sobota 29. ledna 2011

Kvazikomplementární germaniový zesilovač ve třídě B

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit. 

Už dlouho mi ležela v hlavě myšlenka postavit zesilovač kompletně z germaniových tranzistorů. Stejně jako se říká o elektronkách že mají typický zvuk, tak totéž se říká o germaniových tranzistorech.

Jedna z možností jaké zapojení zvolit mě napadlo postavit repliku nějakého 40let starého zesilovače s použitím klasických tehdejších součástek. Ovšem rozumných schemat z té doby moc není a když tak obsahují celé řady zpětných vazeb a zapojení nebudí moc důvěru. Například jedno z těch lepších: http://www.acousticpsychos.com/Files/cctStereo30.gif

Nakonec jsem si řekl, že to udělám jinak a pokusím se postavit nové zapojení pomocí starých tranzistorů. Docela mě zaujaly konstrukce Federmann:
http://www.federmann.cz/images/stories/Nf/KS/KS_sch_1.png
A kompletně symetrická varianta zde:
http://www.federmann.cz/images/stories/Nf/HQQF/504/HQQF-55-504W_4_2_schema.jpg

Jelikož už byly na cestě čtyři kousky nepoužitých GD241B, tak nezbývalo než vyladit kvazikomplementární zapojení. Ostatně z té doby nejsou takřka žádné NPN výkonové tranzistory do komplementárního páru a klasický GC510/520 není příliš výkonný.

Zapojení jsem ladil na kontaktním poli a jako nejvhodnější kvazikomplementární zapojení se osvědčilo z výše uvedeného komerčně vyráběného germaniového zesilovače. Na první pohled zapojení působí dost asymetricky, ale po výběru vhodných hodnot součástek začalo bezproblému spolupracovat a s nesymetrií nebyl žádný problém.

Jelikož dnes na rozdíl od tehdejší doby nemusíme šetřit počtem tranzistorů je jasné, že schema bude vypadat o dost jinak, než dříve.

Můj výsledek je tento:

Vstupní signál přichází do dvou diferenciálních zesilovačů, jeden osazen pnp a druhý npn tranzistory. Zde je důležité aspoň přibližné párování dvojic, co mají spojené báze. Když mají příliš rozdílné vlastnosti, zejména zesílení, tak je to příčinou nenulového klidového napětí na výstupu zesilovače.

Emitory diferenciálních zesilovačů jsou podepřené jednoduchým zdrojem proudu tvořeném tranzistorem stejné polarity. Napětí na jejich bázích stabilizují jednoduše červené LED diody. Jednou z výhod je okamžité zjištění souměrnosti zapojení, pokud diody svítí stejně a při vypnutí stejně pohasínají, pak je vše v pořádku.

Signál rozdělen na dvě polarity je dále veden přes T7 a T8 do páru budících tranzistorů T10, 11. Jejich báze jsou odděleny T9, kterým se nastavuje klidový proud budících a tím i koncových tranzistorů.

U kvazikomplementárního zapojení je důležité vhodně zvolit odpory v emitorech a bázích koncových tranzistorů, jimi se nastaví poměr klidového proudu koncových, vůči budícím. Odpory v emitorech jsou nutné zejména kvůli teplotní stabilizaci.

Koncové, budící i tranzistor předpětí T9 je vhodné umístit na společný chladič kvůli lepší teplotní stabilizaci. Chladič k odvodu tepla by měl být co největší, aby na tranzistorech příliš nerostla teplota, protože uřídit horký Ge tranzistor klasická teplotní stabilizace nezvládá.

Germaniové tranzistory na rozdíl od křemíkových trpí určitými specifickými neduhy, co dělají velké potíže v zapojeních s nimi.

Jako první bych zmínil závislost proudu kolektoru na teplotě tranzistoru. Už při mírném nárůstu teploty znatelně roste kolektorový proud, tranzistor se více otvírá a ve většině klasických zapojení to má za následek další zvyšování teploty tranzistoru. Zapojení tedy potřebuje teplotní stabilizaci i tam, kde křemíkové bezproblému drží.

Dále tranzistory, zejména výkonové, vykazují svody kolektor emitor a tedy se jeví jako částečně otevřené i při nulovém napětí na bázi.

Mají poměrně malé povolené ztrátové výkony vzhledem k velikosti pouzdra a hlavně malé závěrné napětí , tedy maximální napětí Uce zavřeného tranzistoru a to ještě za předpokladu, že báze je držena konstantním napětím, nebo malým odporem vůči emitoru. Vždy je tedy dobré si předem přečíst katalog o každém tranzistoru před jejich prvním zapojení.

