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  本刊41期介紹了由Threshold公司的Nelson Pass先生設計的A類40瓦功率放大器,讀者服務部亦推出套件供發燒友試裝,曾引起了一陣裝機「熱」(靜態時就要消耗掉100W,焉能不熱!)氣候已變凉了,這個大怪獸又可以帶給發燒友一個溫暖的冬天,先別急!看完了這篇文章之後能使你手頭上的A40在帶給你溫暖的感覺之外還帶給你更好的聽覺效果。

穩壓的必要

  這個穩壓電源是專為A40這類「大吃客」(它在滿輸出時要消耗300W的電源功率)而設計的。為功率放大器設計穩壓電源已非鮮事,但給A類功率放大器設計穩壓電源的確是會令人產生疑問。此事怎說呢?您若對A類功率放大器了解的話必會想到:A類放大電路對電源而言不是個恆定負載嗎?既然取用的電流很穩定,為何還要穩壓呢?此處實則不然,請各位再把41期、43期中有關的部分翻開來看看,Pass A40的電路裡採用的是雙極性電源,單端推挽的輸出形式,因此它在滿功率時取用的電流遠較靜態時為多,實際上它對電源構成B類負載再加上恆值電流(靜態時消耗的)。因此這個穩壓電路所要對付的乃是從靜態到滿功率時變動的電流所引起的電壓變化,以使全電路在靜態到滿功率時都很穩定地工作,降低失真(相對的使不失真功率提高),並使它在無輸入時雜音能降低。穩壓電源除了隨時提供穩定的電壓給電路之外,還要對功率晶體起保護作用(當負載異常時),因此它至少要具有三個特性:(1)可調的限流值(限流特性為Fold-back型才能保護放大器的功率晶體),(2)具有安全動作及過熱自動保護電路,(3)某範圍可調整的輸出電壓。要符合上述條件的大功率穩壓電路並不難找,但筆者仍堅信電路愈簡單使用的零件愈少,則故障率也會愈低,況且也才符合業餘製作的原則,因此選擇穩壓IC作為心臟。使用過三端子穩壓IC的人都能領會到它的優越性能和易於使用的確符合了這原則。但是市售的三端子穩壓IC電壓都太低了(只到24V),運用上缺乏彈性,但它的簡潔電路及優越的性能卻又令人不忍釋手,因此本電路仍以這種穩壓IC作為心臟,加上擴展性能的周圍電路,使它更能活用。一般說來,設計者愈了解電路,則便易於分析及控制著使它提高性能的因素,現在就來看看怎樣使這種IC符合我們的要求。

電流提升:

  通常三端子穩壓IC的輸出電流都不大,以LM340T為例是1.5A,我們可以加上一個分流電晶體使其輸出電流加大。

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圖(1)所示,流過電晶體的電流是流過LM340T電流的R2/R1倍,也就是說總輸出電流可擴展到1+R2/R1倍,因為從Vin看進去到TR1的Base、D1,的壓降等於TR1的VBE,所以R1 R2上的壓降即相等,則流過R1 R2的電流比即其阻值筆的倒數(歐姆定律);又流過R2的電流即IC的電流而流過R1的電流即TR1的IE(也就是Ic),因此利用R2/R1之比值即可決定輸出電流之大小。R2值通常為0.5Ω左右,以便在IC輸出1A電流時TR1即加入工作。一般而言,只要配以適當的電晶體,使輸出總電流達20A也是可行的。電晶體的選擇必須符合下式之條件:

  WT/WR>R2/R1

其中WT為電晶體的功率散耗能力;WR是三端子穩壓器的功率散耗能力(以LM340T為例是20W)。若把電晶體和穩壓IC固定在同一個散熱片上,則可將之當作是一個穩壓單元看待,它仍保有過熱保護的功能(依散熱片面積之大小,自動限制),以及Fold-Back限流及IC、電晶體安全工作區的保護作用,尤有進者,整個穩壓器的輸出阻抗降低至原穩壓IC輸出阻抗的R1/R2倍。

電壓提升:

  但是上述的電路尚未能符合我們的需求,因為它的電壓都是固定的且在30V以下。根據特性資料,若能供給它足夠的靜態電流(約需15mA),那麼只要提高接地端的對地電位即可提高等值的輸出電壓。但同時必須考慮到:輸入IC之最高電壓不得超過35V(特性資料所載),因此必須有一預穩電路以使AC電源變動時亦不會損毀IC。又當負載端短路時,為防止輸入IC之電壓超過35V,另有一個電路使在負載短路時自動減低輸入IC之電壓。

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結果,我們需要的是一個像圖(2)的電路,其中Reg. 1即第(1)圖;TR1 Z1 Z2 R1構成「預穩壓」電路,Vz1應小於35V,Vz2則是所欲提高的電壓大小。D1的陰極電壓平常是高於陽極(指對地而言),處於OFF狀態,若任何原因使負載短路(即Vout端接地)則D1即變成導通,把Z2的電壓短路到地,使輸入Reg. 1的電壓僅有Vz1的大小,從而對起著短路保護的作用。

