Izrada (četvrtog) pojačala za nisko-omske slušaliceaudiologs.com/ozrenbilan/tripo5.pdf · 2017-10-11 · gotovog uređaja jer nema masivni transformator uz mogućnost spajanja

Izrada pojačala za nisko-omske slušalice

uvod izrada prvog pojačala izrada drugog pojačala izrada trećeg pojačala kratke upute za izradu i servis

Izrada (četvrtog) pojačala za nisko-omske slušalice

Zbog izvrsnih rezultata koje su pokazala pojačala opisana u seriji članaka Tri pojačala za slušalice, konstruirano je novo (četvrto) pojačalo koje zadržava osnovnu koncepciju (ali se ipak donekle razlikuje od prikazanog) pojačala pod rednim brojem dva. Realizirano je na pločici dimenzija 160mm x 110mm debljine 1.6mm. Dakle, pločica je nešto veća od do sada korištenih, ali je optimiziran vodljivi lik uzemljenja kako bi se poboljšao odnos signal šum . Sklop je moguće napajati dvostrukim napajanjem izmjeničnog napona od 12 do 16 volti, a optimalno je oko 2x15V. Temeljni parametri ovog pojačala jesu;

Frekvencijski odziv od 20 Hz do 20 kHz +/-0.01dB

Odnos signal/šum veći od 90 dB

Ukupno harmonijsko izobličenje THD < 0.007%

Intermodulacijsko izobličenje < 0.007%

Pojačalo može napajati slušalice do 16 do 600 Ω.

Pojačalo za slušalice je stacionarno i komplet ne sadržava kutiju za ugradnju s priključcima niti mrežni transformator. Zbog toga je potrebno napraviti ili dodatno kupiti prikladnu kutiju i transformator. Glavne komponente konstrukcije provjerena su dvostruka operacijska pojačala ST33078N. Svako operacijsko pojačalo na pločici ima vlastitu stabilizaciju i filtriranje napona napajanja. Primijenjeni su izlazni komplementarni tranzistori snage DB139 DB140 u paraleli koji nisu spojeni preko stabilizatora napona, nego direktno na ispravljač. Poželjno ih je upariti prije ugradnje. Cilj je paralelnog spoja optimizacija pobude slušalica vrlo niske impedancije od 16 Ω i niže. Priključeni su na izvor napajanja optimiziran za pobudu slušalica niskih izlaznih impedancija. Pored toga koriste se Panasonic FK Series kondenzatori, ALPS 27 blue velvet potenciometar te metal film otpornici točnosti 1%. Ulazni su kondenzatori audiofilski folijski MKP 4μ7 400V točnosti 3%, u paraleli s Wima FKP 1200V. Točni su tipovi određeni nakon što se isprobalo nekoliko varijanti. Regulacija napona svakog operacijskog pojačala i sklopa zaštite je sa 6 tronožnih regulatora. Zaštita od štetnih napona izvedena je diskretno s vremenskim zatezanjem od 7 sekundi na Omron G2R - 12V releju. Ovaj relej nije minijaturan, a primijenjen je zbog daleko manjeg prijelaznog otpora između kontakata. Naponski prag okidanja releja je podesiv, a tipično se postavlja na oko 100 mV ili niže.

Tehnologije sustava napajanja pokazuju kako se neko pojačalo, bez obzira na klasu i namjenu, može napajati na tri osnovna načina. To su: a) jednostavni nestabilizirani ispravljač koji se sastoji od mrežnog transformatora, ispravljačkih dioda i kondenzatora, b) linearni stabilizirani ispravljač i c) impulsni ispravljač.

