Úpravy koncového zesilovače s tranzistory IGBT z AR 11/98

By | 11.2.2005

Na první pohled poměrně jednoduchá konstrukce, která zlákala spoustu amatérů, toužících postavit si koncový zesilovač většího výkonu. Rozhodnutí ke stavbě pak ještě bylo umocněno zjištěním, že je skutečně zesilovač relativně jednoduchý, osazení levné, do domácích podmínek má i slušný výkon, ostatní parametry téměř excelentní, integrovány obvody ochran přímo na desce zesilovače a součástí stavebního návodu byl i klišé spojů a napájecí zdroj. IGBT tranzistory téměř omračujících kvalit a za rozumnou cenu byly tehdy relativně dobře dostupné a kromě nich už zesilovač obsahuje jen „trochu šrotu okolo“, ze kterého je nejspíše nejdražší součástí výstupní relé v ceně okolo 40Kč, nepočítám-li zdrojové elyty.

Pokud někdo zakoupil v GESu apod. filtrační elyty Hitano nebo šrot od Pavlíka Mecy, vyšly levně i ty. Zatím.

Schéma zesilovače bylo převzato z časopisu ELEKTOR, ve kterém se toto zapojení vyskytovalo v mnoha mutacích – s koncovými tranzistory HEXFET firmy IR, s laterálními polem řízenými tranzistory Toshiba a Hitachi, poslední verze, kterou jsem zachytil, byla osazena jinými budicími tranzistory, budič poněkud jinak zapojen a jako koncové tranzistory byly osazeny legendární SanKen 2SA1302/2SC3281 pro výkon 130W.

Netuším, jaké vzdělání a zkušenosti měl autor původního zapojení – domnívám se však, že bylo patrně z poněkud jiného elektrotechnického směru a že jde o produkt nějaké elektronicko-inženýrsko-návrhářské rychlokvašky, která v pekelně drahém návrhářsko-simulačním programu navrhla zesilovač, další podobná rychlokvaška za pomoci návrhového programu pro DPS se zapnutým autorouterem navrhla desku a zesilovač byl hotov. Je absolutně vyloučeno, že by někdo alespoň v jednom vzorku zesilovač vyrobil a odzkoušel – došel by totiž ke krutému zjištění, že zapojení tak, jak jej navrhl, jako zesilovač fungovat nemůže. Může ovšem fungovat jako poměrně výkonná středovlnná až krátkovlnná rušička, dokonce s vlastním buzením. O to smutnější je, že zmíněnou konstrukci z ELEKTORu převzalo Amatérské Radio, se všemi chybami a nectnostmi v zapojení. Namísto původního, velmi jednoduchého obvodu pro zpožděné připojení zátěže byl s dobrým úmyslem přistavěn účelný a vlastně komplexní obvod ochran včetně tepelné. Bohužel i v tomuto přidanému obvodu ochran se vyskytlo několik chyb – násobeny chybami v koncovém zesilovači – a výsledkem bylo masivní rozkmitání, většinou destrukce rozkmitového i budicího stupně při prvním zapnutí zesilovače, případně zničení připojené zátěže. Zarazila mě jen jedna věc – na obálce některého čísla AR byla osazená deska tohoto zesilovače vyfotografována – k testování zřejmě už nedošlo, jinak by testující vzteky vyletěl ze své laboratoře jako Faust komínem…Ostatně, vyfotografována byla i osazená deska vstupní a rozkmitové části Alanova zesilovače LowEnd, kde mají tranzistory MJE340/350 omylem báze uprostřed, na fotografii ovšem byly zapojeny standardně, bez zkřížených vývodů – při testování této desky by se na to jistě přišlo, že.

