T-38是一台教練機,一如T-33是取名自空軍教練機種。

  既是教練機,就必須發揮其教育的功能,否則花四千來元去裝一台30W×2的擴大機,未必值得。

  教育不一定要談高深的理論,更不必一定有繁複的公式運算不可。

  現在,T-38既已到了讀者手中,或許你已經裝響了,或許還沒有。我想我們該進一步(或退一步)來檢討一下,T-38在電路結構設計及裝配技巧上的一些問題。

  這些問題,或許是針對出入門者而討論的,但也可能有不少自豪裝過數十種擴大機電路的人,自始都未曾察覺,更沒有思考過的問題,因此,希望每一個人都能虛心地想一想,是不是該這樣!

有關電源及輸出功率

30W的擴大機,該加多少(Vcc)電壓?

  W(瓦特)是電功率的單位,最簡單的定義就是一安培電流的電路中,截取一伏特的電壓,在此一伏特電壓內所形成的負載或功率耗散就是一瓦特。以圖示之,即:

在上圖中,你可以想到,如果在電阻(也就是電路)中截取二伏特,就有兩瓦,三伏三瓦。

  我們是否可以不移動電壓表的測試棒,而使用同一範圍(即A到B點)的功率增加呢?可以,但這時候要增加電路的電流。如何增加電流呢?例如,原來此電路接在0~-10V之間,現在我們把它升高到+20V,如此一來,此電路的電流必由1A增加到2A。於是原來A點到B點的功率耗散是否就由1瓦變成2瓦了呢?不對,是4瓦。因為在總電壓升高的同時,分電壓也升高了,總電壓升高二倍,分電壓也升高二倍。

  因此,我們可以獲得一個概念,在同一電路裡,電流是和電壓成正比的,而電功率則為電流和電壓的乘積。

  現在,舉一個更實際的例子,有一只8歐姆的喇叭,兩端接上8V的電壓,請問這喇叭該承受(或說耗掉了)多少電功率?

  8V通過8,電流是1A,以公式表之即:

  I(電流)=8V(電壓)÷8Ω電阻=1A

  一安培的電路截取了的8V電壓,電功率是8瓦,以公式表之即:

  P(電功率)=1A(電流)×8V(電壓)=8瓦

  好極了!請記住,在8歐姆喇叭的兩端加上8V的電壓,這喇叭就「吃」掉了8瓦的電功率。如果接上16V呢?會吃掉32瓦;反之如只接上4V,那麼只有2瓦可以吃。

  T-38是一台30瓦的擴大機,我們姑且以每邊有32瓦輸出來觀察它。

  要有32瓦可吃,必須給喇叭16伏的電壓,但16伏指的是直流,也就是恆定的電流,而擴大機的輸出卻是聲音,聲音是交流性的(振動的),除非是恆定的聲音(像解除警報一樣直叫的),很難確定它有多少功率。為了計算擴大機的功率,我們只能也假定這擴大機是為了造來放解除警報的。像解除警報那樣的聲音,我們稱它為正弦純音。正弦是三角學上的函數名稱,我們之所以稱「正弦波形」,乃是因其波動曲線,和正弦函數正好脗合。

  正弦波是有正有負的,或者我們可以說它並不是所有的時間都工作在一恆定值上,而是由小到大到最大,而後轉小到最小,如此週而復始的。

  根據數學公式計算,正弦波忽大忽小的工作的工作量,以電壓來計算,大約只等於穩定工作的2或1.41分之一。

  換句話說(特別注意),為了得到相當於16V直流的交流電壓,必須有16V×√2=22.6,這就是所謂的Vcc電壓。

  因為輸出功率晶體是上下接力工作的,所以為了得到32瓦的輸出功率,必須要有兩組22.6V的電壓,成為±22.6V。

  這是從輸出功率推算所需電壓的方法,相反地,我們也可以反過來算。例如:±28V加給的電壓,最大能得到多少瓦輸出。

  只取一邊就可以了:

  28V÷1.41=19.8V(相當於直流電壓值)

  19.8V/8Ω=2.47A(電流)

  19.8V×2.47A=49W(輸出功率)

  一般最簡單的計算輸出功率的公式是:

  Pout=Vcc²/8×RL

是怎麼演化過來的,自己去推推看吧!

