觀看最近雜誌上介紹各種的A類放大器,使人讀來覺得今年的夏季將會溫升更高了,但是本人向來嗜好大功率,並對A類的機器情有獨鍾,故在最近搞的三音路電子分音器中,又加裝了兩台A類的Amp.,一台70W、一台15W,分別用來推中、高音。而這兩台Amp.不論是在電子分音系統中或是在獨立推動使用分頻器的喇叭系統上均是音效良好的,故在此特將此機的製作過程寫出,以使同好們能夠製作一台,嚐嚐頂級發燒的滋味,相信在純A類的器材中(橋接不算)它算是大功率的Amp.了!
這台Amp.的特色是除了在推動級使用穩壓之外,並且這穩壓亦附帶有輸出直流保護作用,只要Amp.輸出直流超過0.7V則會將功率級電源切掉,以免燒毀功率級晶體及喇叭,這電路不用Relay,速度很快,可確保電路的安全性。就晶體來說使用功率穩壓會有更大的好處,一方面功率穩壓可使功率級的電流穩定,另一方面可使功率級得到低阻抗、高速的電源供給。最主要的是在純A類機器的開機瞬間,衝激電流均非常的大,對功率晶體來說,這種衝擊容易造成對其之損害,而功率穩壓的作用一方面可使功率級供電馬上正常,另一方面卻消除了這種衝擊,等於一個buffer一樣,讀者諸君想想,使用功率穩壓雖然成本會增加一些,但能有這些好處不是很值得嗎?
電路分析
圖一是本機線路圖,輸入採用差動串疊放大,Tr1及Tr2為單晶片Dual FET E400。其優異的配對使得兩FET的gm(共源極互導)幾近相同,因此本機的CMRR(共模拒斥比)大為提高,又因為是單晶片的緣故,所以溫度漂移方面的影響亦較其它FET為低。串疊晶體Tr3和Tr4的基極被Zener釘死在+24V電位上,故Tr1及Tr2兩FET的洩極被固定在+23.4V上,使得電壓性變動所產生的非線性失真減少。且洩極電位降低亦使得FET的閘極洩漏電流減少許多,輸入阻抗為之提高。
在此處Zener的選擇也很重要,Zener的雜音會串入第二級放大,幸好第二級亦採用差動放大,能消除此共通雜音。因為本機工作於A類狀態,大量的熱使零件溫度不穩定,所以Zener的溫度係數必須注意。以Fairchild 500mW的Zener來說(1N916等),24V Zener的溫度係數較6.8V Zener高出了一倍,故高壓Zener可用數個低壓Zener串接以得到最佳的溫度係數,這是A類機器熱處理時應注意的一點。
目前恆流源的使用已日漸普遍了,市面上亦有CRD(恆流二極體),甚至LM334的應用。不過在使用LM334時要稍加留意,LM334原為溫度檢知裝置(Thermal Sensor),以2mA電流為例,若設計其電阻時溫度設定於25oC,則R=227x10-6x298/2x10-3=33.8Ω,當溫度升至40oC時,I=227x10-6x313/33.8=2.1mA,誤差已有5%,故設計A類機器時,LM334的溫度特性必須考慮進去。本機恆流部分採用簡單的電流鏡(Current Mirror)方式,雖然僅用到兩枚晶體三個電阻,但效果尚稱良好。
參見圖一(a),由於本級流過FET的電流各為1.03mA,故RE上流過2.06mA的電流,而-Vcc為-50V,故電阻RE其值約為24KΩ。但若採用了圖一(b)的電晶體所構成的恆流源,其交流阻抗Ro高達數MΩ。又因差動級CMRR正比於RE,因此採用恆流源後CMRR較未採用時高了百餘倍,相當於高了40dB左右。
接下來先對差動級的直流加以概略的分析。在設定輸入差動級靜態電流時必須考慮(一)差動FET的NF(雜音指數)對ID,(二)gm(互導)對ID,(三)動作點附近溫度影響等因素。本級FET各流過1.03mA的靜態電流,此電流值乃由恆流源決定之,計算如下:
