Kvazikomplementární zesilovač s germaniovými tranzistory II.

Po roce jsem opět nasázel do kontaktního pole 13 germaniových tranzistorů a znovu začal ladit kompletně symetrické zapojení, téměř stejné, jak v předchozí variantě.

Zvolil jsem jiné z mnoha dříve používaných drobně rozdílných zapojení kvazikomplementárního řízení, které se chová poněkud lépe než původní. Bočník 0,56R se u dolního tranzistoru sice přesunul do kolektoru, ale teplotní stabilizace zůstala zachována, protože je teď vlastně v emitoru budícího tranzistoru, který při vzrůstu úbytku přivírá bázi obdobným způsobem.

Koncepce má jedinou vadu. Při osazení libovolných tranzistorů se nedá očekávat, že zapojení byť správně zapojené bude fungovat napoprvé. Je to spíš loterie, jestli bude na výstupu kladné nebo záporné napětí řádu stovek mV místo toho, aby tam byla nula. Problémem jsou tranzistory v diferenciálních zesilovačích, resp párování NPN větve vůči PNP větvi. Některé tranzistory (mnoho) vykazuje příliš velký svodový proud Ice, který rozlaďuje diferenciální zesilovače a zpětná vazba už není schopna nastavit výstup přesně na nulu (úbytky na vazebních odporech vstupů do dif. zesilovačů) Svodový Ice, resp. Iceo se měří s bází spojenou s emitorem. (Rbe=0) V katalogu je uveden maximální povolený pro dané napětí Uce, což však v klasickém katalogu bylo pouze 6V. Dá se ale rychle změřit a vyřadit tak nevhodné tranzistory. (Např. se kolektor zapojí přes odpor na napájení, emitor spolu s bází na opačný pól a měří se úbytek na odporu v kolektoru, např 47K při 16V. Tranzistory stejného typu ho mají podobný, dá se tak i částečně zařadit neznámý tranzistor do typové řady, tranzistor stejného typu s např 2x větším Iceo než průměr ostatních už není do diferenciálního zesilovače vhodný a způsobil by nenulové napětí na výstupu.) Ovšem bezpečně nejspolehlivější je zapojení odzkoušet na nepájivém poli, tranzistory očíslovat a pak je teprve osadit do finálního zapojení.

Nakonec ale i po zdlouhavém hledání, kdy zapojení konečně funguje se může stát, že po např. hodině od zapnutí se na výstupu opět objeví DC napětí. Podle toho, jestli kladné nebo záporné, přiložíte prst na npn nebo pnp dvojici v dif. zes. a napětí pomalu zmizí, případně začne narůstat v opačné polaritě. Ge tranzistory jsou prostě příliš citlivé na změnu teploty. Extrémním řešením by bylo celou čtveřici dif. zes. tepelně spojit např. hliníkovým kvádrem s otvory pro jednotlivé tranzistory. Je ale otázka, zda při jiné celkové teplotě by se stejně neprojevila různá teplotní závislost různých tranzistorů.

Schema

(inspirace: http://www.federmann.cz/images/stories/Nf/HQQF/504/HQQF-55-504W_4_2_schema.jpg

http://www.electronicstudio.net/au-schem.html )

Zapojení se chová vlastně jako výkonový operační zesilovač. Na kladný vstup se přivádí signál, na záporný zpětná vazba. Trimr R19 určuje zesílení. R13 klidový proud koncových tranzistorů.

T9,12,13 je třeba umístit na společný chladič kvůli teplotní stabilizaci. T10,11 potřebují chladič také.

Tranzistory nemusí být nutně stejné, dají se použít různé typy. Původně jsem se bál použití výkonových 2NU74 ale fungují naprosto bezchybně, dokonce jsou teplotně stabilnější než GD241B, co jsem používal minule.

Koncovému stupni klesá účinnost s přenášenou frekvencí, např při 20kHz sinus, začalo zapojení brát 3A při zátěži 8R, na měkkém zdroji kleslo napětí na +-12V a velká část výkonu se protopila na koncových tranzistorech, které už mají s touto frekvencí potíže.

Odpory R4, R7 spolu referenčním napětím na LED diodách určují proud diferenciálních zesilovačů, který je roven přibližně Uled/R. (úbytek na bázi je asi 0,15V závislý na proudu) R10, R11 podobně určují proud řídícími T7, T8.

Konstrukce na hliníkovém šasi

Napájení je z jednoduchosti a bezpečnosti řešeno AC/AC adaptérem 12V. Na desce je pak prostě jeden vývod připojen na kostru a druhý přes dvě diody na napájecí větve jako zdvojovač. Jsou jen potřeba větší vyhlazovací kapacity než při klasickém napájení sekundárním vinutím s odbočkou a čtyřcestným usměrňovačem. Pro 8R zátěž to chce 2A adaptér, pro 4R 4A, víc nemá kvůli velikosti napětí smysl.