Velmi problematické je pak měření Hfe na klasickém multimetru. Lze tak tranzistory dobře napárovat, ale za určitých předpokladů. Všechny měřené tranzistory musí mít stejnou teplotu, i krátké držení mezi prsty pohne Hfe o několik desítek. Některé tranzistory vykazují naprosto nesmyslné hodnoty, což je způsobeno svody CE a CB a přitom mohou v zapojení fungovat naprosto bezproblémově, ovšem takové nelze na klasickém multimetru párovat (Pokud je Hfe hodně mimo katalogové hodnoty). Nezbývá než je vyzkoušet. Naopak některé mohou díky vhodnému svodu CE vykazovat normální Hfe a přitom nefungují vůbec, jakoby vůbec neměly připojenou bázi. Proto je v testovaném zapojení třeba změřit úbytky na odporech a odhadnout, kde je problém, který tranzistor se nechová správně.

Pár fotek:
Ladění

Před osazením koncových tranzistorů


Hotovo, po výměně několika tranzistorů fungují konečně oba kanály.

Když už germanium, tak všude. Našel jsem perfektní usměrňovací diody 14NP70, na desce vypadají super. Dále se mi k tomu nějak nehodily dnešní radiální kondenzátory, tak jsem našel vhodné axiální. Zdroj nebručí ani do sluchátek. Jako síťové trafo jsem použil malý 25VA toroid, který výkonem akorát odpovídá koncovému stupni. Zesilovač by měl dát optimistických 2x 6W trvale a 60W špičkově. Měření provedu až po zabudování s dostatečným pasivním chlazením. Také zbývá vyřešit chlazení budících tranzistorů.

Vcelku pozdě mi došlo, že odpor R37 a kondenzátory od něho na zem ovlivňují zesílení naopak, tedy, čím menší odpor, tím větší zesílení. Při jeho neosazení má zesilovač zesílení téměř 1:1. při 2K2 by měl mít cca 12x. Na kondenzátorech je pouze malé napětí, ale může být obojí polarity, tj jsou dva antisériově.


Úpravy: Po pár měsících a zkušební stavbě obdobného zesilovače jsem se k tomuto vrátil a pokusil se odstranit pár nedostatků způsobujících DC posuv výstupního napětí. Po zahřátí byl totiž na jednom z kanálů až 200mV. Provizorně jsem to odstranil odpory 2M2 od bází T2,5 k jednomu z pólů napájení. Ovšem to mělo za následek, že studený zesilovač bručel a až po nějaké době se napětí ustálila. DC posuv jednodušše odstraní zmenšení odporu ve zpětné vazbě, jenže to způsobí rozkmitání zesilovače na frekvenci okolo 400kHz. Oscilace se dají odstranit zařazením odporu před báze tranzistorů T1,4 avšak jeho dalším zvyšováním začíná zesilovač šumět až je to slyšet z reproduktorů. Nakonec jsem zvolil kompromis, zde je upravené schema:




15.1.2012 Odpor R3 na vstupu jsem opět přemostil, protože jsem zjistil, že způsoboval šum při určité teplotě tranzistorů. Tranzistory T1,2,4,5 (diferenciální zesilovače) je třeba vybrat takové, co vykazují co nejmenší svodový proud Icbo při požadovaném Ucb měřený s bází spojenou s emitorem. Pokud se svodové proudy u dvojice příliš liší, způsobuje to nenulové napětí na spojených bázích a tedy i na výstupu. Odpor na vstupu a ve zpětné vazbě nezvládnou utáhnout napětí bází na požadovanou hodnotu. Po úspěšném výběru je možno i osadit na vstup potenciometr normální hodnoty, např 50K.

Podmínkou provozu germaniových tranzistorů na relativně vysoké napětí je třeba držet napětí báze. V katalogu je pro limit Uce uveden maximální odpor mezi bází a emitorem Rbe, ten je třeba dodržet, jinak svodový proud přechodu c-b sám "otevře" bázi. To se týká hlavně kapacitně vázaných stupňů, toto zapojení je ale celé přímovázané, takže pokud funguje, nehrozí samovolné "ujíždění" pracovních bodů.

Další germaniový zesilovač obdobné konstrukce je ve stavbě, výsledky budou brzy.

1.2.2013
Zesilovač byl doplněn o jednoduchý obvod DC-serva, který vyřeší jinak prakticky neřešitelný problém nenulového klidového napětí na výstupech v závislosti na aktuální teplotě jednotlivých tranzistorů a jejich svodů. Pomocí integrátoru z operačního zesilovače se vytvoří potřebné předpětí, co se pošle na vstup zesilovače a nastaví nulové stejnosměrné napětí na výstupu. Obvod pro takovéto hodnoty součástek reaguje dostatečně pomalu a tedy nemá vliv na přenášené zvukové frekvence.

Dále jsem drobně upravil hodnoty několika součástek. Pro novou stavbu by bylo vhodné do napájecích větví vložit odpory 47-100R a za ně 220-470uF kondenzátory pro vyhlazení napětí budících tranzistorů počínaje T7 a T8.


7 komentářů:

Anonymní řekl(a)...

Pěkné


Federmann

Branislav řekl(a)...

