Witam,
Od wielu lat śledziłem publikacje na temat wzmacniaczy dużej mocy. Elektor Gigant 2000, Holton, konstrukcje QSC, Meyer, Crest, Haflery, Alephy Passa w tym wyśmienita konstrukcja Aleph-X którą również zrealizowałem. Przetestowałem również szereg wzmacniaczy profesjonalnych. Jednym ze wzmacniaczy który mnie wyraźnie zaskoczył był SANSUI BA-5000, którego miałem okazję testować w trakcie gdy trafił na serwis.
Wtedy jeszcze nie miałem cyfrówki toteż zdjęcia z netu.
Tu wieża testowa: od góry Aleph-X 2x100, niżej 4x750 i inni zawodnicy.
Do nagłośnienia małych imprez przydałby się jednak solidny wzmak o audiofilskiej konstrukcji. Po zbudowaniu kolumn PA na Beymach powstał niedosyt mocy i wtedy zapadła decyzja aby zrealizować wzmacniacz, który byłby na tyle uniwersalny aby mógł służyć zarówno do kina domowego, albo na imprezę. Po przejrzeniu setek schematów z internetu i opisów od nich\, a poszukiwania rozpocząłem w 1997 roku; zwróciła moją uwagę topologia całkowicie symetryczna z dwoma parami różnicowymi na wejściu po raz pierwszy zaproponowana na początku lat 70-tych przez: W. Marshall Leach, Jr., Professor of Georgia Institute of Technology. http://users.ece.gatech.edu/~mleach/lowtim/
Wzmacniacze Krell'a KSA 50 i 100, Gryphon Tabu Century i Callisto, LC Audio Millenium, zbudowano w oparciu o w/w topologię z drobnymi wariacjami.
Schemat Krell KAS-100
Pojawiły się w necie również kity o podobnej konstrukcji.
Postanowiłem więc zastosować ją w moim wzmacniaczu.
Dla sprawdzenia koncepcji wykonałem egzemplarz pilotażowy osiągający 2x190W/8 lub 2x350W/4, w którym zastosowałem stabilizowany zasilacz części napięciowej.
Schemat ideowy wzmacniacza 750W/2 - jeden kanał.
Poprawiony błąd wartości rezystora w dolnym źródle prądowym.
Sam wzmacniacz jest urządzeniem dość prostym a cała sztuka takich mocy i swobody grania kryje się w zasilaczu, tak więc na nim skupię dalszą uwagę. Co do wzmacniacza dodam tylko że działa bez pętli globalnego sprzężenia zwrotnego, jest DC servo, zabezpieczenie przeciw przeciążeniowe zaczerpnięte z LC Audio Millenium, wzmocnienie Ku=48dB, toteż na wejściu dałem tłumik -20dB: 8k2 w szeregu sygnału i k82 do masy. Na płytce drukowanej zmontowana jest tylko część napięciowa. Tranzystory końcówki w grupach po 6 szt dobierane na Ube, a potem na Hfe, końcówka na 2SC5200/SA1943, driver ta sama para, predriver na MJE15030/031, na wejsciu ZTX653/753, dalej MPSA42/92. W układzie stabilizacji prądu spoczynkowego MJE340/350. Pierwsze płytki prototypu zawsze maluje ręcznie gdyż nie wytrzymałbym oczekiwania na fabryczną. W egzemplarzu prototypowym nie zastosowałem klasycznego ogranicznika prądu wyjściowego, który jest pokazany na schemacie bez zaznaczonych wartości elementów. Prąd spoczynkowy ustawiony na na 30mA dla 1 pary tranzystorów. Spadek napięcia między punktami a i b wynosi 12mV. Spoczynkowa moc pobierana przez cały wzmacniacz około 110W.
Foto Hires
Założyłem moc na 200W/8Ohm z zastosowaniem 6 par wyjściowych pozwalających na pracę z impedancją obciążenia 2?. Aby maksymalnie wykorzystać moc zasilacza głównego, stopnie wstępne końcówki zasilam napięciem podwyższonym o 12V. Ponieważ nie znam się na budowaniu zasilaczy impulsowych zastosowałem transformator toroidalny o mocy 3900VA przy 70%Edycji, wykonany na zamówienie przez firmę Poltrafo ze Świdnicy. W sierpniu 2006 kosztowało 670zł netto.
