporov je hlavne ten, aby pri nesprávnom osadení zachránili drahé polovodiče. Tie odpory obmedzujú prúd do zosilňovača na cca 100mA.

Treba si uvedomiť, že použité ochranné odpory majú výhradne ochrannú funkciu v prípade špatného osadenia zosilňovača. Pokiaľ budú zaradené v napájaní zosilňovača, nebude sa dať nastaviť prevádzkový pokojový prúd. Je to s toho dôvodu, že odpory majú veľmi veľký odpor. Na nich sa vplyvom otvárania koncových tranzistorov zvyšuje úbytok napätia vplyvom zvyšujúceho sa prúdového odberu. Pomaly pohasína Led dióda D1 až úplne zhasne. Vtedy nastane kvázi chybový stav zosilňovača, nakoľko prúdové zdroje nemajú referenčné napätie a nie sú v činnosti. V dôsledku toho sa na výstupe objaví JS napätie a zareaguje JS ochrana zosilňovača. Po ubratí trimra pokojového prúdu sa zosilňovač opäť vráti do funkčného stavu.

Zmeriame napätie na výstupe zosilňovača. To musí byť v tolerancii do 20mV. Pokiaľ je v poriadku, tak môžeme pomaly pridať pokojový prúd. To sa prejaví zvýšením  úbytku na odporoch 330R/2W zaradených miesto poistiek. Ten úbytok stačí merať na jednom odpore. Odber musí byť symetrický. Pri vytočenom trimra úplne vľavo nameriame na 330Ohmových odporoch 7,6V Po pomalom vytáčaní trimra začne dióda D1 pohasínať. A to s toho dôvodu, že sa koncové tranzistory otvárajú a zvyšuje sa prúdový odber. Ak všetko naznačuje, že pokojový prúd ide nastaviť, a na výstupe zosilňovača nie je žiadne jednosmerné napätie tak prúd opäť nastavíme na minimálnu hodnotu, to je úplne doprava. Vypneme napájací zdroj, a založíme do jednej vetvy poistku a do druhej ampérmeter. Zapneme napájanie a nastavíme hodnotu pokojového prúdu na  cca. 80 - 100 mA (napäťový zosilňovač spolu zo

vstupným zosilňovačom majú vlastnú spotrebu približne 23mA). Potom zosilňovač vypneme, a nahradíme ampérmeter poistkou. Na výstup pripojíme reproduktor a na vstup privedieme audio signál. Zosilňovač zapneme, a začneme "zahorovať". Po ohriatí ho vypneme, a znovu skontrolujeme pokojový prúd ten nesmie byť vyšší ako nastavený, prípadne spravíme korekciu.

Pokiaľ by nechcel zosilňovač fungovať a pokojový prúd by sa nedal nastaviť, poprípade na výstupe by bolo jednosmerné napätie, je potrebné pomerať jednotlivé pracovné body.  To však je trošku zdĺhavejšie, preto nebudem uvádzať ako a čo všetko sa ovplyvňuje. Uvediem napätia ktoré by sa mali namerať pri pripojenom zosilňovači na zdroj bez  poistiek v púzdrach (iba zo zaradenými ochrannými odpormi 330R/2W) a zo stiahnutým pokojovým prúdom na minimum. Na odpore R3 je úbytok  0,8V, na odpore R4 1,3V, na odpore R10 1,22V, na odpore R6 približne 121mV a U_ce T6 2,08V. Avšak pri dodržaní všetkých zásad, správnom osadení a pozornom skontrolovaní osadenia a spájkovania dosky plošných spojov musí zosilňovač pracovať na prvé zapojenie.

Pre nastavený pokojový prúd na 100mA a pripojený zosilňovač na poistkách s napájaním +/-40V sú hodnoty nasledovné: R3  0,77V, R4 1,35V, odpor R10  1,25V, R6 125mV a U_ce T6 2,5V.

