|
Low Impedance Drive Power Amplifier Version 2.0 
Bygget på erfaringer fra et kredsløb konstrueret tilbage i 1978 og anvendt til RIAA og preamp forstærker. En fuldsymmetrisk opstilling med valg af komponenter og lav udgangsimpedans, så det – om nødvendigt – kan drive et effektmodul. I forbindelse med optimering til RIAA forstærker fandt jeg på at DC koble indgangen. Fjerne kondensatorerne i signalvejen i indgangen. Bipolare transistorers nødvendige strøm for at fungere betød, at jeg måtte tilføre et FET differentiale trin til kredsløbet. Gaten på en FET kræver ingen (læs: uendelig lille) strøm. Jeg ville ikke have at der løb strøm gennem pickup'ens spoler.
(Voltage Amplifier Section)Driverblokken til min effektforstærker er vist til venstre. Billedet viser den fysiske VAS sektionen i min forstærker Version 2.0. Billedet til højre er KUN brugt til at vise VAS sektionens placering i et effekttrin. Resten har intet med min forstærker at gøre. Jeg har valgt at bygge med parallelkobling af komponenter på flere afgørende steder i kredsløbet. Det har vist sig at have betydning for mit forstærkerkredsløbs præstationer i krævende situationer. Parallelkobling lægger en dæmper på komponenternes egenstøj og samtidig reduceres tendenser til selvsving. Oveni dette er der fordelene ved den øgede strømkapacitet, som flere parallelle transistorer bidrager til. Fordeling af effektafsættelsen på flere komponenter. Mit layout er derved mere omfattende end vist på principdiagrammet ovenfor til højre. Se diagram længere fremme på denne side.
Jeg anvender ECS 2 kredsløbsplader fra Velleman med dobbelthullede kobberøer på bagsiden. Komponenterne hardwires med supplerende kobbertråde efter opgaven. Billedet øverst til venstre viser driverblokkens transistorer til Version 2.0. Alt på indgangs og driverkredsløbet, som driverblokken er en del af, kører i klasse A. Derfra går signalet videre til yderligere et sæt drivertransistorerne på POWER RAIL'ens køleplade i klasse AB. Drivertrinnets interne slewrate er 270V/uS. Af stabilitetsmæssige årsager justeres det ned til 150V/uS i den samlede udgave af forstærkeren. Ventilatoren der ses monteret på driverblokken kan uden overdrivelse kaldes ”Whisper”. Støjniveauet er 17dB ved 12 V Med spændingen reduceret til 8,5V er den i praksis helt støjfri på 30cm afstand. Dens airflow er nok til at holde temperaturen på driversektionens VAS- og udgangstrin under 45 grader Celsius.
OUTPUT STAGE. Det er vigtigt for konstruktionens ydelse og musikalske egenskaber at iagttage nogle basale men vigtige punkter. Det ses ofte at man forbinder store transformatorer med lange og mangelfuldt dimensionerede ledninger til elektrolytbankene og derfra videre til udgangstrinnene. Derved har man ødelagt hele ideen med at udvælge veldimensionerede strømforsyningskomponenter. Hvad er der ved at anvende ”low ESR” elektrolytter hvis man serieforbinder dem med lange tynde ledninger? Hvor korte og tykke bør være selvskrevet. Især mellem elektrolytbanken og udgangstrinnet. Som det ses på billedet nedenfor har jeg valgt 30 kvtmm tykke messingskinner til forbindelsen mellem elektrolytkondensatorerne og tilsvarende mellem udgangstransistorerne på powerrailen. Skinnen, som bærer udgangssignalet - strømmen til højttalerne – er 20 kvtmm. Begrundelsen for denne forskel er at der er boret huller og skåret gevind i 30 kvtmm skinnerne, så det effektive tværsnitsareal enkelt steder er mindre. Det er ikke tilfældet med 20 kvtmm skinnen, som ender ved et 20 Ampere relæ og derfra et kort tykt kabel videre til højttalerudgangen. Det afgørende i brugen af overdrevet tykke messingskinner er at spændingspotentialerne og signaler er ens uanset hvor man måler på skinnerne.