Nestabilizirani ispravljač je najmanje skup i najjednostavniji, ali na prvi pogled čini se kako, u usporedbi s ostalim, možda nema najniži šum i najmanje valovanje. Moguća je i slabija karakteristika preslušavanja među kanalima. Dakle, prednosti nestabiliziranog napajanja mogu biti jednostavnost, pouzdanost i cijena. Uz to ne postoji

mogućnost nestabilnosti ili visokofrekvencijskih smetnji. Najvažnija je prednost što će pojačalo predavati teretu višu snagu pri vrhovima prijelaznih pojava, a to je upravo ono što je potrebno pri kvalitetnoj reprodukciji, pojačalo će uvijek davati maksimalnu snagu koju može. Međutim, moguća je pojava valovanja istosmjernog napona što se lako rješava pa se razina šuma može svesti na zanemarivu vrijednost. Druga je nepovoljna karakteristika pojava što mosni ispravljač pri isključivanju dioda emitira radiofrekvencijske smetnje frekvencijom 100 Hz. Problem se pojačava zahtjevom, za većim strujama.

Linearni stabilizirani ispravljač omogućava realizaciju pojačala kao idealnog naponskog izvora. Mnoge tvrtke to koriste pri reklamiranju svojih proizvoda iako ne objašnjavaju prednosti primjene takvog pojačala. Takvo pojačalo će na otporu od 4Ω davati dvostruku snagu od one na 8Ω. Međutim, i dalje će postojati gubitci u izlaznom stupnju ovisno o primijenjenom teretu, a nije jasno zašto bi netko pobuđivao pojačalo na samoj granici odrezivanja. Istovremeno, odrezivanje vrhova bit će mnogo pravilnije jer se neće modulirati valovanjem istosmjernog napona napajanja. No taj se problem lako eliminira smanjenjem snage tako da pojačalo ne dovodimo u režim odrezivanja

EURO blok - prekidač, osigurač i konektor

Pločica s kompletom dijelova

Valovanje istosmjernog napona 12 V

http://www.audiologs.com/ozrenbilan/tripo1.pdf




http://www.audiologs.com/ozrenbilan/service.pdf




vrhova. Stabilizirani ispravljač može u potpunosti eliminirati valovanje istosmjernog napona, tako da valovanje bude ispod razine bijelog šuma koji generiraju stabilizatori napona. Međutim, uvjet neće biti zadovoljen ako dođe do nagle potrebe za velikom strujom. Tada u cilju eliminiranja valovanja svaki kanal pojačala mora imati neovisno stabiliziranje negativnoga i pozitivnoga istosmjernog napona. Dakle, za dvokanalno pojačalo trebaju četiri stabilizatora – što poskupljuje izvedbu. U slučaju kvara pri radu, bez obzira na primijenjenu zaštitu nema jamstva da oštećena izlazna komponenta, poput tranzistora snage, neće uzrokovati kolateralnu štetu, kako regulatora tako i slušalica na izlazu. Stabilizirani je ispravljač složen i potencijalno manje pouzdan. Dođe li do kvara izlazne komponente oštetit će se stabilizator, a vjerojatno i slušalice na izlazu.

Ako se pravilno ne kompenzira, stabilizirani ispravljač može pokazivati visokofrekvencijsku nestabilnost. Međutim, nepovoljno je to što pojačalo više ne predaje teretu višu snagu na vrhovima prijelaznih pojava, a ukupna disipacija snage bit će znatno povećana zbog pada napona na regulatoru. Glazba se sastoji od niza prijelaznih pojava, a odziv na povećane strujne zahtjeve pri prijelaznim pojavama će se bitno usporiti.

Impulsni ispravljač ima najveći broj prednosti linearnih stabiliziranih ispravljača jer mu valovanje može biti mnogo manje od nereguliranog ispravljača ali nikad nije manje od stabiliziranog ispravljača. Pored toga bitno smanjuje masu gotovog uređaja jer nema masivni transformator uz mogućnost spajanja na mrežu od 90 do 260V. Nabavljiv je od izvornih proizvođača opreme (OEM) što je u najvećem broju slučajeva obvezno jer je riječ o proizvodnji kojom se bave usko specijalizirani stručnjaci. Impulsni ispravljač može prestati s radom u slučaju kvara pojačala. Loše su mu osobine da generira vrlo veliku količinu visokofrekvencijskih smetnji i izraženo valovanje na 100 Hz. Uz to je mnogo kompleksniji i manje pouzdan od nestabiliziranih ispravljača, a može biti i opasan ako nije ugrađen u posebno izveden kavez. Uz to mu je relativno spor odziv na tranzijentne strujne zahtjeve.