照道理說,32瓦的擴大機,只要加給±22.6V就夠了,為什麼T-38加了±28V的電壓呢?

  有兩個名詞,你必須搞清楚的:一是空載電壓,一是電壓利用率

  什麼是空載電壓呢?那就是當你把變壓器的次級接上整流二極體加上平滑濾波電容,把交流整成直流,而未在此直流加上任何負載的時候,所量得的電壓,稱為空載電壓。

  由於交流電的實際有效值是直流的2分之一,是故,20V的交流電壓,琦豐值實際上高達20V×1.41倍即28.2V。整流電路是會把峰值也整出來的,但整流二極體也會降去大約0.6V的電壓,所以次級為20V的變壓器(要實際量得,因為牆上的電壓不一定很準)整流出來可以得到大約28.2-0.6=27.6V的電壓。

  相對於空載電壓的,就是所謂加載電壓,也就是當我們在整出的27.6V的電壓上,加上負載(例如接上擴大機),於是電壓就會稍稍降下來,降了多少呢?由三個因素決定之:

  負載的大小:負載愈大(電流愈大),壓降也會愈大。

  電源變壓器的容量:電源變壓器是由線圈繞成的,線圈有直流電阻,電流一大,在此電阻上就有壓降了,這種損失我們稱之為銅線損失。

  電容器的容量:整流後的空載電壓,我們大致上可視其為一純粹的直流,可是當加上負載後,就變成脈動性的直流了,用以積存電能的電容器容量愈小,脈動成分就愈大,在脈動的部分最高點仍為峯值,於是脈動愈大,有效成分就愈小了。

  至於電壓利用率的問題,則指擴大機電路結構對所施加電壓損失的情形。在T-38電路中,TIP31C和TIP32C在完全導通時,至少可能耗去0.6V的電壓,2SB647及2SD667也至少耗去0.6V的電壓,還有68歐姆的射極電阻,也會耗去一部分(無法一眼望知至少會有多少)。

  綜合以上的這些壓降和損失,所以原只要22.6V的電壓,在T-38上,我們加到了28V。

  但依據筆者自己的「脾氣」,通常只依照推算電壓加個3V左右就夠了。我的做法是:

  在同樣窗面積(或繞線體積)中,我寧願加大電流而降低電壓(功率容量一樣)。例如21V×3A=63VA,我寧願做成19V×3.3A=63VA。

  加大電容器的容量:人家用4700μ,我用6300μ或10000μ

  盡量在電路結構上提高電源利用率。

  綜合以上做法,如果我來設計T-38這樣等級的擴大機時,我大致會用±24伏左右的電壓。

較低的Vcc電壓有什麼好處嗎?

  加高Vcc電壓(指輸出級)對失真有何影響我無法確定,但我可以肯定:比較實在的Vcc電壓,對安全是非常有幫助的。

  我們姑且假定28V的Vcc在全載時,會降到22V(30W輸出),而另一24V的Vcc電壓在全載時,同樣降到22V,當它們都工作於連續全載的情況下,對擴大機電路故屬等效,而前者的變壓器銅損卻較大,易發熱。而最糟糕的情況是,當擴大機在靜態(無訊號輸入)的情況下,突然送入一個脈波,此時,前者功率晶體所要承受的瞬間電流是28伏/8歐姆=3.5A,而後者卻只有24伏/8歐姆=3A。這0.5A的差異極可能是功率晶體毀於無烟無臭的邊際。

有沒有一套簡易的公式,設計電源變壓器的電壓和電流呢?