Dla zapewnienia swobody w dopasowaniu do warunków zasilania zamówiłem odczepy pierwotne 215V-230V-245V; jako że po wprowadzeniu nowych norm EU zasilanie stało się jeszcze bardziej dziwne niż przedtem. U mnie jest 221-229V, u znajomego 2 ulice dalej 238-253V za sprawą innej budki transformatorowej. Odczepy przydały się również ze względu na to że podając 225V na zacisk 215V mam na wtórnym 47.5V . Inna sprawa że gdy przeniosę sprzęt do miejsca gdzie jest 250V może być groźnie choć obliczenie pokazuje że napięcie za grecem powinno wówczas wynieść 71V...
Teraz matematyka:
Szczytowe napięcie na wyjściu wzmacniacza dla P=200W, R=8:
Uwypik=sqrt(2xPwyRMSxRobc) czyli 56.56V
Szczytowy prąd w obciążeniu dla P=800W R=2:
Iwypik=sqrt(2xPwyRMS/Robc) czyli 28.28A
4 kanały obciążone mocą 800W/2Ohm każdy, wszystkie wysterowane tym samym sygnałem mogłyby łącznie przesyłać do obciążenia 113A w piku. Zasilacz w tym czasie nie powinien spadać poniżej 58V. Jest to sytuacja teoretycznie możliwa lecz daleka od praktycznego zastosowania. Zakładając że 2 kanały będą pracować jako monofoniczny mostek dla wooferów (1500W/4Ohm), a pozostałe dwa jako para stereo dla monitorów 400W/4 ohm, założyłem maksymalny chwilowy prąd zasilacza 60A. Na szynach głównych w ciszy powinno być +/-61V. na pomocniczych +/-73V
Kwestia jak dobrać kondensatory aby było w sam raz:
Dla zachowania niskiego poziomu wahań i napięcia tętnień przyjąłem że energia zgromadzona w kondensatorze plusa i minusa musi być równa 1/10 mocy całego wzmacniacz. (skoro sieć doładowuje 100 x na sekundę to przy takim reżimie pracy korzystamy z ładunku o wartości 1/100 Pwy, toteż 10 krotny zapas uważam za całkowicie wystarczający) Tak więc 4 kanały po 400W/4om = 1600W, ładunek w kondensatorach powinien wynosić po 160J na plus i minus, to daje pojemność filtrująca: po 95.000uF (zakładając minimalne napięcie 58V). Ze względu na założoną zwartą budowę pozostało umieszczenie baterii nisko profilowych kondensatorów Snap-In zamiast klasycznych słoików. Zastosowałem 40szt. 22.000uF/35V połączone tak aby wynikowo utworzyły dwie baterie po 110.000uF/70V. Dodatkową zaletą kondensatorów Samwha na 35V jest ich niska cena w TME.
Spoczynkowy ładunek zgromadzony w obu kondensatorach wynosi około 400J (dla +/-61V), co w zupełności wystarcza.
Diody prostownicze dla takiego obciążenia to kolejna kwestia, jako, że szare kostki greca (stosowane o zgrozo przez producentów sprzętu HiEnd za dziesiątki tysięcy zł.) moim zdaniem całkowicie się do tego nie nadają (za ich pomocą można co najwyżej ładować akumulatory (żart) ale coś w nim jest) Użyłem dwóch greców zbudowanych z Ixys-ów DSEI 2x101-06A. Dwóch ponieważ kiedy zamawiałem transformator nie wiedząc jeszcze na jaką topologię się zdecyduje, zleciłem trafok z 4 uzwojeniami wtórnymi po 44.5V. ponadto dla prądów o tej wartości korzystne wydaje się podwojenie greca zamiast równoleglenia uzw. wtórnych pracujących na jeden mostek prostowniczy.
