筆者本來是打算集思廣益後,才製作並針對不良之處加以改良,後來是投稿的時間太晚,耽擱了一個月的時間,私底下自己想了一想,若要等到改良的線路成形後可能要四、五個月之久,不如笨鳥先飛,自個兒先製作一個線路看看結果如何?至於線路的改良與完全度就要靠讀者們集體的力量了。
一、線路簡析
初步的線路如圖一所示,輸入端採用主動的二階Bessel濾波器,迴授網路採用較複雜的網路裨使終端電壓趨近於零伏。全機之溫度補償由Q9負責,至於高頻的補償電容大致與先前相同,設計時使Q1~Q11工作於A類,Q12 Q13與輸出晶體工作於AB類,全機之靜態電流如圖二所示。
二、零件的收集
線路決定後,先列出一張清單,然後上電料行購買。電阻除了標示½W與2W之外,一律使用¼W的碳膜電阻即可,筆者在此購得的是飛利浦電阻。可變電阻最好使用精密些的,雖然貴些,但這是有需要的。濟納二極體中華商場較易購得的是24V/2W者,核對線路兩者相差有限,就將之用為代用品,至於晶體先買一堆回學校(先用β表測過),再用曲線掃描器詳細配對,由於學校類似的儀器具有記憶功能,因此在配對上非常方便;注意我們採用雙差動線路,最大的優點是抑制偶次諧波失真,因此晶體不好好配對的話,不如使用單差動算了。筆者在此不得不將個人的經驗寫出來,記得筆者在裝A類40W線路時,曾在中華路買過號稱仔細配對過的2N3055與2N2955,結果裝機後,有些晶體在做「苦功」,燙的不得了,有些晶體卻在一邊「涼快」後來只得在晶體之基極串上一個大電阻才了事;並且同學中有人曾將其他配對好的小晶體用學校的曲線掃瞄器測試,結果發覺全然不是那麼一回事;這可能有三種原因:①兩者測試的工作點不同;因為PNP晶體普通線性不佳,因此在高電壓測試時hfe會比在低電壓測試時高若干;又如功率晶體,在大電流情況下測試與小電流情況下測試hfe又高若干。②配對後弄混了。③儀器不佳或操作人員的疏忽。當然最後還有一種最惡劣的情況,那就是電料行存心欺騙客人了;總之,在全對稱的線路中晶體的配對是相當重要的,在買配對的晶體時最好先問清楚工作點是否與線路中相去不遠(尤其是互補型的配對晶體),否則買用β表測過的晶體中,挑出基極──射極反偏電阻相仿之晶體亦可(用10K檔)。另外就經驗得知,本身配對之晶體一般配對的情況還不錯,互補型的配對就要碰運氣。
散熱片是挺頭痛的一個問題,後來在中華商場買到兩片山字形的散熱片,從中間切開後就成了兩片大型的U字型散熱片了,恰合乎需要。
三、事先的計畫與PC板的繪製
所有的材料買齊後,由於我是前後級置於一機箱中,因此先考慮一下系統的擺設與配線問題;打量一下現有PC板的尺寸,初步決定個別PC板的大小,然後繪出EQ、十倍、音控、穩壓與後級的PC板圖樣出來,檢查無誤後就可以動手洗出所有的PC板來。
設計PC板時有些簡單的原則,例如輸出部分不要與輸入部分參雜一塊以免振盪;少量製作時,為了簡化問題,不需刻意的減少跨線,以免產生其他的問題。
至於設計PC板時亦須注意地線的安排,以免整個系統不良,產生討厭的交流聲。下面三原則可供參考:①原則上訊號如何流動,地線跟著走就對了,這可以使得訊號環路最短,避免外界干擾。②地線的安排儘量使得大訊號的訊號環路與小訊號的訊號環路獨立,因為當兩者有交越時,由大訊號產生的紋波電壓對小訊號而言可能變的非常大,導致大量的交流聲,甚或振盪。③地線安排不要產生迴路(Loop)的形狀,盡量造成樹枝的形狀(tree)。