I=½[(50-0.6)/(12K+12K)]=1.03mA
接下來計算第二級的靜態電流。靜態時Tr7 C極電位約在0V左右,故流過Tr7的電流即為流過5.6K電阻的電流50/5.6K≑9mA。而流過Tr8的電流亦同。再以他法計算看看是否吻合。差動級負載2.7K電阻上壓降為2.7Kx1.03mA=2.78V,則流過Tr7、Tr8的靜態電流為I7、8=½[(2.78-0.6)/(91+25)]≑9mA(此時設定VR2置於中間位置),無誤;可知計算正確。
再輪到功率級的計算。70W的功率輸出,8Ω負載,則電源電壓應為√2PoR=√2x70x8=33.47Volt,考慮電源電壓變動,射極電阻之損失及集極飽和電壓等無效電壓後(變壓器設定為足額供給狀態),Vcc射定為±35V是相當合理的。峯值電流為33.47/8=4.18A,故功率級的靜態電流為4.18/2=2.09A,因為功率級由四對晶體並聯,故每對晶體在靜態時流過2.09/4≑522mA。而每聲道靜態時消耗功率為2.09x35x2=146W,全機兩聲道和穩壓電源再加上驅動級之靜態功率消耗約近400W,夠嚇人了吧!
最後是Bias部分的計算,每對功率晶體流過522mA的電流,故Tr12、Tr16兩基極間電壓為0.6x2+0.5x522x10-3x2=1.722V。因為Tr10、Tr11的VBE和兩二級體D1、D2順向偏壓相互抵銷,故Tr9之C、E兩腳間電壓應為1.62V,計算以驗證是否正確,設VR3 500Ω置於中間位置(250Ω),則Tr9 C、E腳間電壓為0.6+0.6x820/(270+250)=1.55V,略偏低了些,將VR3調小至210Ω左右的阻值,則Tr9 C、E腳間的電壓約為1.62V,可見推算的相當接近,而有關本機電路的分析工作至此告一段落。
但是一台Amp.的好壞除了線路以外,就是在元件的搭配及挑選之上了,所以下面就讓我來談談其元件的挑選及裝配調整的過程。
半導體的選用
首先談談本機使用的元件,它在初級是使用E400來當差動元件,E400其特性優異是眾所週知的,只是它是單晶片元件,只要有一邊壞了就報銷了,所以在裝置時要注意對它的焊接不可過久過熱,否則可能會將其損壞,它在圖一電路中是Tr1及Tr2。而串疊及恆流晶體Tr3、Tr4、Tr5、Tr6則可使用C1400或是C1775A均可,不過能將它們挑選特性相近的再用,會比較好一些。Tr7、Tr8則使用B649A這編號的晶體,Tr9是偏壓晶體,它並具有溫度補償的作用,使用C1400或C1775A均可,它不是裝在PCB上的,而是需要以瞬間接著劑黏在功率晶體的散熱片上的,如此本機便可得到很好的熱補償作用。Tr10、Tr11則使用現今最流行的中功率管C2238與A968,Tr12~Tr15與Tr16~Tr19是使用專供CLASS A後級使用的功率管2SD188與2SA627這對管子,它的特性亦非常優異。以上已將本機所要使用的晶體元件大致介紹完畢了,另外在VR2的選擇上,因為它是低阻值的50Ω電阻,故筆者使用了可轉十餘圈的精密電阻,這將會對製作完成之後的調整上有所助益,使用與否亦端看讀者們的意思了。
現在就來談談裝配時要注意的事項了,首先:驅動級的PCB圖樣可參見圖三,功率穩壓與保護電路是洗在一起的,其PCB圖樣可參見圖四。而驅動級穩壓因為線路簡單,故請讀者們自行繪製PCB,又驅動級的PCB亦可由參考圖一的電路而知其零件位置,所以其零件配置圖亦不繪出了,在此只附上了功率穩壓與保護電路PCB的零件配置圖,可參見圖五。
請加大散熱片