Uzmemo li sve navedeno u obzir, pa to znanje pokušamo primijeniti na pojačala za slušalice manje snage , dolazimo do sljedećeg zaključka: pri izradi pojačala za slušalice optimalno je stabilizirati istosmjerne radne napone operacijskih pojačala, dok se izlazni stupnjevi u klasi A mogu ostaviti nestabiliziranima. Takvim načinom rada pojačalo će na tranzijentima uvijek dati maksimalnu snagu, a brzo će reagirati na povišene strujne zahtjeve. Često možemo naići na tvrdnju kako linearni stabilizirani ispravljači imaju utegnut ili čvršći bas. Međutim, ne postoji ni jedna mjerna karakteristika koja bi to potvrdila niti postoji bilo koja definicija čvršćeg basa. Dva potpuno ista pojačala sa nestabiliziranim i stabiliziranim ispravljačem imat će isti frekvencijski i impulsni odziv. Jedina je razlika što će ono pojačalo s nestabiliziranim ispravljačem pri impulsnoj pobudi razviti veću snagu. Međutim, uz sva tri pravilno primijenjena pristupa mogu se dobiti izvrsni rezultati pa je zato možda najbolje primijeniti neregulirani ispravljač koji će dati maksimalnu snagu na impulsima, a kritičnim komponentama, poput operacijskih pojačala, stabilizirati radne napone.

Zaključimo; nestabilizirani tipovi napajanja jeftiniji su od stabiliziranih ispravljača. Međutim, često možemo čuti kako neregulirana napajanja imaju nešto veće dinamičko područje rada ili headroom. To znači kako će pojačalo s nereguliranim napajanjem proizvesti dodatnu snagu za vrijeme prijelaznih pojava. Dodatni kapacitet nestabiliziranih napajanja rezultira dodatnim dinamičkim područjem. To se odnosi samo na najkraće prijelazne pojave . Kako se glazba sastoji od prijelaznih pojava, pojačalo s nestabiliziranim napajanjem izlaza trebalo bi imati nešto veće dinamičko područje rada, a time eventualno kvalitetniji zvuk.

Slušalice kojima je ovo pojačalo namijenjeno imaju sljedeće tehničke karakteristike: kapsula s dinamičkim pretvaračem promjera 50mm NdFeB, osjetljivost 106dB, impedancija 16Ω, nazivna snaga 10mW, maksimalna snaga 1000mW. Velike čašice slušalica u potpunosti su izrađene od mahagonija. Naravno, pojačalo se može koristiti sa svim slušalicama, bez obzira na njihovu impedanciju.

Niskoomske dinamičke slušalice s pobuđivačem od neodimij-berilijeve slitine promjera 50 mm i čašicama od punog mahagonija








Transformatori

Rasipno polje transformatora može pri izradi pojačala predstavljati složen problem. Bez obzira na tip transformatora, svi imaju izraženo rasipno polje zbog čega ih uvijek treba montirati što dalje od elektronički osjetljivih sklopova. Ako je utjecaj rasipnog polja jako izražen moguće je koristiti toroidni umjesto EI transformatora. Ako su u mreži izražene smetnje, bolje je koristiti EI transformator, ali ga je potrebno više udaljiti od pločice s elektronikom.

Ukoliko smetnje postoje i s toroidnim transformatorom, moguće ga je zakretanjem dovesti u položaj u kojem će smetnje biti minimalne. EI ili R

transformator moguće je oklopiti širom trakom bakra koja ne smije predstavljati kratki spoj za glavno polje transformatora, ali treba poništavati rasipno polje.

Oklapanje μ-metalom, slitinom nikla, željeza, bakra i molibdena (75% Ni, 15% Fe) predstavlja najučinkovitije, ali skupo rješenje. Konačno je učinkovito i smještanje ispravljača i transformatora u posebnu kutiju.