後級功率晶體的擺設是相當頭痛的問題;後來決定Q1~Q8繪成一片PC板,Q10~Q23繪製成另一塊,中功率晶體一邊固定在散熱片上,一面焊在PC板上,並與機殼絕緣,如此就可以不需要雲母片了,這可用來減少晶體至散熱片間的熱阻;完整的圖樣如圖三所示。Q9固定在散熱片上當溫度補償用。
四、PC板的安裝與測試(Q1~Q8部分)
洗出的PC板檢查無誤後,就可以開始和接了;依照零件的高矮,依次將跨線、二極體、電阻、晶體、電容分別焊上和好後先做些初步的檢查,步驟如下:①目視所有零件的位置是否正確,焊點是否牢固,有無短路的情形。②外接6個二極體,接法如圖四所示,從B+至B-,中間(即第三個二極體至第四個二極體的接點處)接至O/P處。
③先將電源部份焊好檢查電壓無誤後,將電壓送進PC板,測量中端電壓是否接近零伏。④將三用電錶置於AC檔最低檔,紅棒置於O/P位置;測量時將黑棒置於G處,紅棒放在O/P端,看看三用電錶是否有擺動,若有擺動可能是有高頻振盪的跡象。⑤同④用手輕觸端看看三用電表示否擺動,有擺動表示一切工作正常。
筆者測試時使用學校的電源供應器,初步檢驗方法同上,一切正常後接上波型產生器與示波器,初步測得高頻之-3dB頻率約在230KHz左右,低頻之-3dB頻率在0.4Hz左右,這與理論值比較相去不遠。
接著測量個別晶體的靜態電流,發覺Q6以前均正常,Q7 Q8卻高達6mA之多,測量Q7 Q8之VBE只有0.55V之譜,較原估計值低了一些,因此將Q7 Q8之射極電阻由100Ω改成120Ω,這使得Q7 Q8之靜態電流維持在5mA左右;另外位比免接功率晶體時,功率晶體的偏流過巨,將Q9偏壓部分的3K9電阻改成3K3之電阻,這是因為MPS L01與MPS L51之VBE active時之電壓較原先估計值為低的緣故。
五、功率晶體部分的安裝(Q12~Q23)
這是頭痛的問題,首先仔細標出散熱片上孔洞的位置,鑽孔;然後初步將兩片PC板與兩塊散熱片連接一起,看看所有的洞是否恰當,鎖機殼之銅柱是否會與其他導線、銅箔接觸,務必使兩片散熱片懸空不可。
然後標出所中功率晶體的12個洞來,鑽好後先用一個晶體試試看。固定後是否會使得焊接工作變的困難,注意假設有洞鑽的不夠準確的話,皆有可能使得工作一半後,重新鑽洞變的非常困難。
一切無誤後,將PC板上的電阻、電容與小晶體焊上,由於我買到的電阻是1Ω/2W者比1Ω/1W者大了一些,因此修改PC板之圖樣將所有電阻焊在PC板背面,注意為了避免PC板變形起見,底下這一片要選購厚點的一種;然後將散熱片固定上去,所有中功率晶體折成 形插進PC板,注意與散熱片接觸的那一面折的平整並塗上散熱油膏,散熱片則要用銼刀與砂紙磨的平整,已達到良好散熱的效果;將中功率晶體用螺絲固定後,開始焊接。完工後音技曾經介紹過的簡易測誤法在此可以派上用場,那就是將PC板上之B+ B- G開路(open),+Vcc與-Vcc接上30Ω~50Ω間的電阻,通電後電阻上面的 壓降應該接近零伏,如此與PCB 1連接後就幾乎可以保證不會燒燬任何東西了;注意如果電阻冒煙或產生大量壓降,那就是晶體焊錯了或部分元件是不良品或是銅箔短路了,應該詳細檢查。
六、後級的簡易測試
當四、五兩步驟完成之後將PCB 1與PCB 2之B+ B- +Vcc -Vcc O/P點連接在一塊,測試時仍將±Vcc串連一電阻,這相當於電源供應器的短路保護電阻,並且測量上面的壓降時,這又相當於一電流計了;通電後一切簡易的測試仍如第四步驟中所示,只是在通電的時候要先觀察電阻上的壓降,當電流超過300mA以上時可能就有了問題;為了避免中功率晶體產生巨大電流測試時可變電阻應置於短路位置(Short),亦即用三用電表測量時可變電阻三個接點彼此間之阻值均為零歐姆。