Deska zespodu, lépe to nešlo, pač jsem to musel kreslit starší fixou s rozplizlým hrotem

Namontované tranzistory 2NU74

Ještě chybí ucho, nožičky a přebrousit a přelakovat..

Jednočinný zesilovač se dvěmi EL34 paralelně

Byl jsem požádán o postavení kytarového komba s elektronkovým zvukem. Dostal jsem poměrně hodně času, tak jsem se dal do stavby prototypu s tím, že se to pak doladí. Nakonec čas uplynul tak rychle, že bylo jasné, že z prototypu bude konečná konstrukce. Ale i přesto bylo potřeba odzkoušet spoustu věcí a dotáhnout elektrickou i mechanickou část konstrukce od jednotlivých součástek až po finální výrobek.
Jednoznačně jsem se rozhodl pro jednočinnou A třídu s velkým výstupním transformátorem v ultralineárním zapojení a s katodovými rezistory. S podobným zapojením jsem už měl poměrně dost zkušeností, tak jsem se rovnou pustil do návrhu výstupního trafa na obrovském jádru EI40x70.

Vinutí tří sekcí primáru o pěti vrstvách a mezi tím dvě vrstvy sekundáru v serii zabralo nakonec jen jeden celý den. Na velké jádro se pohodlně vejde hodně mědi, tak jsem zvolil vinutí primáru drátem 0,4mm, který se snadno klade závit vedle závitu. Primár rozdělený na tři díly má celkem 1700z., sekundár 64z. drátem 1,3mm.

Pak jsem vyrobil desku koncového zesilovače a začal zkoušet. Zesilovač osazený novými E34L od JJ dával bez zkreslení cca 12,5W do 8R.
Bude to chtít hodně citlivý reproduktor, abychom nahnali ten výkon, říkal jsem si.

Nakonec jsem koupil 32W širokopásmový s citlivostí 96dB. Byl jsem docela zvědav, jestli je ta citlivost reálná. O tom mě spolehlivě přesvědčil hlasitý brum hned po prvním zapnutí s novým reproduktorem. Bylo třeba zdvojnásobit odpor prvního vyhlazovacího článku zdroje, aby brum ztichl na únosnou míru.
A citlivost je skutečně reálná, se sluchátky na uších jsem z toho v pokoji podle měřáku vymáčkl stabilně 107dB/m bez slyšitelného zkreslení.

Ale později se stejně ukázalo, že požadavky na hlasitost jsou u kytarového komba poněkud jinde, než poslech burácející hudby byť se sluchátky na uších. Příště to bude chtít výkonnější reproduktor, ne proto, že by ho zesilovač snad přetěžoval, to není fyzikálně možné, ale ačkoli není slyšet žádné zkreslení a výše zmiňovaný zesilovač má zjevně stále rezervy, tak reproduktor hraje jako za hranicemi svých možností. To je zřejmě způsobeno větším výstupním odporem zesilovače, tedy nedostatečným tlumením vlastních oscilací membrány ze strany elektrické, tak pravděpodobně i po straně mechanické. Zvolil jsem konstrukci z 12mm tlustého dřeva a mám pocit, že jeho tuhost není dostatečná.

schema koncového zesilovače a navazujícího předzesilovače a ekvalizéru

Klasicky paralelně zapojené koncové elektronky jsou buzeny sledovačem osazeným elektronkou ECC83/12AX7. Zde je teoretický kámen úrazu, napájecí napětí je poměrně vysoké a při připojení žhavení na zem dochází při vybuzení zesilovače k překročení povoleného izolačního napětí Ukf=200V mezi žhavícím vláknem a katodou, ve které je umístěno. Z dvojitých triod jsou ECC82/83 a jejich zahraniční ekvivalenty 12AU7/12AX7 jedny z mála elektronek, co mají povoleno takto vysoké, byť stále nedostatečné Ukf. Lépe jsou na tom snad jen tzv. budící triody např. ECC99 od JJ.

Problém Ukf řeší dělič napětí blokovaný elektrolytickým kondenzátorem.

Ekvalizér je klasický typ, co se používal v elektronkových zesilovačích celá léta, kvůli požadavku dvou kanálů je zde ještě zesilovací stupeň s pentodou EF86. Výstup obou předzesilovačů je sloučen na odporech 330K. Jejich hodnota závisí na hodnotách potenciometrů hlasitosti a ty zase na výstupním odporu ekvalizéru. Kvůli tomu nemůže být katoda následujícího stupně (budiče koncovek) blokována kapacitou vůči zemi. Při blokování docházelo ke slyšitelnému potlačení vyšších kmitočtů. vlivem kapacity systému elektronky a velkému výstupnímu odporu zdroje (1M potenciometry a 330K odpory).