Dimenzije i tehnički podaci primijenjenog EI transformatora 30VA

Toroidni transformatora 30VA

Ugrađeni toroid

EI transformator

Ugrađeni transformator s R jezgrom








Šasija i poklopac kutije izvedeni su od aluminija po posebnom nacrtu debljine 2 mm, a prednja ploča od 5 mm:

SPECIFIKACIJA KUTIJE

TIP proizvođač specifikacija vrijednost kom

Šasija kutije Al 2mm 1

Poklopac kutije Al 2mm 1

Prednja ploča Al 5mm 1

Gumene nogice s vijkom i maticom 3mm 4

EURO blok - prekidač osigurač konektor 1

Šasijski priključak ženski RCA-chinch bijeli 2

Šasijski priključak ženski RCA-chinch bijeli 2

Vijci prednje ploče imbus 4mm 4

Vijci bočni imbus 2mm 10

Dugme potenciometra osovina Φ6mm Al Φ30mm 1

SPECIFIKACIJA PLOČICE

TIP proizvođač specifikacija vrijednost kom

Metal film otpornik 0.25W 10R 16

Metal film otpornik 0.25W 100R 6

Metal film otpornik 0.25W 1K 1







Metal film otpornik 3W 47R 2

Nepolarizirani kondenzator 15P-PM5MM 6

Nepolarizirani kondenzator TPC/AV MKT 104-50V-PM5MM 14

Specifikacija materijala

Nepolarizirani kondenzator AV 50V 1U-PM5MM 1

Nepolarizirani kondenzator RIFA X840 4U7 2

Elektrolitički kondenzator Panasonic NXL 100U 8

Elektrolitički kondenzator Nichicon GF 10U 4

Elektrolitički kondenzator Panasonic FK 3300U 4

Ispravljačka dioda 2A 200V 4

Brza dioda ST 1N4148 11

Tranzistor F TO92 BC550C 4

Tranzistor F TO92 BC560C 2

Tranzistor F TO92 MPSA14 1

Tranzistor ST TO126 BD139 4

Tranzistor ST TO126 BD140 4

Priključak slušalica Neutrik 6,35 mm 1

LED dioda LED 1.85V 3

Tronožni regulator TO92 MC78L12 1




Operacijsko pojačalo ST dvostruko MC33078N 2

Operacijsko pojačalo TI jednostruko TL081 1

Relej OMRON 12V 12V OMRON 1

OP podnožje DIP-8 2

Hladnjak za TO126 8

Izolacijski listić za TO126 8

vijci M3 8

Tiskana pločica PCB 1








Shema pojačala, i spravljača i sklopa zaštite

Ovo je pojačalo namijenjeno niskoomskim slušalicama. Najveći broj elektrodinamičkih slušalica najbolje funkcionira ako je izlazna impedancija pojačala približno desetina impedancije slušalica. Ako koristimo slušalice impedancije 600 Ω, izlazna impedancija za optimalan rad treba biti maksimalno od 60 Ω do 100 Ω. Međutim, koristimo li niskoomske slušalice poput navedenih 16 Ω, optimalna izlazna impedancija pojačala za slušalice mora biti od 1.6 do 2.5 Ω. Budući da prikazana temeljna konfiguracija pojačala za slušalice ima izlaznu impedanciju od 5 Ω (zbog paralele dva emiterska otpora od 10 Ω) dodan je još jedan par tranzistora u izlaznom stupnju. Tada je ukupna izlazna impedancija cjelovitog pojačala oko 2.5 Ω. Emiterski otpornici mogu se dodatno, ali ne previše, smanjiti. Donja granica emiterskih otpornika je oko 4.7 Ω. Pobuda se tako znatno poveća ali i termička disipacija. Vrijednosti emiterskih otpornika primijenjenih pri izradi ovog pojačala ne podudaraju se sa specifikacijom u tablici na prethodnoj stranici.

Druga modifikacija može se izvesti s otporima negativne povratne reakcije koji se mogu promijeniti , pod uvjetom primjene vrlo učinkovitih slušalica, na vrijednost od 2.2kΩ do 4.7kΩ. Ovi su otpornici također promijenjeni.