Tyto dva příklady berte prosím jako memento a varování před „slepým“ přejímáním konstrukcí, případně bezmyšlenkovitému skládání sad součástek nebo stavebnic či osazování jen podle dokumentace /pokládačky/ a to nejen z amatérských časopisů. Koneckonců jsou to většinou konstrukce, určené k „bastlení“ a „vymazlení“, i když se na první pohled tváří jako hotový, téměř poloprofesionální modul. Záruku na to, že se součástkami z Vašeho šuplíku /nebo od mizerného prodejce/ to bude fungovat naprosto shodně jako vzorek /pokud byl postaven a testován/ Vám bohužel nikdo nedá a ani to dost dobře nejde. Jako odstrašující příklad chování našich prodejců součástek /samozřejmě ne všech/ lze uvést legendární causy „Toshiba“ 2N3773 nebo „Motorola“ MJ15003/MJ15004. V tomto směru má přímo odstrašující chování plzeňský GES, kde se mi svého času podařilo koupit asi 50ks BD317, nepoužitelných ani jako náplň do praku, které jsem chtěl původně použít jako náhrady v současnosti prodávaných a mizerných KD503 při opravách rozhlasových modulů AUJ637. GES je vůbec banda grázlů s velmi podivnou praxí : kopie 2N3773 se prodávají jako normální materiál, originály od ONSemi označuje GES jako „průmyslové typy“ s minimálním odběrem 100ks a velmi předražené. Kondenzátory Hitano, prodávané GESem jsou šmejd skutečně těžkého kalibru s životností kolem 500 hodin, přitom ceny některých druhů převyšují ceny velmi podstatně lepších kondenzátorů Jamicon. Tak jsem si vylil srdíčko a teď tedy zpět k dotyčnému zesilovači.

Nejzajímavější je, že při úpravách a oživování několika modulů – říkejme jim IGBT 150 – se mi nikdy nepodařilo „odprásknout“ koncové tranzistory – možná díky elektronickému jištění mého zdroje, i když bylo nastaveno na 6A. IGBT kombinace mosfetu a bipolárního tranzistoru má ovládací elektrodu-gate-vlastně oddělenou od výstupní bipolární struktury, takže i při „hladkém průstřelu“ rozkmitového a budicího stupně vlivem masivního rozkmitání zůstala bipolární a kupodivu i mosfetová struktura netknuté. Toť nejspíše jediná výhoda tohoto druhu tranzistorů.

Téměř všechny následující poznatky byly získány praxí a v případě posledních dvou modulů nepřetržitou, přibližně patnáctihodinovou prací ve stylu „pakárna“, tedy střídavými úpravami a měřením. Doufám také, že panu Roudnému dojde, co že to má doma za highend a jakého ze sebe dělá na internetu vola.

Nyní konečně k úpravám. V dalším textu budu předpokládat, že máte modul či moduly již hotovy a buď nejste spokojeni s jejich činností, chovají se nevypočitatelně, případně „něco furt odchází“ Zvolená terminologie bude tedy odpovídat tomuto stavu. Těm, kteří o stavbě teprve uvažují, bych vřele doporučil akceptovat navržené úpravy již při osazování. Dokonce ještě nějakou tu korunu ušetříte. Nejprve je třeba upravit obvod ochran tak, aby fungoval, jak má – tzn. při zapnutí zdroje relé přitáhlo s definovaným zpožděním, při vypnutí relé OKAMŽITĚ odpadlo a při krátké prodlevě mezi zapnutím-vypnutím-zapnutím zesilovače /nějaký debil si hraje s vypínačem nebo zhoupnutí sítě/ se nestalo, že relé „ťukne“, případně přitáhne okamžitě. V původním zapojení k těmto hazardním stavům docházelo pravidelně, výsledkem byly rány z reproduktorů nebo přepalování pojistek. Když jsme u těch pojistek : vzhledem k tomu, že se na desce zesilovače nacházejí v napájecích větvích dosti velké kapacity a jsou bohužel zapojeny až za pojistkami, je nezbytné používat pojistky zpožděného typu, tedy T, o hodnotě cca 3,15-4A. Pozor: deska je navržena na nestandardně zapojené relé, které má spínací kontakt blíže k vývodům cívky-nikoli opačně, jak je obvyklé. Je proto nutné při instalaci standardního relé /např. VSB12STB, Finder 4051 ap./ tyto dva „vnitřní“ piny odškrábnout od výstupu z koncového stupně a kouskem drátu výstup konc. stupně zapojit na „venkovní“ pár pinů. Střední dvojice pinů relé je výstupem z desky, zde se nic nemění. Relé Takamisawa VSB12STB /ECOM/ je vůbec nějak podezřele odolné relé-nepodařilo se mi jej upálit ani svařit v situacích, kdy se na výstupu objevilo +43V ss a byla připojena 4W zátěž a to několikrát po sobě. V tomto ohledu patří k naprostým sračkám relé Gavazzi, Millionspot a Relpol. Lze je upálit ve stejné situaci hned napoprvé, kdy jsou nucena odpojit zátěž pod ss napětím-charakteristické údaje a údajně i materiál kontaktů mají přitom shodné či lepší, než zmíněné relé Takamisawa.Jsou však výrazně levnější…To je napínání, že? :-)))