Ekvalizér je možno přepínačem odpojit a přemostit. Dále je osazen spínač Bright na zvýraznění středů a výšek. Připojení malé blokovací kapacity k první katodě ECC83 způsobí závislost zesílení stupně na frekvenci.

pár fotek:

 Vinutí výstupního transformátoru, začátek:

Konec prostřední sekce primáru:

Vinutí výstupního trafa: konec poslední vrstvy, hotovo...

Osazená deska ekvalizéru:

Ekvalizér ze strany spojů:

Montování na šasi:

Konstrukce z tenkých dřevěných desek lepených epoxidem:

Nalakováno, reproduktor najednou vypadá neúměrně malý...

Umístění šasi:

Zapojení mělo zatím jednu vadu, při přebuzení odešla budící elektronka koncového stupně, předpokládal jsem průraz katody na vlákno, ale z neznámého důvodu byla horní polovina v pořádku, izolace držela Ukf=400VDC!! protože spodní trioda se ač nažhavená chová, jako kdyby nebyla zapojena, nevede žádný proud.

Po čase bylo jasné, že je potřeba osadit větší reproduktor:

Detail PES tlumící výplně

11.2.2012: Vyřešeno Ukf budící triody a provedeny další drobné změny v zapojení, výše aktuální schema. Nakonec osazen 12'' reproduktor. Přijde mi to jako rozjíždět tramvaj baterkama ze záložních zdrojů, ale hraje to, protože má ještě větší citlivost.

Solární minielektrárna - nové zázemí

Od doby, co jsem malé solární panely na střechu namontoval a v pokoji na ně zapojil první akumulátory, uplynula už poměrně dlouhá doba - čtyři roky. Postupně jsem vyměňoval vadné akumulátory a připojoval další s cílem zvětšení rezervní kapacity minielektrárny. Z elektrického hlediska se z toho začínal pomalu stávat zmatek a před každým odchodem z domu jsem kontroloval, jestli všechny kabely vedou tam, kam mají a jestli něco nevypadá, že by se chtělo zkratovat. Před každým odjezdem na dovolenou jsem vždy všechny akumulátory odpojil a póly izoloval návleky z bužírek. Pak jsem to musel znovu vše připojit. Ovšem mělo to výhodu, po týdnu odpočinku akumulátorů jsem přesně změřil jejich napětí a ujistil se tak, že jsou v pořádku.

Dále mě rozčiloval fakt, že když jsem jeden večer z akumulátorů 2 hodiny odebíral proud 1A, tj 2Ah, tak druhý den odpoledne, zhruba po nabití jedné Ampérhodiny se provokativně rozsvítila zelená dioda a regulátor se tvářil, že je nabito. V akumulátorech stále chyběla 1Ah, ale to je relativně málo, takže napětí stouplo, regulátor omezil proud a panely běžely naprázdno.

Vyřešil jsem to dočasně prostě přepínačem, který odpojil regulátor a připojil panely přes diodu přímo k akumulátorům. Když jsem spotřeboval hodně energie, prostě jsem to na pár dnů připojil napřímo a občas změřil napětí a případně přepnul zpět na regulátor.

Toto řešení je však poměrně nebezpečné, musel jsem před odchodem navíc kontrolovat přepínač a z hlavy dopočítávat, při pohledu z okna na oblohu, kolik Ah mi tam dneska Slunce nacpe, než se vrátím. Měření moc nepomůže, protože když si akumulátory vzpomenou, že už jsou nabité, napětí náhle vystoupá a během hodiny začne bublat elektrolyt a gumové čepičky hlasitě ufukují vznikající vodík.

Tato koncepce zapříčinila několik kuriózních situací. Například probuzení do jasného slunného rána za příjemného šumění deště za okny. Jak zvláštní.. Než mi došlo, že venku pere slunce a zvuk deště vychází od stolu ze všech devíti připojených akumulátorů.