Shema lijevog i desnog kanala, lijevo te ispravljača s filtrom gore desno i sekcije zaštite, dolje desno

Izgled pločice








Izlazna impedancija pojačala za slušalice značajna je zbog više razloga. Što je izlazna impedancija viša, to je veći pad napona s niskim impedancijama tereta. Ovaj pad napona (na izlaznoj impedanciji) može biti tako visok da onemogućava pobudu nisko-impedancijskih slušalica normalnim razinama glasnoće. Impedancija slušalica mijenja se frekvencijski. Ako je izlazna impedancija pojačala znatno iznad nulte vrijednosti to će dovesti do pojave da se napon, koji pojačalo predaje slušalicama, također frekvencijski mijenja. Što je izlazna impedancija pojačala viša, to će se više mijenjati frekvencijski odziv. Različite će slušalice nepredvidljivo reagirati s izvorom. U nekim slučajevima to može biti jasno čujno.

Svaki dinamički pobuđivač, kako zvučnika tako i kapsula slušalica, titra u skladu s izmjeničnim signalom pobude kako bi nastao zvuk. Isto tako svaka membrana ima neku titrajnu masu, a fizika nam govori kako svako tijelo koje se giba nastoji zadržati stanje u kojem se nalazi. Dakle, membrana se giba i u nekom se trenutku treba momentalno zaustaviti i promijeniti smjer gibanja. Kako bi se titrajni sustav suprotstavio neželjenom gibanju , primjenjuje se prigušenje primijenjeno u ovjesu membrane. Ako je titrajni sustav dinamičke kapsule slušalica podprigušen, on će se nastaviti gibati nakon što bi se trebao zaustaviti. Ako je nadprigušen neće moći točno pratiti signal pobude.

Ožičenje i izgled prednje te stražnje ploče pojačala za slušalice

Ispitivanje sastavljenog pojačala – zamjena emiterskih otpornika i uparivanje tranzistora








Mehaničko prigušenje membrane slično je amortizeru na automobilu. Međutim, najbolji automobili imaju mogućnost kontrole amortizera u ovisnosti o načinu vožnje i vrsti podloge po kojoj se giba. Mehaničko prigušenje uvijek predstavlja kompromis: ako je mekano - vozilo će oscilirati duže. Kruto prigušuje oscilacije, ali će vožnja biti neugodnija. U optimalnom slučaju prigušenje mora biti prilagođeno frekvenciji i snazi pobude titrajnog sustava. Vrsta je mehaničkog prigušenja i akustičko prigušenje kojim se apsorbira i/ili slabi zvučni val na suprotnoj strani kapsule prema čašici. Čašica se može ispuniti akustički apsorpcijskim materijalom, a odušak na kapsuli može se popuniti akustički poroznom spužvom. Pored toga, svaka kapsula ima porozni papir kojim se guši reflektirani val iz čašice, ali nikad u potpunosti.

Pored mehaničkog i akustičkog prigušenja postoji učinkovitiji način upravljanja neželjenim titranjem membrane - to je električno prigušenje. Nastaje kad titrajna zavojnica i magnet dinamičkog sustava kapsule slušalica, zajedno s pojačalom, upravljaju načinom titranja membrane. Takav način upravljanja titranjem sustava omogućava projektantima realizaciju slušalica s mnogo manjim izobličenjima i kvalitetnijim zvukom. Kako bi električno prigušenje bilo učinkovito, potrebna je izlazna impedancija pojačala bar 8 do 10 puta manja od impedancije slušalica. Priključimo li slušalice impedancije 16

Ω u pojačalo izlazne impedancije 100 Ω neće se realizirati nikakvo električno prigušenje. To znači da u trenutku kada električna struja promjeni smjer i kada se membrana treba zaustaviti i promijeniti smjer, do toga neće doći trenutn o. Membrana će se nastaviti gibati sve do trenutka kada je zaustave mehaničko i akustičko prigušenje. Međutim, priključimo li slušalice impedancije 16 Ω u pojačalo izlazne impedancije bar 2 Ω, nastat će dovoljno električno prigušenje titrajnog sustava. Porastom izlazne impedancije smanjuje se električno prigušen je.