  當然有。一開始我們不是說在8歐姆的喇叭上想得到32瓦輸出時,需要16伏的電壓嗎?妙極了,這就是電源變壓器所需的電壓,因為要考慮損耗,所以可酌加2V左右即可,18V×1.41=25.4V扣除整流子的0.6V約即等於24.6伏(這是以32瓦計算的)。

  就這麼簡單,如果你不信,加倍算算便知。例如你需要120W的擴大機,在8歐姆喇叭上便要有32V的電壓,32V電壓通過8歐姆負載有4A電流,4A電流截取32V電壓就有128瓦了。

  你大約要用34-0-34伏的變壓器。

  至於算電流也不難,大約加上30~50%也足夠了,例如32瓦是2A(一開始就說了),我們可用2.5A;120瓦是4A,我們可用5A或5.5A。錯不了的。

  由此可知,一開始告訴你的那個道理,是多麼簡單而又多麼重要啊!

34-0-34(5A)是指34V(5A)-0V-(5A)34V呢?還是34V(2.5A)-0V-(2.5A)34V?

  如果是單聲道,則為後者,如兩聲道共用則指前者。

  除非是商品電路,我希望你堅持使用兩組獨立的電源,即使用同一變壓器多加一個繞組也有許多好處!

整流電路有什麼特別的禁忌嗎?

  在SEEP OCL擴大機中,電源電路的最重要要求便是靜態及動態的平衡。

  所謂靜態平衡,就是±Vcc電壓力求對等,不要一邊是+28V另一邊只有-27.5V。有很多人很在乎輸出點是否很接近為零,卻不知不平衡的電源電壓對輸出電壓多少也有點影響。

  所謂動態的平衡則指當電源加上負載時,所產生的脈動紋波,最好也是對稱而對等的(反相),如果兩個紋波成為一曲折的平行線,那問題可大了。

  為了得到良好的電源特性,不管你穩壓或不穩壓,一律要使用全波橋式整流法,而最拙劣的整流電路,如附圖所示,它將產生平行紋波,切切不可使用。

有關功率放大電路

輸出功率晶體如何選擇?需要配對嗎?

  輸出功率晶體的選擇,大致上有三個要項:

  電壓:就是集極到射極間的容許電壓,在特性表上一般以VCEO表示之,VCEO的意思是當基極開路(不接或完全沒有電流)的狀況下,能容許加給的集射極電壓。T-38的Vcc設計值是±28V,所以只要選擇VCEO在28V×2=56V以上(約80V就很理想了),如果以±24V來設計,那麼可用VCEO=60V的晶體。

  電流:指電晶體集極到射極間的瞬間最大電流,通常在特性表上以Icmax表示。以T-38為例,所加Vcc為±28V,當附再為8歐姆時,瞬間最大電流可能到達28V/8Ω=3.5A以上,能用Icmax=5A以上的晶體是比較安全的。若考慮可能有4歐姆負載時,則最好用Icmax=10A以上的晶體。

  集極耗散功率:當電晶體處於半導通狀態時,因電壓和電流的乘積很大,所以在電晶體內部會因為電功率的耗散而產生高熱,又因此熱量通常發生於集極,集極一旦發熱後就要由金屬外殼傳出來,為了幫助散熱,我們通常把功率晶體固定在散熱片上。電晶體因其內部結構的差異及散熱能力的大小,會被限制最大能耗散多少功率,超過了就易因熱而損壞。在電晶體特性表上,用以表示耗散功率的是Pcmax,但請特別注意,此Pcmax通常仍假定有無限大的散熱片面積下所能得到的數值,一般的情況下,最好降為¼使用。例如我們要做30瓦的擴大機,採用推挽,一邊工作另一邊休息,所以要用Pcmax=50~60瓦的才算安全。

  至於電晶體配對的問題,通常是指直流放大率力求NPN-PNP間的一致。可是是否非配對不可,這也要看電路而定,即以T-38電路而言,由Q1到Q3或由Q2到Q4之間幾乎是超匹配的情況,hfe相差到一倍上不致有不良影響。