Obvod ochran:

1. odpojit propojkou kombinaci R43+D5 od napětí +43V

2. R43 vyměnit za 10k

3. D5 vyměnit za BAT48 nebo jinou Schottky diodu 0,2-0,5A/60V

4. R44 vyměnit za 12k

5. C12 vyměnit za kvalitní značkový typ /Nippon KMF, KMG/ 330uF/16V, v nouzi i 220uF/16-25V

6. C13, C23 a C24 vypájet bez náhrady

7. C11 a C25 musí být 100uF, alespoň na 35V, nejlépe je nahradit tuto sériovou „bipolární“ kombinaci jedním bipolárním elytem 47-68uF/100VDC / 35VAC

8. volný konec kombinace R43+D5 připojit kouskem drátu na +12V /např. přímo na pin, na který se připojují přívody od zdroje nebo na některý nejbližší spoj, na kterém je +12V/

9. pozor na LM324, bývá odstřelená, je vhodné instalovat precizní patici a novou LM324, koupenou u dobrého obchodníka

10. pozor na původní diodu D5, bývá proražená

11. zkontrolovat diodu D6 a její Zenerovo napětí, mělo by být v toleranci 4,9 – 5,2V /zenerovy diody, prodávané darebáckými obchodníky se šmejdovým zbožím, bývají „ujeté“ až hrůza/

Úpravy originálního zdroje:

1. vypájet filtrační elyty C21 a C22 1000u/25V ve zdrojích +/-12V a nahradit takto : v kladné větvi kondenzátor C21 220u/35V, v záporné větvi C22 100u/35V

2. vypájet C31 a C32 bez náhrady

3. pomocné vinutí na transformátoru by mělo dávat o něco více, než jen 2x12V stř, ideální je 2x14V stř.

4. zdroj vyzkoušíme, zda v obou větvích dává správná napětí +/-12V

5. u výkonových částí zdrojů je třeba cca 1mm drátem zesílit a propájet spoj od fastonu „GND4 a GND7“ na společnou rozlitou GND plochu /spojené póly filtračních kondenzátorů/ v obou zdrojích +/-43V

Propojíme zdroj s deskou zesilovače jen přívodními svorkami napětí pro ochrany a vyzkoušíme. Za předpokladu, že vše ostatní v obvodech ochran je osazeno správně a nic dalšího není odstřeleno, musí po zapnutí transformátoru na síť relé přitáhnout se zpožděním cca 2s. Po odpojení transformátoru od sítě MUSÍ RELÉ OKAMŽITĚ ODPADNOUT, ihned po odpadu transformátor znovu zapojíme do sítě a vyzkoušíme tak reakci na rychlé zapnutí-vypnutí. Relé musí VŽDY přitáhnout se zpožděním /byť o malinko kratším/, nesmí náhodně cvaknout či okamžitě přitáhnout a opět odpadnout krátce po zapnutí.

Úpravy vlastních obvodů koncového zesilovače:

Pokud byl zesilovač nucen přežít několik destrukcí nebo proudových rázů, preventivně vyměníme celé osazení kromě koncových tranzistorů. Těch pár BC a BD i ve značkovém provedení /doporučuji/ stojí jen pár korun a je to rozhodně jednodušší a bezpečnější, než testovat jeden tranzistor po druhém, zda „není načatý“. Pokud budete měnit tranzistory T7, T9, T10 a T11, doporučuji jejich náhradu typy MJE340/350, podstatně se zmenší zkreslení na vysokých kmitočtech. Upravíme výstup a vývody relé dle textu nahoře, výstupní tlumivku vytvoříme z většího metaloxidového odporu 2R2/3-4W /vhodný by byl TR225/ a ovinutím celého jeho povrchu /cca 10-15 závitů/ smalt. drátem 1mm silným, konce vinutí připájíme co nejblíže čepičkám odporu a jako celek zapájíme místo odporu R35. Tlumivku původního provedení vypájíme bez náhrady ven a dáme dětem na hraní. Tranzistory T7 a T9 je z bezpečnostních i jiných důvodů lépe od jejich chladičů odizolovat slídovými nebo kerafolovými podložkami. Tolik „mechanické“ úpravy.

