Mosfetový zesilovač jednočinná třída A

s dynamickým řízením proudu

Úvod

Protože jsem se za svůj život nastavěl různých zesilovačů až až, rozhodl jsem se po letech zase něco vytvořit. Po rozkoukání se po Internetu jsem zjistil, že za těch 8 let, co jsem se věnoval výpočetní technice, se zase tolik neudálo. Zůstaly tranzistorové zesilovače a mnoho pokusů o odstranění jejich "tranzistorového" zvuku, nadále se vyrábějí zesilovače elektronkové, obé ve všech možných cenových kategoriích. Zažil jsem nástup polovodičové techniky na vlastní kůži a kolem 60 - 70 let jsem stavěl jako správný novátor tranzistorové zesilovače podle různých pramenů (a také různých kvalit), vzpoměňme jen na první čísla Radiového Konstruktéra z roku 1965 a články o zesilovačích od pana Jiřího Jandy.
Kuchařky jsem neměl příliš v lásce, raději jsem obvody upravoval, nebo navrhoval včetně výpočtů nové.

Jako první popíšu koncový stupeň, při jehož realizaci jsem si dal asi tyto požadavky:

Slušné parametry, hlavně při poslechu pokojovou hlasitostí
Maximálně jednoduchá obvodová struktura
Mechanická konstrukce zvládnutelná v domácích podmínkách
Jednoduché uvedení do chodu
Nesnažit se každou cenu o high-end, spíše dát důraz na věci a jevy, které zvuk významně ovlivní

Schema zapojení

Nechal jsem se inspirovat různými čánky o jednočinné třídě A (tu jsem si vybral pro jeji relativní obvodovou jednoduchost a výhodný typ a průběh zkreslení), zvláště pak úvahami a realizacemi pan Nelsona Passe na www.passdiy.com. Zaujaly mne "čítankové" obvody, které mají při vhodném použití výborné parametry a zvláště jejich dokonalý rozbor funkce a vliv jednotlivých součástek na funkci obvodu.

Schema zapojení, které předkládám, je výsledkem mých pokusů o rozvinutí myšlenky jednočinného zesilovače ve třídě A, ale se zvětšenou účinností, která je maximálně 25% a současně se pokusit omezit velikost poměrně drahých chladičů. Myšlenka měnit proud tekoucí koncovým tranzistorem, který pracuje ve třídě A podle vybuzení je myslím dostatečně známa, chtěl jsem ale tento princip využít poněkud jinak.

Popis funkce:

Tranzistor T3 je vlastní zesilovač, jeho stejnosměrný pracovní bod se nastavuje trimrem P1. Zenerova dioda o napětí cca 9V chrání tranzistor před napěťovými špičkami, vazební kondenzátory jsou přemostěny menšími kapacitami s kvalitním dieletrikem, protože běžné elyty mají příliš velkou indukčnost, což se projevuje větším zkreslením na vyžších kmitočtech. Pokud bychom pominuli pot. trimr P2 včetně v sérii zapojeného kondenzátoru 200uF, choval by se tranzistor T2 včetně T1 jako běžný zdroj proudu, jehož velikost je v tomto případě cca 0,7A. Výše uvedené součástky včetně odporu 0,33 Ohmu ovšem způsobí, že příčný proud, který protéká oběma tranzistory, se mění podle velikosti vstupního signálu. Tato obvodová struktura je sice patentována, (držitelem US patentu č.5,710,522 je opět výše zmíněný Nelson Pass) ale v původním materiálu je velikost klidového proudu tak velká, aby byl nenulový i při vybuzení na max. výkon, jak ostatně vplývá z definice čisté třídy A (pure class A). Význam ostatních součástek vyplývá ze schematu a jejich velikost není kritická.
Zajímalo mne, jak se změní vlastnosti zesilovače a hlavně jeho zvuk při zmenšování klidového proudu. Skončil jsem na hodnotě proudu cca 0,7 A, což znamená, že při výstupním proudu větším než uvedená velikost se režim zesilovače posouvá ze třídy A. Této amplitudě proudu odpovídá výstupní výkon (zátěž 8 Ohmů) asi 2 Waty, takže pro malé hlasitosti se jedná o zesilovač ve třídě A.

Uvedení do provozu>

Pokud nemáme v zapojení chybu, je poměrně jednoduché. Trimr P1 a P2 nastavíme na maximální odpor, poté připojíme napájecí napětí. Trimrem P1 nastavíme v bodě A polovinu napájecího napětí, v mém případě asi 22 V. Po zahřátí zesilovače na provozní teplotu (podle velikosti chladičů asi 1 až 2 hodiny) toto nastavení zkontrolujeme, není to kritické, spíš jde o rozdělení ztrátového výkonu na oba tranzistory. Trimr P2 se nejlépe nastavuje pomocí tónového generátoru a osciloskopu, pokud nemáme, určitě máme zvukovou kartu a SW stáhneme např. od firmy PAS-datentechnik. Využijeme příslušného spektrálního analyzátoru a nastavíme trimr P2 jako kompromis mezi výkonem a nárůstem lichých harmonických, podle velikosti chladičů též můžeme zmenšit odpor 1 Ohm v emitoru tranzistoru T2, puristé určitě vynechají P2 včetně kondenzátoru 200uF a přesunou se do "pure class A", je zde velký prostor pro experimentování.