Derfor har jeg valgt placering af strømforsyningselektrolytterne klods op ad udgangsmodulerne. Forbundet med to 5 cm lange 8 kvtmm tykke kabelforbindelse mellem messingskinnerne på elektrolytbankerne og powerrailen. Tanken om at forbinde elektrolytter og powerrail med en vinkelbøjet 30 kvtmm skinne har været i overvejelse.
Nedenfor. To af disse kabinetter blev indkøbt og bearbejdet med stiksav og fil til forpladen passede til de indkøbte VU metre. Foran monterede jeg plexiglas til beskyttelse af dem. Håndarbejde. Sav, fil og sandpapir. Do it yourself.
Der er mange udfordringer i bygningen af forstærkeren. Med planlægning og praktiske eksperimenter forud for færdiggørelsen af de enkelte kredsløbsløsninger har det taget mig mere et år at bygge den. Forventningen til at det kun ville tage den halve tid at bygge nummer to er ikke indfriet, skønt begge forplader med VU metrene blev produceret ved projektets start. Jeg ønskede at implementere tidskrævende forbedringer, hvilket igen falder tilbage på tiden med tilføjelser og rettelser i den allerede færdigbyggede udgave. Low Impedance Drive - Den komplette signalkæde
2 x 330W – 6,6 ohm – THD < 0,1% - 20-20.000 Hz – Slewrate 150 V / uS – 1200W total DUAL Parallel Power Supply NYT! Februar 2017. Omlægning til parallelforbindelse af de to strømforsyninger betyder at forstærkeren nu yder 425W/6,6 ohm 1 kanal drevet.
Test. Det umiddelbare lytteindtryk. Oplevelsens enkle overskrift er kontrol med og minutiøs oprydning i et ”rodet lydbillede”. Øget dybde og optrukne konturer. En oplevelse af øget klarhed i hele toneområdet. Diskant området især, samtidig med at det opleves behageligere og tydeligere sammenhængende med resten af toneområdet. En oplevelse der er forstærket hele vejen gennem projektet i takt med med justeringer og tilføjede ændringer undervejs. Med oplevelsen af denne forstærkers effektmæssige og subjektivt dynamiske ydeevne vækkedes min forståelse for firmaer, som i demonstrationsøjemed opstiller deres største kraftværker til at trække deres højttalere. Følelsen af at beherske det totale lydbilledet fra den dybeste basgang, over stemmers naturlighed og diskantinstrumenternes luftighed og dynamik uanset niveau er en dragende oplevelse.
Ingen kæde er stærkere end det svageste led
Oscilloskopbilledet viser forskellen mellem indgangssignalet ( gul kurve ) på indgangen af min prototypeudgave af ”Low Impedance Drive” forforstærker (bygget omkring 1980 og nyrenoveret 2015), videre gennem det dertil fremstillede audiokabel gennem effekttrinnet og videre gennem et 2x16kvtmm højttalerkabel tilsluttet højttalers terminaler. Her måles udgangssignalet (blå kurve) med de tilhørende data i kolonnen yderst til højre på billedet). Man kan så vælge at se det overflødige i, at de viste data svarer til en øvre grænsefrekvens for den samlede signalkæde på 275.000Hz. Omregnet til godt og vel ti gange den hørbare grænsefrekvens. Det fylder ikke alverden på en logaritmisk skala, men det betyder, at signalkæden reagerer ti gange hurtige end musiksignalet, som det var tilsigtet. Detaljerigdom og den subjektive oplevelse af dynamik er de positive konsekvenser. Og hvem kan ikke leve med det?
Billeder fra bygningen af forstærkerne Den 27. januar, 2017.