Elektrické úpravy:

1. bez náhrady vypájet R13+C4, R14+C5

2. přímo na pájecí body tranzistorů T7 a T9 zespodu desky je třeba mezi jejich kolektor a bázi připájet co nejkratšími vývody keramické kondenzátory 47-68p na napětí min. 250V, lépe 500V. V případě použití tranzistorů MJE340/350 stačí kapacita 22-27pF/500V.

3. pokud jste podle „dobrých rad“ debilů typu pana Roudného experimentovali s kondenzátorem C6 a zvětšovali jej třeba až na 1000pF, tak jej nahraďte zpět hodnotou 220-330pF za předpokladu, že se jedná o keramický typ na napětí 500V /ECOM/. Na tomto místě nedoporučuji používat cokoli jiného, ani např. žluté svitky WIMA FKC na jakékoli napětí. Nedoporučuji zde používat běžné keramické kondenzátory na 50V, jsou na této pozici napěťově velmi namáhány a jejich proražení způsobí zničení prakticky celého koncového stupně.

4. odpory R32 a R33 nepoužívejte běžné levné keramické 5W „kostky“-přepalují se, případně záhadně mění hodnotu i přesto, že jsou drátového provedení. Použijte např. 7W velmi kvalitní drátové odpory G204 z firmy ECOM, na vyhrazené místo se pohodlně vejdou.

5. odpor R17 nahraďte hodnotou 82R. S touto hodnotou bude vstupní citlivost koncového stupně téměř přesně 1V pro výstupní napětí 24,5V na zátěži 4W, tedy výkon 150W.

6. odpor R21 nahraďte hodnotou 1k2, trimr P2 nahraďte kvalitním, nejlépe víceotáčkovým cermetovým typem s hodnotou 500-680R.

7. pro snadnější nastavení výstupního DC ofsetu nahraďte trimr P1 opět nejlépe kvalitním, víceotáčkovým cermetovým typem s hodnotou 4k7-5k nebo i 10k, přeškrábněte spoje ke krajním přívodům trimru a na přeškrábnutá místa připájejte smd odpory takto : do kladného přívodu trimru odpor 27k, do záporného přívodu 47-56k. Podle kvality spárování tranzistorů ve vstupním diferenčním zesilovači bude možná nutné vyměnit odpor v záporném přívodu trimru P1 za hodnoty 27-68k. Je samozřejmě možné použít i běžné odpory velikosti např. 0204, ale vypadají ze strany spojů tak blbě, že každého napadne, že jsou tam dobastleny. SMD odpor vypadá jako že tam má být :-)))Současně nahraďte odpory R1 a R2 hodnotou 1M. Po tomto zásahu bude možno výstupní DC ofset vynulovat podstatně snadněji, nastavení není „tak citlivé“ jako v originálním zapojení. Odpory s hodnotou 10M jsou již tak teplotně závislé a „háklivé“, že se na ně stačí křivě podívat a výstupní DC ofset Vám ujede o 30mV, zvláště, pokud se jedná o zcela běžné metalové odpory velikosti 0204. Současně vyměňte kondenzátor C3 za hodnotu 100n libovolného kvalitního typu na napětí min. 63V.

8. je vhodné /ale nikoli nezbytně nutné/ vyměnit odpor R4 za hodnotu 22K, případně i 10k.

9. vypájejte ven kondenzátory C19 a C20 a nahradte je kvalitními radiálními svitkovými typy s hodnotou 220-470n na napětí alespoň 63, lépe 100V.

10. vypájejte ven kondenzátor C10 a nahraďte jej kvalitním MKT typem se stejnou hodnotou na napětí 160-250V.

11. vypájejte odpor R34 a nahraďte jej dobrým drátovým druhem /např. G202 ECOM/ s hodnotou 4R7.