Dosažené výsledky

Kdo čeká měření zkreslení na tisíciny procent a frekvenční rozsah na desetiny dB, bude se mýlit. Nicméně alespoň přibližné objektivní parametry se sluší uvést:

Výkon:	záleží na napájecím napětí, v mém případě asi 15 W před limitací
Frekvenční rozsah:	je dán vazebními kapacitami na vstupu a výstupu, můj generátor 10 Hz - 20 kHz nehlásí žádný významný pokles na okrajích tohoto pásma
Odstup signál - šum:	při kapacitě kondenzátoru ve zdroji 30000uF je 100 dB, prostě asi 0,1 mV na výstupu při zkratovaných vstupních svorkách.
Činitel tlumení:	10

A jak to hraje

Když jsem postavil funkční vzorek s klidovým proudem asi 3 A a zaposlouchal se do výsledného zvuku, tranzistory začaly po chvíli "vařit", podcenit jejich chlazení se nevyplácí. Pomohl větrák, ale ten jeho šum, prostě k neposlouchání. Po zjištění cen odpovídajících chladičů jsem začal experimentovat s regulací klidového proudu, zvuk zesilovače se výrazně nezměnil, asi nemám k dispozici dostatečně kvalitní zdroj signálu. Jako muzikant jsem ocenil jeho podání detailů, zvláště ve středním, tedy pro ucho nejcitlivějším frekvenčním pásmu. Zdá se, že zmenšení klidového proudu se projevuje "bujarejším" zvukem při větším vybuzení, je to zřejmě způsobeno nárůstem lichých harmonických při přechodu ze třídy A.

V současné době mám naposlouchání asi 5 týdnů, zvukově se mi líbí, poslouchám hlavně klidnější muziku, Mike Oldfielda, poslední desky Erica Claptona, ze starých pak Emerson Like & Palmer a Jethro Tull. Můj syn dodal Mutter od skupiny Ramstein, připoměl jsem si dobu mého mládí a Black Sabath. Díky vyššímu výkonu zesilovače a pomalému nárůstu zkreslení se zvětšujícím se výkonem se z mých reprobedýnek linula muzika ve velmi slušné dynamice, včetně zahuštěné basové linky tak typické pro tento styl, aha a co že mám za reprosoustavy a jak jim vadí poměrně malý činitel tlumení? Postavil jsem tyto reprobedýnky, jsem velmi spokojen, zvuk neunavuje ani po několika hodinách. Velmi záleží na umístění, tedy na vzdálenosti ode zdi, nejlepších výsledků jsem dosáhl při jejich postavení na samý kraj knihoven. Vzhledem k velikosti je množství basů ůžasné a i přes poměrně velký výstupní odpor zesilovače (0,8 Ohmů) znějí překvapivě pevně. Výkon se zdá dostatečný, o Vánocích jsem poslouchal J.S.Bacha, Toccatu a fugu d moll, zvuk varhan byl velmi přesvědčivý. Nejnižžší pedálové tóny samozřejmě neměly vzhledem k velikosti reprosoustav (3,3 litru!) tu pravou razanci, ale byly nicméně slyšitelné bez znatelného zkreslení.

Co dodat? Podle mne velmi slušný kompromis mezi velikostí, složitostí a cenou, jak velikostí reprosoustav (vlastně minirecenze, že :-)) ), tak složitostí zesilovače, velikostí chladičů, kondenzátorů ve zdroji a tak vůbec.

Poznámky ke stavbě

Opět jsem si ověřil, že než se honit za velikými chladiči a za zimních večerů si přitápět ztrátovým výkonem, je lepší použít optimální řešení, a více se věnovat:

Velikosti trafa, v mém případě toroid o průměru 18 cm
Slušné filtrační kapacitě, použil jsem "staré" elyty Tesla 5000 uF na 50 V, celkem 6 kusů, tedy 30000 uF (opravdu to s nimi pracuje, dokonce velmi slušně)
Rozmístění součástek, co nejkratší vodiče, kterými protéká velký proud
Robusní provedení, včetně pořádných svorek pro připojení kabelů k reprosoustavám - ne nefandím kabelům za desítky tisíc, ale průřez alespoň 6 mm² rozhodně neškodí

Závěrem několik opravdu špatných fotografií, můj historický Kodak DC20 to lépe neumí...


Celkový pohled, po stranách chladiče	Trafo uprostřed, po stranách elyty, vždy 3 a 3 kusy	Zespodu je vidět masívní montážní Al profil	Detail jednoho plošného spoje, navrchu výstupní elyt	A je hotovo...

Závěr

Zápornou zpětnou vazbou je nastaveno zesílení asi 8x, (18dB) hrál jsem na něj bez předzesilovače, předřadil jen tandemový potenciometr 5kOhm a přepínal vstupy ručně.
Na můj vkus je v zapojení docela dost elektrolytických kondenzátorů a také potenciometrické trimry někdy nevynikají zrovna spolehlivostí. Prostě to tak vyšlo. Mechanická konstrukce je snad patrná z připojených snímků, na masívní Al profil jsem po stranách přišrouboval chladiče s plošným spojem, trafo je uprostřed a zbytek místa vyplňují filtrační kondenzátory. Přední a zadní panel jsou z překližky asi 10 mm silné (opravdu tam není silně zlacený 20 mm silný aluminiový nebo lépe ocelový plech :-)) ). Zcela vepředu je můstkový usměrňovač na nezbytném chladiči, asi tak 30 A a 150 V, vyhoví jakýkoli typ. Filtrační tlumivka není nutná ani při klidovém proudu kolem 2 - 3 A, spíš je potřebné správné zemnění bez uzavřených smyček.