Zdravim,
zaujmalo by ma ci to bez problemov pracuje na uvedene napajacie napatie.Kedze tranzistory GC510/520 maju Uce 16V. Nie je nahodou pri otvoreni jedneho z koncovych tranzistorov na budicoch medzi C a E 34V ? DAKUJEM Brano

Arambajk řekl(a)...

Na uvedené napětí to pracuje bezproblému (měl jsem to puštěné několik hodin v kuse) Ono, když se podíváš dobře do katalogu, tak je tam popsáno, za jakých podmínek může pracovat při jakém Uce. Resp pro větší napětí potřebuje záporné předpětí báze, aby udržel zavřený.
Ve skutečnosti tam mám zatím GC511/521 protože jsem dva páry 510/520 zatím nesehnal a také to funguje stabilně. (Musí se samozřejmě chladit na rozdíl od křemíkových)

Anonymní řekl(a)...

Pěkně sis s tím vyhrál, hlavně DC servo je u takovýchto zapojení nutnost. Kdybys místo klasického OZ použil FETový, stačí levný TL071, mohl bys použít řádově větší odpor do vstupu a kondenzátor stovky nF. Antisériové zapojení elektrolytů jim zkracuje životnost, protože vždycky je některý z nich přepólovaný.
Kvazikomplementární zapojení konce má své značné nevýhody, pro příště bych doporučil raději sehnat komplementární koncové tranzistory.
Jak Ti drží klidový proud konců a kolik vlastně je? Celkově bys mohl uvést nějaké měřené parametry, aspoň základní jako je zkreslení při několika výkonech, frekvenční charakteristiku a tak.
A v neposlední řadě - co zvuk? Jak se liší od klasických zesilovačů osazených křemíkem a nebo integrovanými obvody?
Martin

Arambajk řekl(a)...

Zdravím, díky za koment, o fetovém oz vím, příště. Co se týče elytů, je na nich o řád menší napětí než na těch, co musí být ve zpětné vazbě samotného zesilovače, takže to důvod k řešení není.
Mezi germaniovými tranzistory prakticky neexistovaly výkonové NPN (až na pár jednotlivých typů nekomplementárních, dneska drahých) takže kvazikomplementární zapojení je nutnost. Mám rozestavěný zesilovač s konci AD161/162, ty jsou komplementární a koncový stupeň se chová mnohem lépe, hlavně klidový proud drží lépe, ale mají malé výkony.
Klidový proud mám nastavený 20mA, po hodinách provozu se ustálí asi na 25mA. Chtělo by to ještě více, ve vyjímečných případech je stále slyšet přechodové zkreslení.
Měření parametrů jsem neřešil zatím, měřil jsem akorát SR 8V/us, výkon těsně před limitací 10,5W do 4R.
Co se týče zvuku, asi nejsem vhodný příklad, protože miluju zvuk elektronkových OTL zesilovačů a tohle je přesný opak. Hraje to neporovnatelně lépe než MBA810, lépe než TDA2030 v asymetrickém zapojení. Myslím si, že je to zapojení vhodné pro začátečníky, protože funguje prakticky na první zapojení bez ladění a při použití křemíkových tranzistorů i bez jejich vybírání. Mým cílem bylo použití Ge tranzistorů prostě v zapojení, kde mohou dosahovat výsledků lepších, než se dělala dříve.

Anonymní řekl(a)...

Zkoušel jsi změřit výkonovou frekvenční charakteristiku? Ge tranzistory nad 5 kHz přibržďujou proudové zesílení.
Crifodo

Jaroslav řekl(a)...

Zdravím, po 4 rokoch som sa dostal k tomuto článku a nedá mi aby som nereagoval, autor článku podľa mňa veľmi urobil kus dobrej práce a verím že germánium bude v kurze, tiež mám odlaborované a postavené nejaké zosilňovače s germániom, ale ja som to zobral skôr z tej inej stránky a to že zosilňovač nebude len akýmsi lacným náhradným zariadením pre HiFi, ale naopak stane sa konkurentom pre kvalitné Hifi. Predpokladom je ale prevádzkovanie so širokopásmovým reproduktorom samozrejme s vyššou citlivosťou / viac ako 96 dB /a všetkým čo s tým súvisí . Tu bez problémov postačuje aj podstatne nižší výkon / osvedčili sa AD161/162 / hoci aj tie treba solídne "spárovať". Výkon okolo 6 Watt na kanál bohate postačuje a pri správne vykonanej konštrukcii podľa posúdenia viacerých HiFi nadšencov je výsledok viac ako veľmi dobrý .
Germánium je podľa mňa veľmi dobrou voľbou a ponúka výhody ako elektróniek / mäkkosť a nekovový charakter zvuku / a výhody ako tranzistora / pri správnom nastavení a ustabilizovaní/ omnoho dlhšiu stabilitu charakteru zvuku ,oproti elektrónke, ktorá s vekom mení parametre a tým aj "zvukovú" charakteristiku. Budem rád, ak sa niekto ozve a podelí sa so svojimi " skutočnými " skúsenosťami s Ge, prajem pohodu pri realizácii bezšumových a bezbrumových konštrukciách.