Nebo klidné pozdní odpoledne, příjemné ticho, sedím u stolu, vnímám jen stránky knihy a když tu najednou puf-prásk! Pak plesk a na stole přistane mokrá gumová čepička, plastový kryt zatím zapadl za stůl. Ještě opařený z leknutí se zvedám pro kapesník, utřít čepičku od kyseliny. Nasazuji ji zpět na stejně ošetřený kanálek s trubičkou na akumulátoru a poté lezu pod stůl hledat tu zátku. (ty totiž nemají závit, a je třeba je po oddělení od akumulátoru znovu přilepit například lepenkou, ale pak se zase problematicky kontroluje stav kanálku s čepičkami, kvůli případnému úniku elektrolytu, jeho stavu v článku, nebo kontroly nárůstu tlaku při nabíjení)

Dále cesty do školy, s přehodnocováním teorií, co znamená natvrdo paralelně spojená šestice různých akumulátorů, z nichž každý tvoří šest článků v sérii. A přemýšlení o tom, co by následovalo, kdyby se jeden z těch článků rozhodl, že to po pěti letech nad životnost konečně vzdá a že se zkratuje.

Nedávno jsem si řekl, že s tím musím konečně něco udělat. Koncepce byla jasná. Ke každému akumulátoru zvlášť pojistku, všechny svorkovnice, přepínače, měřáky na pevném šasi, zabránit jakémukoli možnému zkratu akumulátorů. A hlavně předělat nabíjecí regulátor.

Začal jsem výrobou hliníkové rozvodné desky s din lištami. Osadil pouzdra na trubičkové pojistky, klasické jističe, výkonový přepínač 12/24V, tři měřáky, řadu svorkovnic a nový regulátor namontovaný také do krabičky na din lištu.

Nový regulátor:

Stanovil jsem následující požadavky:

1) Při vybitých akumulátorech nabíjet až do plného nabití a pak automaticky přepnout na režim udržování při nižším napětí, aby akumulátory nevařily.

2) Co nejmenší vlastní spotřeba v režimu nabíjení.

3) Naprosto žádný zdroj rušení, tedy spínaný regulátor nepřipadá v úvahu

4) Naprosto bezpečný automatický provoz

Plného nabití akumulátory dosáhnou při napětí cca 14,5V, ale na tomto napětí nemohou setrvat delší dobu, je tedy nutno, aby se regulátor sám přepnul a začal udržovat napětí nižší, cca 13,3V až do doby, než dojde k určitému většímu odběru energie.

Nakonec jsem zvolil koncepci s relé, které v nulové poloze připojí panely přímo přes diodu k akumulátorům a po dosažení požadovaného napětí se sepne výkonem z panelů a připojí akumulátory přes lineární stabilizátor napětí.

Schema

Pár fotek: regulátor

Instalace komplet vydrátování mědí se silikonovou izolací, která se netaví na horkých drátech. Měřáky odzhora: Napětí akumulátorů, proud z panelů, proud z akumulátorů. Vlevo dole trubičkové pojistky 16A pro každý akumulátor zvlášť, nad tím přepínač pro přepojení akumulátorů na stole do serie s těmi pod stolem. Oranžové jističe C32A pro měniče a výkonové spotřebiče, horní řada jističů pro drobné přístroje: Voltmetr, binární hodiny, rádio, vysílačka, a poslední pro odpojení panelů. Ještě je osazeno relé 3x16A pro budoucí režim záložního zdroje.

 

čtveřice akumulátorů pod stolem

celé zázemí z dálky

Regulátor schématu výše je v provozu bezmála dva měsíce bez chyb. Pokud jsou akumulátory nabité, ráno s rozedněním se vždy rozsvítí oranžová dioda a akumulátory se začínají nabíjet přímo z panelů. Napětí na akumulátorech okamžitě stoupá přes 14V za doprovodu jemného šumění až cvakne relé. Poté klesne nabíjecí proud na nulu a na akumulátorech klesá napětí až na cca 13,3V a dále se nabíjejí stabilizovaným napětím.

Pokud zapnu spotřebič, který uživí panely, napětí příliš neklesá a regulátor zůstává v režimu stabilizovaného zdroje, dokud nezačnu z akumulátorů odebírat takový proud, aby napětí kleslo pod cca 12,6V (záleží na nastavení) kdy odpadne relé a o akumulátorů jde celý výkon panelů.

Dokud nejsou akumulátory znovu nabité, drží napětí v rozsahu 12-13V, regulátor tedy i několik dnů běží v režimu bez regulace. Až, když napětí jednoho dne znovu překročí hranici nabití, přepne opět na režim nabíjení napětím.
Pokud jsou akumulátory přes den bez odběru, relé odpadne vpodvečer, když klesne napětí na panelech pod napětí akumulátorů. Oranžová dioda pak pohasíná až do západu slunce.

Bohužel stále nemám vyřešeno použití výkonnějších panelů. V režimu bez regulace by bylo v pořádku, po přepnutí na lineární regulaci by však došlo k přehřívání obvodu LM317 vlivem zvýšení napětí na málo zatížených panelech.