由於擴大機的功率愈做愈大,並且大部份大功率擴大機多屬全晶體OCL結構,由輸入到輸出,直通通的到底。所以「安全」對業餘擴大機製作的愛好者來說,實在是一件非常重要的事情。
常常看到許多朋友,參考雜誌上的介紹或照著廠製線路,自行仿製那被認為是絕妙設計的擴大機時,費盡心思蒐集零件、畫版、蝕板、桿插,一待試機時,不料所有心血付之一陣輕煙,便這樣報銷了,如尚不死心一而再,再而三地拆換晶體再試,功率晶體燒去一大堆的也大不乏人在。
這裡所選介的,試一部屬於歐洲型設計的中大功率型擴大機設計。一般地說來,歐洲的擴大機設計,雖沒有美日型擴大機的先進突出,也有它的特點,那就是設想週到,耐用性長。換句話說,他們在設計生產一部擴大機時,不僅考慮這一型式可以使用多少年而不換型(Model Change),更考慮這部機器的安全性,也就是說一旦線路因此發生毛病,是否會立即延燒到不可收拾的地步?
當然,這麼說並不是否定了美日製的擴大機「安全」的主要作法,在於「繼電保護」。這種作法,在廠製機中,自然沒有什麼問題,了不起多賣幾個錢便了事了,但對業餘製作者來說,要自己裝一個繼電保護器,實在有困難。
因此,我們特別選擇了這個典型的歐洲式擴大機線路,提供給愛好者:
線路說明
圖(一)為本機之全圖,圖(二)為方塊圖。本機特別之處在於(一)保護電路與習用式不同,(二)靜止電流穩定電路,(三)回授電路等外,尚選擇大容量之前置推動管、推動管、功率管等,今依芳塊圖之順序說明如下:
(一)輸出級(Power Output)
當輸出是80W, 負載4Ω時
由上述推算出當負載4Ω時欲有80W之輸出,則最少需62V之電源電壓(滿載時)。如果吾人採用穩壓電源,則無載時之電壓亦為62V。但一般為經濟起見都取非穩壓式,則無載時電壓必然升高,至於升高至多少需視電源供給,包括變壓器及濾波電容器之電壓變動率而定,若有7%之電壓變動率則無載電壓為66V,電源變壓器繞組織電壓應略大魚66V/√2=約47V。
為保證足夠之輸出功率管採用吾人最易取得的2N3055最為廉宜,Motorola之2N3055 VCEO高達80V者(jedec Vceo為60V),Ic為15A,PD: 115W足夠應付。
(二)倒相驅動級(Driver)
因Q8 Q9輸出電流甚鉅,為減少前級之負載並取得倒相之信號,由Q6與Q8接成NPN+NPN之達靈頓電路,其特性就等於一只HFE6xHFE8之超高電流放大係數,能輸出大電流之NPN管子。專司上半週之電流放大。Q7 Q9為PNP+PNP之達靈頓電路,就等於一只HFE7xHFE9知超高電流放大係數,能輸出大電流的管子;因為第一級為PNP,故其作用亦相等於一只PNP管。R24 R23採用0.6Ω之高值,故使熱穩定度提高,因需通過大電流,故採用7W以上之電阻器為佳。Q6 Q7之VCEO應大於電源電壓才安全,取TIP29B/TIP30B VCEO 80V,Ic 3A PD 30W綽綽有餘,且其價廉又耐用。R21 R22取56Ω遠較一般電路為低,可使Q8 Q9之VCER提高,且提高Q6 Q7之靜止電流,使工作於較線性之區域,減少交叉失真;因Q6 Q7之驅動功率大且附上小型散熱片後,使VBE6、VBE7變化甚小,靜止電流極穩定。
(三)驅動級(Predriver)
Q2為前置推動級(Predriver),因Q6 Q8及Q7 Q9為射極輸出式,只有電流增益,沒電壓增益,故全機電壓放大之責任全在Q1 Q2上;且Q2集極之擺動電壓(Vp-p),應略大於輸出電壓(射極輸出式電壓增益略小於1),而略小於Vcc。故該級必為甲類放大,當靜止時Q2集極之電位約等於½Vcc。
另R14 R13 C7組成增阻電路,可減少喇叭所引起之負載效應,C7並聯於R13 R16 B-Ec6 B-Ec8 P24其中除R13外,壓降均小。
當有信號輸出時,C7隨之充放電。當輸出負半週時,C7之負端電壓下降得以充電;正半週時,C7負端電壓高升,因而放電。因C7為100uF,R14 R13各為1K 3K,其時間常數為45毫秒,於音頻範圍已足使C7之端壓幾乎保持定值。也就是當正半週最大輸出時(Q6飽和)輸出點接近V+,此時C7之正端電壓趨近66V+24V=90V,故仍足夠供給Q6所需之基極電流,使正半週有足夠之輸出。