  在另一方面,一般所採用hfe的匹配也是不正確的,因為它只能配某一點,尤其使用三用表來配對,更無任何意義。

R27及R28的阻值及功率如何確定:

  R27及R28的加入旨在使輸出功率晶體得到少量的電流回授,增進電路的穩定性。在另一方面,也有安全的作用在內。

  在一般不十分精確要求的情況下,其阻值多用0.5歐姆,2瓦。其值用得愈大,愈能保護功率晶體,但會造成輸出功率的損耗。

  有關其瓦數的計算,依筆者的習慣,並不以為瓦數夠用為安全。我們大致可以這樣計算其耗損功率:因為這是一台有30瓦輸出的擴大機,負載為8歐姆,而實際上此R27及R28是交互串聯於負載之間的,所以直流總負載不妨視為8歐姆+R27=8.22歐姆,若在8.22歐姆上有30瓦損耗,則在R27上將有(30瓦÷8.22)×0.22÷2=0.4瓦。假定功率擴大機會長時間工作在滿功率輸出的情況下,那麼R27及R28,以使用1瓦左右者為宜。假如這台擴大機是筆者自己使用的,則筆者寧願使用0.5瓦的電阻。為什麼呢?因為我們可以考慮:假定Q3或Q4有任一個燒毀成短路或開路,則電壓會偏到一邊去,如此就等於約有28V電壓經功率晶體而加在喇叭上,此時即使扣除壓降、損失等,也會約有等於滿功率輸出二倍左右的功率加到喇叭上,喇叭會不會燒,即要看喇叭有多少能耐,但此時我若只用0.5瓦的R27或R28,當有3A左右電流流通時,大約會有2瓦的功率損耗在R27或R28上,很快把它燒毀了,因此能夠保全功率晶體或喇叭。

  電阻的價格究竟比喇叭或功率晶體要便宜得多了,何況燒了除會冒一陣烟外,也看得到有異樣。反之,如你使用2瓦的電阻,電阻是保全了,功率晶體或喇叭卻可能有一要遭殃。

  筆者的綜合建議是:希望你將R27及R28換成0.47歐姆(或0.5歐姆)1瓦的。

何謂靜態電流,靜態電流應如何調整?

  汽車或機車要開動前,必須先將引擎發動,在引擎發動後,不踩油門,此時引擎低速地在旋轉著,這時我們稱之為「慢車」(SLOW),換言之,慢車就是一種起動狀況。

  擴大機的工作情況也有點相像,當電流打開,於是各部分電路都被加上了電壓,這也是一種起動狀況。

  但什麼是靜態電流呢?那就像我們踩下離合器,吃檔,然後慢慢地鬆離合器,鬆到某一種程度,我們感覺到離合器似乎開始接觸,車輪開始有動感,但未動,這樣的情形,就有點像我們把功率晶體施加一點電流直到欲動而未動的那一點,決定了這點之後,只要有任何微小的輸入,它立刻可以開始工作,那麼這種電流的調整,我們稱之為靜態電流的調整。

  以一般的情況而言,大多數的功率擴大機的靜態電流多在30mA~100mA之間。

  至於調整的方法,在理論上,我們可以在+Vcc到電路間插入電流表,一面調整偏壓的可變電阻一面看表針的變化,直到調出所需電流為止。由於SEPP電路,除非電路失常,電流乃由+Vcc流向-Vcc,所以只要+Vcc有60mA的電流-Vcc也必有60mA的電流。

  但這不過是理論上如此,且假定電路是正常的,如果電路有任何不正常,以此法調整是無法察覺的。

  在另一方面,在串入電流表時,你必須特別小心,若非把表棒焊入電路,至少要用確實可靠的夾子夾住,要不然,一手拿測試棒,一手調VR,一不小心,測試棒有零點幾秒的接觸不良甚或滑落,完了,可能你燒掉了一只喇叭或晶體。