De to kredsløbsplader i underetagen er til venstre styring af VU metrene. Til højre er kredsløbet som styrer ON delay til højttalerrelæerne, så kredsløbene når at stabilisere sig inden højttalerne tilsluttes. Derudover DC sikring af højttalerne samt indgang for current overload protection. Ændret kabelføring og især strammere kontrol med stelpotentialer var en af opgaverne i den nye udgave af forstærkeren. Metalskinne mellem de to indgangsstik er monteret for at sikre fælles solid stelpotentiale mellem de to kanaler. Kabinettet var forboret, for ellers ville jeg have placeret de to stik klods op ad hinanden! Metalskinnen midt i kabinettet mellem de to kondensatorbanke har samme formål. Overetagen, som vises komplet nedenfor, består af de to driverblokke til udgangsforstærkeren, samt softstart til transformatorerne, strømforsyning til ventilatorerne, og styring af rød grøn blå indikator LED samt VU meter belysning. Jeg har til montagen i det forborede hul midt under VU metrene indkøbt en lysdiode med tre farver. Red=On, Green with fadeout function=Ready and flashing Blue light and VU meter flashing white=WARNING/Current overload.
Den 29.Januar, 2017. Kredsløbene er fysisk monteret. Kabelføringen er som det ses kun delvis monteret. Det virker kaotisk og rodet indtil projektet er helt færdigbygget. Ovenpå transformatorerne ses softstart til højre og LED indikator og belysningskontrol til venstre. Køleplader med de i alt 28 udgangstransistorer og tilhørende drivere mangler fortsat current overload kredsløbene som endnu ikke er færdige. Kredsløbene laves selvlåsende. Højttalerrelæerne afbryder forbindelsen til højttalerne og kan ikke resettes før forstærkeren har været slukket i op til 60 sekunder. Forinden har blinkende blåt lys og VU metrenes blinkende belysning advaret om alvorlige fejl. Jeg vil undgå at forstærkeren kobler/kobles ind igen uden man først afhjælper den udløsende faktor. Overvejelsen har været at lave det sådan at forstærkeren slukker automatisk. Med ændring af køling til driverblokkene kunne jeg ikke bruge samme montageform, som i den første. Driverblokkene var for høje og derfor måtte jeg bygge al mekanisk montage om. Alle kredsløb er monteret på kraftige plastglas plader. Der er således 16mm afstand til aluminiumsprofilerne, der bærer pladerne. Kredsløbspladen med softstart har fået bortfræset dele af kobberbanerne så 230V har mindst 10mm afstand til alt andet. Kassen er med nødvendige afstande mellem kredsløbene på det nærmeste helt fyldt.
Den højre kanal blev monteret og testet. Intet statisk selvsving, som set i den første udgave af forstærkeren. Dog med en antydning af ustabilitet ved gengivelse af firkantsignal. Der skal laves en mindre rettelse på driverkredsløbet. Jeg var også denne gang gået til grænsen for driverkredsløbets hurtighed. Velvidende at stabilitet har førsteprioritet og at tilslutning af udgangstrinnet kræver tilpasning og efterjustering. Seriekobling af 120 Ohms modstand og en 22 pF kondensator over basis/kollektor på VAS transistorerne var en overoptimistisk løsning, da det hele kobledes sammen, hvilken jeg godt vidste. Kondensatoren ændres til 68pF, selv om 47pf ville have løst opgaven. Det reducerer forstærkerens slewrate til 150V/uS fra den nuværende små 300V/uS. Det er som altid et spørgsmål om balance mellem stabilitet og hurtighed. Det er tydeligt at kredsløbenes signalhastighed og generelle stabilitet er entydigt forbedret med de mange Panasonic 2.2uF MKP RF grade afkoblingskondensatorer og ændrede elektrolytter i strømforsyningen sammenholdt med den første udgave af forstærkeren. Den 1. Februar, 