12. měděným izolovaným elektroinstalačním vodičem o průřezu 4-6mm2, případně lankem stejného průřezu propojte co nejkratší cestou /souběžně s deskou/ kladný pól kondenzátoru C17 a záporný pól kondenzátoru C15. Vodič musí být izolovaný a nesmí se dotýkat průběžného zemního spoje nikde jinde, než právě jen na pólech /pájecích bodech/ těchto kondenzátorů. Páječkou s větším výkonem tyto spoje dobře propájejte. Dobře se pracuje s tímto vodičem „vysvlečeným“ z původní izolace a navlečeným do silikonové nebo teflonové bužírky přiměřeného průměru. Je samozřejmě možné rovnou použít silikonové nebo teflonové pocínované či postříbřené lanko potřebného průřezu, máte-li jej. Po této úpravě se zlepší odstup rušivých napětí celého zesilovače /hlavně 100Hz brum/ o téměř 30dB z původní mizerné hodnoty cca –70dB. Naprosto nevhodné vedení zemních spojů /zvláště v okolí vstupního diferenčního zesilovače/ a brum 100Hz na výstupu nebuzeného zesilovače se zkratovaným i otevřeným vstupem mě jen utvrdily v přesvědčení, že NIKDO zapojení na této desce ani nezkoušel – zjistil by totiž, jak hloupě je navržena hlavně po stránce vedení zemních /GND/ spojů.

13. tepelná ochrana zesilovače má sice poměrně široký rozsah nastavení, ale také dosti velkou hysterezi /neplést s hysterií/, tedy rozdíl mezi vypínací a opětně zapínací teplotou. Ta s originálními součástkami v obvodu tepelné ochrany činí asi 50°C, což znamená, že zesilovač „vytopený“ na 90°C Vám opětně zapne až téměř studený. Takové vychládání může při pasivním způsobu chlazení trvat dosti dlouho. Odporem R51 v rozsahu hodnot 47 – 470k je možno hysterezi tepelné pojistky měnit téměř libovolně, ideální hodnota hystereze z hlediska tepelného namáhání polovodičových součástek je cca 30°C. Protože dva moduly, které jsem naposledy takto umravňoval, měly aktivní chlazení výkonnými ventilátory, s tímto obvodem jsem neexperimentoval. Dle mých vlastních zkušeností bude stačit odpor R51 vyměnit za 330k a hystereze se dostane do rozumných mezí.

Po všech těchto zásazích se tento zesilovač začne chovat jako zesilovač a to dokonce jako dobrý zesilovač. Chování v limitaci je velmi podobné elektronkovým zesilovačům, limitace sinusového průběhu není ostrá a strmá, jako u běžných koncových zesilovačů se silnou zápornou zpětnou vazbou, ale dosti pozvolná. Obdélníkový signál zesilovač přenáší s perfektně ostrými hranami, bez překmitů.Subjektivně má zesilovač velmi příjemný měkký zvuk, který velmi připomíná reprodukci elektronkových zesilovačů. Samozřejmě ne každému takový zvuk vyhovuje, záleží na vkusu, věku a druhu poslouchané hudby.

Přechodové zkreslení, pozorované při výstupní amplitudě 0,3Vef a kmitočtu 20kHz mizí již při klidovém proudu 10mA koncovými tranzistory a je zcela zbytečné a neúčelné klidový proud trimrem P2 zbytečně zvětšovat. Klidový proud koncových tranzistorů neměřte v přívodu /např. na kladném pojistkovém pouzdru při vyjmuté pojistce/, ale např. na odporu R33. Před nastavováním klidového proudu je nutné co nejpečlivěji vynulovat výstupní ss napětí /DC ofset/. Regulace klidového proudu je po úpravách nyní velmi pohodlná, bez zbytečných strmých nárůstů proudu koncovým stupněm. Klidovému proudu 10mA odpovídá napěťový úbytek 1mV na odporu R33 nebo i R32.

Bohužel tranzistory IGBT typu 20GD101 a 20GD201 již zmizely z trhu, vede je pouze jako velmi předražené jistá brněnská firma, nikde jinde jsem je nezahlédl. Bylo by možno zkusit nahradit druh IGBT tranzistory HEXFET typu IRFP250/9250 či podobnými, se kterými by zesilovač po úpravě kompenzačních kapacit fungoval jistě velmi dobře, zvláště po doplnění diodových omezovačů do řídících elektrod HEXFETů.

Napsat komentář