C2 R2為用於平衡喇叭高頻時阻抗之增高,R12 C8 C11 C9 C1 C6皆用於防止高頻振盪,增加高頻穩定度所需。
(四)無信號電流穩定網路(Quiescent Current Stabilization Network)
Q3為補償交叉失真之用,非於一般二極體之補償方式。電源電壓在於極廣泛之範圍,仍能使VBEQ3保持定值,維持極度的穩定。在圖四之電路中
由上式,當VBE為定值時,VCE實由CB、BE之電阻安排以得之,稱之BE電壓倍增器。因VBE不因Vcc之變化而受影響,且此Q6 Q7之溫升極小,其VBEO6、VBEO7變化小。靜態電流可極穩定,而不需另Q3貼近散熱片,否則產生過度補償。
(五)輸入電路(Tip Stage)
Q1為Pre Amp係後級電路中之前級,主要用於輸出點直流電位之穩定,並為電壓放大。本及採用高放大率、低雜音之前置管,可用2SA640 2SA564或2SA733......諸類管子。前述輸出點之直流電位約為Vcc/2,之集極電位也略近於Vcc/2,主要是來自Q1之穩定效果。
圖(五)中Q1對直流而言係一種射極輸出式,故輸出點之直流電壓就由Q1之基極決定,Q1之β=250,如β改變則輸出點(未經輸出電容器前)之直流電位隨之改變。以本機而言Q1之電流為1mA,在R4 4.7K之壓降為4.7V加上VBEO1約為0.6V,故Vout約高於VBO1 5.3V,此電壓之差額愈小輸出點愈穩定。基極之壓則由R5 R6與R7 R8(其中R5極小可不考慮)之分壓關係及IBO1定之,調節R6或R8及可使輸出點電位約等於Vt/2。
(六)負回授電路(Nagative Feed Back)
因Q1採用高放大率之晶體,故可使全機開路增益提高至10,000以上毫無困難。圖(一)中R之回授電阻,取自輸出電容器C、out之後,使C、out本身對低頻所產生之衰減,亦包括在回授電路之內,故低頻之響應甚佳,此為本機之最大特點。另一回授電路為R4 C5因取自C、out之前,故不能改善C、out之低頻衰減──一般之OTL皆此種類型。如果R→∞甚至開路,則低頻響應最佳,但該電阻器,負責直流之回授部份,阻值愈大輸出點之穩定度愈劣。權衡之下吾人採取4.7K為之。
本機之靈敏度、失真、阻尼係數、回授係數都決定於此,例如說開路增益為10,000倍,因回授之故,使本機之放大率僅等於回授電阻之分配比
如8Ω負載、輸出60W時,負載兩端不失真有效值電壓為21.9V,故輸入靈敏度(1KHz)=522mV。
此時回授因數=10,000/43≑230倍
回授因數愈大時使擴聲機之輸出阻抗愈小,阻尼係數愈大。
(七)保護電路(Protection Networks)
Q4 Q5為短路保護及過載保護,設負載電阻漸漸減小,輸出電流漸大至Q7Ic=6.5A時,保護電路動作,此時Q6之基極對輸出線之電位差=VBE6+VBE8IR22=0.6V+1+3.9V=5.5V
此時Q4基極之電位依分壓關係為
適使Q4開始導通,因之輸出之波形開始被削平,適當調節R19 R20。
本機之電路因採用非對稱式,故「Q6之基極對輸出點之電位差」大於「Q4之基極對輸出點之電位差」,如R17 R16都採用10K,則過載保護由Q4先動作,故過載時輸出之電流波形,如圖(七)(a)所示,實驗時可由示波器明顯的來分辨。
可改變開始動作時之負載電流。圖(七)(a)所示,當R16逐漸變小時,Q4開始微量所呈之波形如(一)所示,當R18繼續減小,或信號電壓逐漸加大,或負載電阻漸小時之流晶R24 R23之電流波形。其原因係當Q4動作時,Q6 Q8截止,C、out不能充電,此時輸出點(未經C、out之前)電壓降下,Q3之集極電壓必降至較C、out正端為低,才能使Q7 Q9導通,故下半週導通之時間縮短,此時輸出波形如(二)。如果僅減少R17之值,則因Q5之基極係直接受Q3之推動(與Q4不同之點在於Q3之基極接有R13 R14,當Q4導通時,R16之負載效應使Q4不能立即飽和),故立即飽和,下半週立即切去如圖(七)(b)。其中當Q7 Q9截止後,C、out沒有放電電路,故C、out之正端電壓上升,使上半週導通之時間縮短。