Jednostavnim pokusom možemo se u to lako uvjeriti. Ako većem elektrodinamičkom zvučniku, izvan kutije, kojemu priključnice nisu spojene, lagano gurnete membranu, osjetit ćete kako se ona vrlo lako pomiče jer svladavate samo silu centratora. Ruka tada ima ulogu pojačala snage vrlo visoke izlazne impedancije. Nakon toga priključke zvučnika spojimo u kratko, pa pokušamo ponovno pomaknuti membranu. Što osjećate? Membrana zvučnika sada pruža vrlo veliki mehanički otpor, jer pomak rukom generira struju koja se suprotstavlja pomaku. U prvom je slučaju električni otpor beskonačan pa struja ne teče i nema prigušenja. U drugom je slučaju električni otpor jednak impedanciji zavojnice, struja je maksimalna pa je i elektromehaničko prigušenje maksimalno.

Ispitivanje sastavljenog pojačala – Wima kondenzatori u paraleli su s donje strane








Kako raste izlazna impedancija, električno je prigušenje sve slabije. Karakteristika reprodukcije niskih frekvencija slušalicama značajno slabi ako je nedostatno električno prigušenje. Niske frekvencije počinju istitravati jer pojačalo ne upravlja pomakom membrane kapsule slušalica. Pogoršava se impulsni odziv, a kvari se i niskofrekvencijski odziv jer se povisuje donja granična frekvencija. Međutim, iako se nekim korisnicima koji preferiraju topli cijevni zvuk ovakav neprigušeni bas može sviđati, moramo znati da je on daleko manje točan od onog koji se dobije pojačalom niske impedancije.

U cilju minimiziranja nabrojenih problema, nužno je imati izlaznu impedanciju pojačala za slušalice bar desetinu ili u najgorem slučaju bar osminu impedancije primijenjenih slušalica. Impedanciju slušalica podijelimo s 10 ili u krajnjem slučaju s 8, kako bi izračunali potrebnu maksimalnu izlaznu impedanciju pojačala koja neće unijeti zvučna slabljenja. Kako smo već više puta naveli, jedini standard koji specificira izlaznu impedanciju pojačala za slušalice je IEC 61938 iz 1996. On specificira minimalnu izlaznu u impedanciju od 120 Ω, međutim brojni su razlozi zašto je to danas neprimjenjivo.

Analiziramo li najveći broj kvalitetnih izlaza za slušalice u pojačalima ili onih integriranih u DAC, primijetit ćemo kako su u najvećem broju vrlo niske impedancije, sve do reda mΩ. Razlog je tome što se suvremene slušalice projektiraju kako bi se napajale iz izvora nulte izlazne impedancije. Svako pojačalo za slušalice koje ima višu izlaznu impedanciju od desetine (ili bar osmine) iznosa impedancije primijenjenih slušalica promijenit će frekvencijski odziv slušalica kao i prigušenje pri reprodukciji niskih frekvencija.

Realizirano je pojačalo vrlo neutralno s dosta snage i posebno izraženom mogućnošću naglašenog bas udarca, ali uz svilene visoke tonove. Kako smo naveli, konstruirano je posebno za rad sa slušalicama najnižih impedancija, a pokazat će dobre rezultate i sa visoko-omskim slušalicama. Smjestite li ovo pojačalo pored mnogo skupljih bit ćete ugodno iznenađeni. U svakom slučaju, neka će pojačala možda otkriti više detalja, ali njihova će cijena biti mnogostruko viša.

Vrlo kratke upute za izradu pojačala i kratki vodič za popravak (servisiranje) pojačala za slušalice






Documents

Izrada (četvrtog) pojačala za nisko-omske slušaliceaudiologs.com/ozrenbilan/tripo5.pdf · 2017-10-11 · gotovog uređaja jer nema masivni transformator uz mogućnost spajanja