  一種比較安全而又能得知電路狀況的方法是:在±Vcc到電源間,各串入一枚約33Ω 2W的電阻,也就是電源是經過33Ω電阻後才加到擴大機的,開機後,試旋動VR,轉到某種程度,可能33Ω會發熱冒煙,此時迅速將VR轉回,此時開始以三用電表10V或2.5V的直流電壓檔,量取33Ω兩端的電壓,並調整VR,則由電阻上的壓降可求出電流。例如33Ω兩端電壓若為2V,則:

  2V÷33Ω=60mA,如為3V,則:

  3V÷33Ω=90mA等等。

  你還可以交互量取±Vcc上兩個電阻的電壓,通常其電壓會有5~20%的差異,此差異來自:電阻值本身的誤差;如已接上喇叭,則可能來自直流回授的需求(輸出點不可能調到零)。如果兩者的壓差太大,你要注意了,因為中點電壓可能偏離很遠。

  以此法調整,可說既安全又可靠,如能在電路板上就加上兩枚33歐姆電阻,並併以一小型的保險絲座,則對裝機者將有非常大的助益,因為你可以先不插上保險絲,而進行調整,待一切正常後,把保險絲插上,形同把33歐姆電阻短路,而使電路正常工作了。

  有關這點,希T-33的原設計者能改進之。

在調整靜態電流之前,R26的VR應先置於最大值或最小值呢?

  T-38的偏流電路設計可說非常簡單。由於Q3及Q4大約在基──射極間有0.6V以上的電壓時開始導通,所以我們需要在Q3及Q4兩基極間調出約等於1.2V~2V左右的電壓,當兩基極間的電壓差低於1.2V時,Q3 Q4可說是處於不導通的截流狀態,此時在Vcc上所量得的電流是導通於Q1 Q2、IC4以及其他IC的工作電流,這個電流是恆定不變的。當我們慢慢開始調整VR的時候,Q3 Q4基極間的電壓也慢慢增至1.2V,一開始接近1.2V時,Q3 Q4便開始有電流了,此時你可看到串接於Vcc的電流表讀數開始上升,一直上升到我們預定調整的值(設計值是60mA),就要停下來,觀察片刻再試機,試機前一定記得把電流表拿下,否則一有信號輸入,極可能把電表燒毀或把指針打歪。

  至於VR值應由小調到大或由大調到小的問題,由電路上即可看出,當VR在最小值時,形同短路,於是Q3 Q4基極間的電壓,受到D的限制,大約只有0.6V左右。接著旋轉VR時VR開始出現阻值,既有阻值,就有壓降,於是Q3 Q4基極間電壓便開始加大。

如果VR至於200Ω的最大值時開機,調整靜態電流,會發生危險嗎?

  那是非常危險的一件事,因為由R21到R24及Q1的電路來看,我們幾乎無法預期Q1應通過多少電流,所以當VR處於最大值時,極可能使Q3 Q4因太大的電流而燒毀。

  而其中最危險的狀況莫過於VR的品質不好,當調整時會出現開路(即使只是短暫的跳開)的時候,就等於處於最大值,而最大值一出現,則Q3 Q4就有危險。

  一種比較安全的措施是在VR的兩端並連上兩枚串聯的1N4148,這樣就可以把Q3 Q4基極間電壓限制在1.8V左右,而此時若R27 R28均用0.5Ω,那麼Q3 Q4燒毀的可能性就極低了。

  綜合以上建議,讀者能將電路如下圖修改,則你不但可以使T-38得到最安全的保障,也學會了設計、調整功率擴大機的基本要領了。

  (後記:本文下期將續述前級部分,讀者如有任何疑難,請速來函以便一併答覆之)

轉載音響技術第75期MAR. 1982 T-38 裝機問答(1)/唐 凌

    全站熱搜

    蘇桑 發表在 痞客邦 留言(1) 人氣()