一切無誤後,開始調整靜態電流,原設計約在94mA左右,乘以電阻值後可以轉換成電壓值;例如筆者使用之電阻為25Ω,因此應該調整偏壓的可變電阻使得25Ω上的壓降為2.35V,不過測試時應該調整在2V左右,因為開機一段時間後,晶體溫度上升會使得電流慢慢上升,待25Ω上之壓降超過2.35V之後,在調整可變電阻使得25Ω之壓降在2.35V以內,如此一段時間後,系統達成熱平衡,跑出去洗了一個早回來看到偏流仍維持在100mA(2.5V)以內,這樣就差不多了。
由於機殼是鐵板製的,在變壓器下方貼上一些膠帶,以免機殼上有大量磁流流動,另外注意濾波電容之金屬殼不要與其他東西接觸以免產生漏電現象;固定變壓器時,可用鎖功率晶體的絕緣套配合螺絲固定,變壓器之E點一定要接機殼,最好用焊片和螺絲固定在機殼上以保證接觸良好,雖然效果可能有限,不過做起來也不太費事。
一切零件測量無誤後,分別焊上,另外在濾波電容上併聯一小電容充當開關時瞬間的迴路,用以減少脈衝電流;在濾波電容焊上一數K的電阻,以免裝機時不小心電容瞬間放電損毀工具與電容(10.000μ之電容瞬間放電,足以將螺絲起子打缺一個口)。
此機系統配線時,由於電源供應(AC轉換成DC)部份均安排在機箱左側,因此加上一塊矽鋼片充當磁場隔離用;後級部份之系統配線如圖所示;如此,配合上PC板上地線的分布可以保證地線不產生Loop,並且所有訊號迴路彼此間的交越會最少,可將交流聲減至最小程度;注意ABC三條線要分開來接,並且前級之地線僅能與PCB 1 I/P端聯接,倘若後級要接耳機時,要買耳機座與機殼絕緣的那種,以免機殼有電流流動。
一切到此告一段落,迫不及待的接上唱盤、喇叭試聽,聽到同學們的讚賞之聲,不禁有些洋洋自得,如此聽了三個多鐘頭,無意間發覺散熱片燙的驚人,就遲疑了那麼一下子,眼見PC板冒出了火花,真是氣死人也,數星期的苦工,功虧一簣;檢討原因是熱溫度補償沒做好,本來照原設計的補償方式,當溫度上升時偏流反而會下降很多才對;天知道我在裝機時卻犯了一件大錯,Q9本來是用鋁片固定在散熱片上的,裝機時我為了幫助固定,竟然在鋁片與晶體間灌進了強力膠,難怪散熱片燙的能煮蛋時,Q9卻仍然冰涼如故。
次日將冒火花那聲道PCB 2上的晶體全部解焊下來,發覺輸出中功率晶體Q14~Q23全部死亡,無一倖免,一下子就燒掉了一百多元,真是心痛。換上新的晶體並做好Q9溫度補償的工作,在鋁片與Q9間塗上矽脂,為了預防萬一將靜態電流調整在70mA左右,如此大音量開機四個鐘頭後,散熱片僅是微溫而已。
初步測得本機的特性如下:
輸出功率:8歐姆負載時68W(r.m.s.)×2
頻率響應:0.4Hz~230KHz ±3dB
輸入靈敏度:2V
至於進一步的測試,由於學校整修實驗室無法借得精密儀器而作罷。
[個人感想]
①本機高頻穩定度良好,試聽時效果尚佳。
②裝機時晶體需要良好配對,裝配較一般線路複雜些。
③市面上RET已經慢慢普及,只可惜手頭上沒有詳細資料,輸出晶體若用RET取代當可省下一些步驟。
④好的線路需要多次改良方能達成,希望多看到讀者們的修改意見。
轉載音響技術第69期SEP. 1981 大家一起來設計60W後級放大器 續/楊丕全
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