Układ ograniczający udar prądu rozruchowego przekaźnikiem zwiera szeregowy rezystor rozruchowy 10Ohm/40W po około 500ms od włączenia. zasilacz pomocniczy 12V zasila również wentylator i przekaźniki sterujące mostkowaniem par kanałów. Na tylniej płycie wzmacniacza znajdują się mikroprzełączniki sterujące i wyłącznik wentylatora, przydatny gdy słucham w domu przy mocach ok. 1W (co z głośnikami o skuteczności 100dB daje już szczytowy SPL 100dB i do spokojnego cichego rozmawiania trzeba ściszyć). Diody Led widoczne z tyłu sygnalizują które z wejść są aktywne. W pierwszym pomyśle (2005 rok gdy skrzynka była przygotowywana) w tym wzmacniaczu planowane było umieszczenie aktywnej zwrotnicy, lecz przy śmiesznej cenie DCX2496 po prostu szkoda czasu na analogowe zwrotnice. Lepiej Tuningować DCX'a (low jiter clock, filtrowanie zasilania itp... -->Diyaudio.com. niebawem się tym zajmę
Pozatym DCX jako urządzenie czołowe systemu nagłaśniającego umożliwia przyjęcie cyfrowego sygnału przez złącze AES-EBU, co jest znacznym udogodnieniem, gdy stosujemy mikser cyfrowy lub urządzeniem przygotowywującym miks jest komputer wypozarzony w system RME Hammerfall DSP.
Z lewej płytka soft startu, trafo pomocnicze i zasilacz podwyższonych napięć dla części napięciowej.
tyłek i mikroprzełączniki sterujące konfiguracją
Aby przesłać tak wielkie prądy bez znaczącej kompresji mocowej użyłem po 3 przewody 2.5mm2 na szyne + i - dostarczające do lewego i prawego modułu mocy. W samym module kolektory połączone są szynoprzewodem nawojowym 12mm2 i takim samym wykonałem szyny zbiorcze emiterowe. Między szyny +i - w 3 miejscach użyłem kondensatorów WIMA MKP10 (składanych z 4 szt 220nF/250V), dławik wyjściowy to 10 zwojów na średnicy 16mm drutem fi3mm. Wyprowadzenia do zacisków przewód 4mm2, Lutowanie tego wszystkiego wymaga lutownicy minimum 160W-200W.
W tej konstrukcji największym czynnikiem powodującym kompresję mocy wyjściowej wzmacniacza jest rezystancja wewnętrzna sieci podającej zasilanie 230V gdyż impulsowy prąd po stronie pierwotnej trafa może dochodzić do 30A. Oczywiście RMS jest znacznie mniejszy gdyż nawet najcięższa muza techno jaką mam w zbiorach ma RMS sygnału -8dB co przekłada się na moc pobieraną przez wzmacniacz z sieci zasilającej. Podczas imprez gdy używam pełnej mocy jedynym zabezpieczeniem jest zwłoczny bezpiecznik 4A typu przemysłowego 10x38mm. Oczywiście mam pod ręką na zapas 6A i 8A, ale jeszcze nigdy nie były potrzebne. I tu bardzo ważna uwaga: powyższe jest OK jeśli nie dopuścimy do clipingu wzmacniacza czyli przesterowania. Ustawiam limiter na 1dB przed teoretycznym poziomem clipingu wzmacniacza. Ten 1 dB to na wypadek gdyby sieć spadła poniżej 210V.
Porównanie skrzynek wzmacniaczy : lewo 4x750 o zdolności rozpraszania ciepła około 400W i na prawo Aleph-X o zdolności rozpraszania 800W, oraz widok zastosowanego bezpiecznika topikowego typu 10,3x38mm
Prototyp przeszedł test obciążeniowy na systemie grzejników jakie akurat zdołałem zgromadzić z domu. Łączna oporność całego tego kramu to 8 o podłączone do pary kanałów w mostku. przycinanie sinusoidy wystąpiło przy 58V na połówkę mostka, ale w tym czasie napięcie w gniazdku sieciowym spadało z 224 do 222V. Matematyka Upik=116V Ppik=116x116/8=1682W czyli moc RMS oddawana do obciążenia to około 840W. przy 4 omach będzie mniej a przy dwóch mostkach obciążonych 4 om jeszcze trochę mniej. Tym niemniej z obserwacji oscyloskopowych rzeczywistych sygnałów muzycznych widać że wzmacniacz oddaje ponad 1500W do 4 omowych obciążeń.