電壓調整:

  在來我們需要的性能是使輸出電壓能調整,只要插入一個可變電阻在IC的接地端到地間,改變它的阻值從而改變其上的壓降,即可達到調整輸出電壓的目的。

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圖(3)所示,R1 R2的加入使輸出電壓能調整,此時穩壓IC之原接地端共流過大約25mA的電流至地,依本圖的設計調整R1,可以有6-8V的電壓變化(受Z1的電壓限定)。至此為止,穩壓器輸出的電壓等於15V+Vz2+(0~6V)。

Zener性能的提升:

  從圖(2)中可知,流過E2的電流除了穩壓IC的25mA之外還有作為預穩壓電路的TR1之IB,約有20mA,若以Vz2=15V來講,Z2的功率消耗幾近0.8W,加上應有的安全係數已在1瓦以上,且當負載短路時更不在此數。再者Zener本身的內電阻約有百Ω之譜,當負載電流變動時可能使Vz引起不小的變化,職是之故,如圖(4)般將Zener的功率提升並且降低其內阻,這種接法能獲得兩項優點:(1)此時的Zener功率等於電晶體之耐功率,因此數百瓦的Zener亦可得到。(2)Zener內阻此時只有其原內阻之1/hfe,使Vz之穩定度大大提高。

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構成整體電路:

  綜上所述,以三端子穩壓IC為中心,加以各種擴展功能的電路,構成所需的完整電路如圖(5)(6)

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分別供正及負性電源使用,雙極性電源只要將兩者結合起來即可。圖(6)實際上是圖(5)的完全對稱電路,只是穩壓IC使用負輸出的LM320T兩者都可以供應穩定的電壓高達68V,電流高達10A。從圖(5)中可看出有些零件在先前所討論中並沒有提及的:D2接於穩壓之輸出端是作為保護作用,當輸出是對負電壓短路(不是對地短路時),D2可以起分流作用,從而保護穩壓電路。D4是防止當負載端出現任何高於未穩壓源電壓時破壞穩壓電路。R7 Z3防止當預穩壓電路故障時造成對IC的損害。全電路之輸出電流決定於R4 R5之比值,可擇所需而調整之。

  前已言及R4 R5的比值決定了輸出電流,而流過R5的電流就是IC1的電流,這個電流是有限流的,因此慎選R4之值,整個穩壓器之輸出電流也會有一個限流值,這個限流值是在功率放大器最大輸出時所取用的電流稍高一點的值,那麼當放大器電路有故障時,穩壓電路便起著保護放大器及功率電晶體的作用。

  瞭解了全電路的設計要領之後,可依實際功率放大器之需要來設計輸出電壓及電流,以便使它適合你的放大器。當需要更高的輸出電壓時,只要改變Z2及C2即可,要增加電流時可減小R4之值,但宜用多個電阻並聯以取得小阻值,以減小電阻所耗之功率。

  對於一個這樣大功率的穩壓電源,在完成接線之後應先測試其電路是否正常。首先測預穩壓部分,此時TR2及IC1均不接入電路中,測TR1的射極電壓應在40V左右,把點電壓從50V至70V間變動時,這個電壓應該仍很穩定。然後把D3陰極接地(實即把穩壓輸出短路),TR1射極電壓立即降下至大約25V,表示電路正常。然後接入TR2及IC並準備大功率的電阻作負載來測試。接一電壓表在穩壓器之輸出端,負載電阻從高阻值逐一減低去測試,直到電壓表指示開始下降時計算當時之輸出電流是否與設計時所期待之值相符。注意!測試時所用之負載電阻會發出高熱,應謹防燙到手。如果穩壓器似乎無法輸出電流,可能是IC1引起的較多,可換新再試。

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  圖(7)是本電路的輸出阻抗與頻率之關係,可看出在音頻範圍內都在0.04Ω以下,這個低阻抗的性能及大電流輸出能力,使本電路在供給功率放大器時能應付各種瞬間現象(如喇叭的瞬間感應電壓),對放大器的線性操作及阻尼能力都有很大的助益。

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  圖(8)是變壓器及整流電路,未穩壓之前之直流是±60V,滿載及空載時均不得超出+50V及+70V之上下限。所有接線最好使用14號以上的粗線,並且愈短愈佳。不管本電路是否與功率放大電路放在同一機箱中,喇叭接線的負端,應從未穩壓前濾波電容之負端引出,而不應接在放大器或穩壓器輸出之負端。

  最後,要注意散熱片的面積必須夠大(TR1、2是0.5/W),以保證各項性能都能如設計時所期待之結果。以本電路作Pass A40放大器之電源時,各零件之數值規格列於表一,請參照。其中TR1 TR2只要是IC>10A,Vceo>60V Po>100W的功率晶體均可。

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後記:

  Pass先生在發表A40之後,提供了該機的橋式接法,使在8Ω負載下能得到150W的功率(別忘了是A類的喔!),示於圖(9)以供參考。

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轉載音響技術第61期JAN. 1981 製作...解說 A40後級的新穩壓電路/莊 仲

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