Nastavovanie a meranie je možné robiť aj bez hlavného chladiča, ale v krátkom čase. Pri celkovom prúde 120mA je prúd tečúci jedným tranzistorom cca 45mA. Pri napájacom napätím +/-40V a štyroch kusov je výkonová strata  na koncových tranzistoroch cca 8 W! Každopádne kontrolujeme teplotu Al uholníka. Ideálne je preto pred samotným oživovaním pripevniť zosilňovač na hlavný chladič.

Chladenie zosilňovača

Na hliníkový uholník je potrebné dať hlavný chladič zosilňovača, pretože uholník nie je postačujúci. Zosilňovač pracuje v triede AB, kde sa účinnosť zosilňovačov pohybuje okolo 55-65%. Z toho vyplýva aj značný stratový výkon zosilňovača. Ak uvažujeme maximálnu účinnosť 65% tak výkon, ktorý sa premení na teplo je 35% s celkového príkonu zosilňovača. Zosilňovač, ktorý ma výkon 100W vyžiari vo forme tepla približne 40W stratového tepla.  Na túto stratu treba dimenzovať chladič.

V katalógu hliníkových chladiacich profiloch sa väčšinou  uvádza tepelný odpor chladiča. S tohto údaja si vieme odhadnúť či bude chladič vhodný alebo nie. Pokiaľ nebudeme uvažovať tepelný odpor puzdra tranzistora, izolačnej podložky, tak orientačný výpočet bude nasledovný:

Uvažujme teplotu prostredia 25°C. Maximálna pracovná teplota polovodičového prechodu je 150°C, čomu približne odpovedá teplota na púzdre tranzistora 90-100°C. Vzhľadom aj na tepelnú únavu polovodičov je vhodné maximálnu teplotu posadiť nižšie. Budeme teda uvažovať 80°C ako maximálnu teplotu chladiča. Čiže tepelný spád chladiča bude 80-25°C to je 55°C. Táto teplota vypovedá o tom, o koľko °C sa môže chladič maximálne otepliť pri uvažovanom stratovom výkone 40W. Tepelný odpor, ktorý musí mať chladič si s tohto teda vieme ľahko vypočítať ten odpor bude 55/40, čo je 1,3°C/W resp. 1,3 K/W. Opäť zvolíme chladič s nižším tepelným odporom, v tomto prípade 1°C/W resp. 1K/W. Pohľadom do katalógu Gama aluminia (online katalóg je dostupný na www.gamaaluminium.sk) vyhovie napríklad: K245 o dĺžke 80mm, KEA300 o dĺžke 80mm,... Pri aktívnom chladení je prípustný aj vyšší tepelný odpor približne o 2-2,5x v závislosti od účinnosti celej chladiacej sústavy. 

Zoznam súčiastok zosilňovača JPA100 SE

Uvedený rozpis komponentov je pre jeden kanál.

Bloková schéma celkového zapojenia

3. Bloková schéma zapojenia zosilňovača

Zdroj pre zosilňovač JPA100 SE

4. Schéma zapojenia zdroja pr zosilňovač

Osadenie DPS zdroja pre zosilňovač

5. Osadená DPS pre zosilňovač

Poznámky k osadeniu zdroja

Osadenie zdroja je pomerne jednoduché, nakoľko je jednoduchá aj jeho schéma. Jedná sa o klasické 2 cestné usmernenie striedavého napätia zo sekundárneho vinutia napájacieho transformátora, ktoré je pomocou Greatzového mostíka v sil púzdre usmernené na symetrické napätie 2x28-30V. Pri osadení treba dávať pozor na polaritu elektrolytických kondenzátorov, pretože pri prepólovaní môže dôjsť k výbuchu kondenzátora. Preto treba byť obozretný, aby sa predišlo úrazu aj škodám na súčiastkach. Mostík má tzv. zámok, čo znamená, že nožička + pólu má väčšiu rozteč ako ostatné a teda nedá sa osadiť opačne. Takže treba dodržať správnosť osadenia kondenzátorov. Konektory sú použité fastony, pre AC svorku do ochrán malý 2- pinový PSH konektor. Všetky konektory treba navzájom poprepájať v správnej polarite (medzi zdrojom a zosilňovačom).

Zdroje

Doska plošného spoja pre JPA100SE (.brd) - klikni