2017. TEST. Ustabilitet rettet. Suppleret med en ny ide. Skør vil mange sige. Stik mod alle teorier. I stedet for at lade hver transformator og elektrolytbank køre uafhængig af hinanden (DUAL MONO) kom jeg på den tossede ide at forbinde kondensatorbankene med hinanden. Trodse det teoretiske ideal og lade strømforsyningerne koble sig parallelt. Det betyder nu at begge forstærkere kan trække på hinandens transformatorer og deres strømkapacitet efter behov. Resultatet blev at den kontinuerlige udgangseffekt øgedes fra 330W/6,6ohm til 375W/6,6ohm/0,05%THD+N. Én kanal drevet. Det tegner godt for Extreme udgaven. Projektet der et halvt år før den berammede tid igangsættes. Her er transformatorens spænding 10V AC højere end de nuværende. Derved rammer jeg forhåbentlig 600W/6.6ohm og 900-1000W/3,3 ohm pr. kanal. Med ændringer i strømforsyningen kan de færdigbyggede forstærkere ikke længere kaldes DUAL MONO med de fordele teorien angiver. Til gengæld er strømkapaciteten fordoblet. Dynamisk. Og statisk ved én kanal drevet. Fra 330W/6,6ohm til 425W/6,6ohm. Der skal ikke mange ekstra volt forsyningsspænding til at øge effekten betydeligt. Formel: Spændingen i anden divideret med belastningsmodstanden. Klangen. Ikke dramatiske ændringer, men tydeligvis nok til at opleve ”lydbilledet malet med entydig øget dybde og optrukne konturer”. En oplevelse som også holder når ibrugtagningens beruselse har fortaget sig. Så en del af opgaven blev at implementere ændringerne i den først byggede udgave af forstærkeren inden jeg slukkede for loddekolben. Den 4. Februar, 2017. Den sidste af to forstærkere står omsider færdigbygget og spilleklar. Ændringer i lydgengivelsen betyder at næste step bliver at opgradere den første udgave med ændringer og tilføjelser fra den sidste. Den 8. Februar, 2017. Jeg har i dag færdiggjort implementering af ændringer fra den seneste til den først byggede forstærker. På fire dage har jeg indhentet det jeg havde sat 1. April som deadline. Jeg føler virkelig ”det kører for mig”. Da jeg fik den ”gamle forstærker” åbnet og så dens mekaniske opbygning og sammenholdt resultatet med konsekvensen af at montere de nydesignede driverkredsløb besluttede jeg at fastholde to ting. De allerede monterede elektrolytter og driverkredsløbene med passiv køling. Jeg ændrede FET transistorerne fra 2N7000 til BS270 og supplerede med de mange 2,2uF Panasonic MKP kondensatorer samt rette kabelføringen. Forstærkeren skulle i modsat fald have været bygget helt om for at få plads til driverkredsløbenes ekstra højde. Men det drillede. Bedst som jeg følte jeg kunne det hele udenad medførte udskiftningen af FET'erne, at DC offset vandrede op og ned fra knapt 82V+ til 82V- når jeg drejede på ”offset adjust”. Et skarpt punkt mellem skiftene. Der gik lang tid hvor jeg febrilsk undrede mig. Uanset montage af nye FET transistorer kunne jeg ikke lokalisere fejlen. Indtil jeg med oscilloskopet målte med signal på indgangen. Ingen forstærkning i FET'erne. Hmm ! Indgangssignal på gate men intet signal på source? Eller rettere det jeg troede var source! Så slog det mig at FET'ernes pinout vender modsat på BS270 i forhold til 2N7000. Jeg kunne selvfølgelig have set ordentligt efter. I skraldespanden med de forkert monterede – jeg gad ikke måle dem efter – i med helt nye og offset var i potentiometerets midterstilling inden for 50mV. Hvor svært kan det være? Jo, BS270 er ens lige fra posen. Hver gang. Lidt justering og det hele kørte lige efter bogen. Den 9. Februar, 2017. Begge forstærkere er færdigbyggede. Kontrol, justeringer og afsluttende test står tilbage.
Den 9. Februar, 2017.