Wzmacniacz jako całość nie odbył jeszcze pełno mocowego testu laboratoryjnego, w najbliższej przyszłości zakupię dwa moduły-wsady ze spiral grzewczych aby wykonać z nich 2 rezystory 4ohm. Wzmacniacz zasilę bezpośrednio z WLZ (przez zabezpieczenie S16A) i pomierzę jak się zachowuje.
Uwaga dla młodych elektroników, chcących być może powielić taki wzmacniacz. Otóż: fascynacja mocą to rzecz piękna i dająca bogate doznania sensoryczne, lecz należy bardzo ostrożnie pracować gdy energia w kondensatorach sięga setek Jouli !! Zwarcie między szynowe może być potencjalnie groźne dla zdrowia wcale nie przez porażenie ale poparzenie w wyniku odparowanych części metalowych. Ponadto aby w pełni uzyskać rzeczone moce konieczne jest stosowanie takich właśnie przekrojów przewodników. Toteż zachęcam do optymalizowania konstrukcji wzmacniaczy mniejszej mocy przez zastosowanie nieco mocniejszych transformatorów, bardzo szybkich diod prostowniczych np. typu Ixys Fred, nieco większych pojemności filtrujących (optimum to po 22.000uf na + i - dla 1 kanału wzmacniacza 4omowego i to niezależnie od napięcia szyn). Ważne jest zastosowanie osobnego doprowadzenia z greca do kondensatora i osobnego odprowadzenia z kondensatora do końcówki, sposób prowadzenia masy no i same przekroje przewodów. Jako przykład: kiedyś w wyniku nieuważności po spożyciu browca, testując zasilacz do Alepha-X 38V/12A wybuchł rezystor w sztucznym obciążeniu. Taki aluminiowy radiatorowy 6Ohm/50W, a był na radiatorze. Porcelana musiała być rozgrzana dość znacznie gdyż 2 rozbite kawałki po dobiciu się od sufitu, upadły na dywan który zaczął się topić i dymić w miejscu gdzie leżały. Ja w szoku miałem pod ręką kubek z herbatą, zagasiłem dwa miejsca ale dymu było tyle z tego rezystora że obawiałem się że jeszcze jakieś inne szczątki mogły wpaść na regał z papierami, więc od razu wiadro wody miałem pod ręką. Na szczęście nic więcej się nie zapaliło. Mówię o tym celowo aby uświadomić kolegom, jak niebezpieczny może być układ eksperymentalny o mocy 600W , który w domowym zaciszu puści bąka. Szczęśliwie nie oberwałem kawałkami gorącej porcelany w oko itp... I zapamiętajcie: po piwku wara od prób laboratoryjnych!! Jak później przeanalizowałem błąd powstał z powodu, że zestaw rezystorów poprzednio użyłem jako sztuczne obciążenie wzmacniacza przełączając jeden rezystor z szeregowego na równoległy toteż zestaw, który spodziewałem się, że ma 18ohm, miał 12 i równolegle 6. Moc wydzielona w wysadzonym = 240W !
A jak on gra? Cóż na pewno nie gra jak trioda 300B, ani jak Gainclone, powiem krótko znam jeden wzmacniacz który gra lepiej ( w sensie detali, rozdzielczości góry, sceny i powabności dźwięku): Pass XA, albo poprawnie wykonany jego klon chodzący w necie pod nazwą Aleph-X. Ale domyślam się że istnieje wiele audiofilskich konstrukcji które grają równie dziarsko a nawet w pewnych aspektach lepiej i z chęcią przeprowadziłbym porównania.
Na zakończenie: pisanie tego postu zajęło sporo czasu i uważam że wymagałby jeszcze więcej zmian i dopracowania toteż całkiem niewykluczone, że będę co jakiś czas redagował ten pierwszy wpis. na pytania zadawane ad-hok odpowiem bezpośrednio. Pozdrawiam i życzę udanych wielkich i bezpiecznych konstrukcji.
A tak BTW: dal kontrastu jedna z najmniejszych mioch konstrukcji:
generatorek testowy do torów mikrofonowych zasilanych Phantomowo +48V , schemat z Elliot Sound Products
Cool? Ranking DIY
P
[Mirek Z.]