在電阻及電容元件的選擇上並無太嚴格的要求,筆者是使用金屬皮膜電阻宇SAMPO的電解電容器,均可在中華商場買到。將所有元件均插焊在PCB上之後,便可開始配線了,筆者是使用單電源,如有讀者「騷包」的話亦可使用雙電源,至於音效有否大幅改善,相信您試了便知,這與配線有很大關係的!裝配技巧與一般Amp.大致相同,唯要注意變壓器每組0-35V繞組電流要有足7A才行,否則變壓器會過熱!散熱片最好是使用短筒型加風扇做強迫散熱的那種,散熱效果較好,筆者因晶體眾多,使用了手頭上的長型散熱片,故體積龐大了些,並且因吹風距離太長,故使用了兩個風扇,一個吹風,一個抽風。
本機是使用兩點接地,一點由PU座就近落地,一點在濾波電容零電位處落地,如此保證本機與任何前級連接均不會產生Hum了。本機因為使用了二段穩壓供給,線亦是一大團,故在配線時應保持頭腦清醒,不要將線接錯了,否則會燒掉一些不該燒的東西!(注意,穩壓電源的配線先不要接到驅動PCB上,並且保護電路的SP IN也暫時不要接上。)
當您將所有的線均配好了之後,便可以開始試機了。首先先將驅動級穩壓及功率級穩壓的電壓調至所需的±50V與±35V電壓位準,而後將電源OFF,先將驅動板上的VR1和VR2旋至中間阻值,VR3則旋至最小而後先試一聲道,將待試那聲道的二段電源均由穩壓處接上(不要接錯了),接好後打開電源,看有無異狀,並以電表量功率級及驅動級穩壓之電壓是否正常,一般來說,只要配線無誤將不會有任何問題的。現在旋轉VR1使SP輸出端對地的直流電位為零(趨近於零伏),再旋動VR2使5.6KΩ1W電阻的兩端電壓為零伏(不是0V也沒關係),要注意的是調整這兩個VR時會互相影響,必須來回調整數次才行。接著慢慢旋轉VR3,使0.5Ω5W的水泥電阻上壓降為0.26V即可。
功率管多對併聯
而0.5Ω5W水泥電阻上的壓降計算方法如下:其總電流為2.09A,如功率管使用四對,則每對功率管流過的電流為2.09A/4,則每對功率管流過約0.5A的電流。而這電流在0.5Ω電阻上的壓降便可計算出為V=IR=0.5x0.5=0.25V。筆者是使用5對功率管,則2.09A/5=0.42A(每對流過之電流),期0.5Ω上的壓降應為0.42x0.5=0.21V,故將0.5Ω5W水泥電阻上壓降調為0.21V即可,如使用不同對數;依上法計算即可。
在上述三個VR均調整過後,機器溫度應很高了,如此讓它熱機20分鐘後,再依上法調整一次,便完成本機的調校了,此時便可將驅動PCB上的Spout接到功率穩壓板上的保護電路SP IN端了。如果機器有了毛病則功率穩壓板上的LED會點亮,此時不要貿然的將其Reset,以免發生燒機悲劇,應詳查配線等後再行Reset以保安全。
有很多讀者怕A類Amp.的高溫度及大電流,其實只要您膽大心細,A類機器的成功率及穩定性反較AB類放大器來得高,且在音質上的表現,相信裝過A類Amp.的人均知道,在此也不必多說,讀者們如覺得瓦數太大,則只要降低功率級的電壓及靜態電流便可得到任意瓦數的A類放大器了。我相信只要讀者們裝配過此機後,必會被此機寬廣深沉的音色所吸引的,其實後級放大器對音色的影響也並不下於一台前級啊!
後 記
本機裝配完成後,實際試聽時,因變壓器很大,一般變壓器店均無法將其加裝隔磁鐵罩,結果在聆聽時會有變壓器漏磁所產生的雜音,雖然很小聲,但對我來說會聽不順耳,尤其使用在電子分音系統中更是明顯,解決知道便是換用有加裝隔磁罩的變壓器,不過目前這麼大電流的變壓器有裝罩的大概也只有堅新才有了,雖然花費頗高,但以本機的性能,是值得您多花些$的。
轉載音響技術第93期SEP. 1983 70W純A類後級製作/陳萬嘉
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