Den 15. Februar, 2017. Det fysiske layout sammen med øget tomgangsstrøm (bias) betyder at begge forstærkere har udviklet svag tendens til at stige i bias i takt med med stigende temperatur. Jeg stoppede op ved 50 grader Celsius på kølepladerne. Fortsat stigende tendens. Det er en uholdbar situation, som kræver ændringer. De mange diodestrækninger i driver og udgangstransistorer reagerer ved at reducere deres basis/emitter spændinger ved stigende temperatur. En selvforstærkende effekt, som Bias transistoren monteret på kølepladen skal klare. Men dens ene basis/emitter strækning viste sig utilstrækkelig til at kompensere for de mange som trækker den anden vej. Så temperaturen stiger 5-6 grader over et par timer i tomgang. Action! Brugen af LED'er i drivertrinnets konstantstrømsgeneratorer skal erstattes med tre serieforbundne 1N4148 dioder, som termisk opfører sig anderledes og stabiliserende på kredsløbene gennem hele forstærkeren. Denne ændring afprøves og samtidig står næste skridt klar i kulissen. Som et supplement såfremt diodeskiftet ikke er nok. Et nyt biaskredsløb hvor den ene nuværende biastransistor erstattes af to, i darlingtonkobling og suppleret med en diode med termisk kontakt til kølepladen transistorerne fastgøres på. Denne tilføjelse vil effektivt trække bias karakteristikken den stik modsatte vej. En hurtige reaktion mod stigende temperatur og begrænse risikoen for ”thermal runaway”. Balancen er at sikre ensartet og stabil bias uanset temperaturen. Begge dele afprøves i dagene fremover. Den 17.Februar, 2017. Nyt diagram. Bemærk 2x 22pF kondensatorer i VAS sektionen skal ændres alt efter den omhu der lægges i den komplette opbygning i sammenhæng med power railen – udgangstransistorerne på kølepladerne. I mit tilfælde er valgt 68pF. Det er et kompromis mellem kredsløbets hurtighed og dets stabilitet. Ændringer og beskedne tilføjelser ( Nyt diagram! ) har ikke været spildt. For bedst som man tror det ikke kan blive bedre har den nye udgave bevist det modsatte.
Største lydmæssige overraskelse kom af ændringen af biaskredsløbet. Min teori bag oplevelsen er, at det nye biaskredsløbs mere end 100 gange større forstærkning i forhold til den tidligere version, forbedrer dets evne til at holde sammen på plus og minus siden af forstærkerkredsløbet. Uventet og ganske utilsigtet medførte darlingtonkoblingens kraftige forøgelse af forstærkningen på dette sted forbedringer af forstærkerens musikalske egenskaber. Ændringen fjernede et slør af ubestemmelig støj/forvrængning i komplekse musikpassager. Det er åbenbart vigtigt at biaskredsløbet ”holder effektivt sammen på plus og minussiden af forstærkeren”. Hvilket i virkeligheden er aldeles indlysende, når man tænker sig grundigt om. Så en del af opgaven blev at implementere ændringerne i den først byggede udgave af forstærkeren. Også dette er nået. Det opdukkede problem med svag tendens til ”thermal runaway” er nu løst ved ændring af konstantstrømsgeneratorerne i indgangstrinnet og darlingtonkoblingen med diodekompensation i bias sektionen . Billedet ovenfor. Læg mærke til måden tingene er forbundet. Dioden skal holdes fast til aluminiumsprofilet og suppleres med kølepasta, for at opretholde størst mulig termisk kontakt. Med ændringen af diagrammet lykkedes det at indfange den opståede svage tendens til ”thermal runaway”. Begge apparater er sat til langtidstest, mens jeg fortsætter med ”The Extreme Projekt”.
Detalje fra forstærkerens kondensatorbank. Hver kanal forsynes fra en strømforsyning med 2 x 27.200uF elektrolytter, 35A brokobler ensretter og 600W transformator. Kondensatorbankens kraftige metalskinner forbindes til udgangstransistorernes fælles strømskinner med 2 x 6 kvtmm kobberkabel. Total kun 40-50 mm lange. Termineret med crimpede og loddede ringkabelsko. Powerrail'en. Det første puslespil med at få placeret udgangs- og drivertransistorerne på kølepladerne. Udgangstransistorerne er fastspændt til kølepladen med en skrue, suppleret med endnu en skrue, som fastgør en fjederstålklemme, som supplerer presset på transistoren til maksimal termisk forbindelse til overførsel af varmen fra dem. De keramiske emittermodstande ligger an mod kølepladen og bruges som isolerende leje for messingskinnerne til højttalerudgangen og forsyningsspændingerne.
|
Kabinetter
til opgaven er købt 
Den
31. Januar, 2017.