此種過載保護,因其基極信號取自前置推動級,故可將功率管完全截止,故過載時功率管及推動管之消耗功率反而減少,即使永久短路亦不燒損任何零件,且不必用巨大型散熱片。一般習用式之保護方法,其通載或短路信號,取自功率管之串聯電阻上,只能將輸出電壓削平,限制輸出電流不大於某預定值,但不能使功率管完成截止。故過載時,雖不致立即燒損,但只能維持數秒鐘後,即大量生熱,如不及時取去電源,或移走短路處,則功率管、推動管、喇叭照燒不誤。圖八(a)為一般較常用之形式,當過載時R1或R2之壓降定使Q1 Q2導通將輸出信號削平,然因Q1基極信號,係取自R1之壓降,故Q3 Q5導通,才能使Q1動作;即無法使Q3 Q5截止,故消耗功率甚大生熱極甚。圖八(b)中為另一種習用式之保護電路,Q1 Q2之信號亦取自R1 R2,故過載時亦易燒損。
至於短路時本機之保護,較習用式好處更甚。本機當輸出端短路時,回授成份降至零,故放大率提高至開路增益,只要極小的輸入電壓Q3之集極之擺幅,即達到峯值。Q4 Q5同時飽和時,Q6 Q7 Q8 Q9截止,輸出之電流很小,如圖七(c)所示,此時功率管之消耗更小。就算永久短路,充其量只有R15發燙,故絕不損害全機之任何零件。至於習用式則差矣。如圖八(c)(二)徒將電流限制於某一水準,功率損耗增加,幾近額定功率輸出之十數倍,發熱鉅甚,如僅採用一般之散熱片,數秒鐘內即燒損。
本機特性
A 輸出特性
圖八中,電源變壓器之二次線圈為0~48至0~52或24~0~24至26~0~26V,單聲道時為3A,雙聲道時為5A。整流器採3A 200V者,如為雙聲道則採用兩組橋式整流分開供給。濾波電容器採用2,000uF/75V(單聲道),無載時之輸出電壓為67~73V間,另C2採用0.1uF 200V之塑膠電容器,用以補償電解電容器於高頻時阻抗之增加。C1如買不到2,000uF/75V則可接如圖(b),一般以兩支4,000uF/35V~50V串聯之,以兩個10KΩ之電阻取得適當之電壓分配,如為節省成本改用小型濾波電容時,只要調節輸出點之電壓(略低於無載電壓之½),使滿載電壓降下時,仍能使上下半波同時削平。
本機之測試
測試通電之前,需再三檢查機零件是否有短路、冷焊、脫落、接錯之處。檢查電源電壓是否正確,約為70V左右。其後於本機(印刷板)V+處,經一只270Ω電阻器串連後接至電源,測得270Ω上之壓降為5~14V時,靜止電流為20~50mA屬正常。本機因採用TIP29/TIP30為推動管且R22極低,故靜止電流大於17mA以上,交叉失真即可消除,但正常(低諧波失真)則為30mA。一般若僅與測定靜止電流,則只需用三用電表或毫安表串聯直接測試即可。但如線路接錯(或短路),則造成甚大的電流,功率管及電表極易受損,沒有十分把握,不可輕易就試。靜止電流大小可調節R10與R9相對之阻值: R10對R9愈大靜止電流愈大,反之則愈小。VCE約為1.3~1.7V,如發現靜止電流太大,且調節R9 R10失效,則可能有兩種原因: Q6 Q7 Q8 Q9接線錯誤,或高頻振盪。如C9加大後,靜止電流恢復正常屬後者原因,這樣的話,可減少C6,增減C11或改變C9,但C9不得大於100p,否則高頻響應變劣。如果是功率管接錯,則將Q6~Q9拆去,測得Io3≓8~9mA,Io1≓1mA,此時總靜止電流約為15mA,Q6 Q7再焊上時,靜止電流若升高至30mA屬正常。
其後測試無載時,信號放大之情形,信號放大之情形,信號(來自信號產生器)加至Input, Output處以示波器測得輸出波型,信號慢慢加大,輸出情形正常。然後以一只8Ω 100W之繞線電阻器(用20Ω兩支並聯亦可)接於負載端,測得1KHz正弦波之輸出波型,正、負波同時削平,其中下半波削平線很明顯,而下半波因取非穩壓電源,紋波較大,故削平之處較難確定。可稍改變R8 R6甚至R7之值,使上下同時削平,如濾波不良或電源變壓器容量不足時,則調使上半波糊部份去掉,則Cout"+"端處(輸出點未經輸出電容器)之電壓稍低於½V+。
其次以正弦波測試頻率響應,先測試滿功率(波形開始削平之前)之情形,從15Hz、100Hz、1KHz、10Hz~40KHz應保持平坦之響應,40KHz以上之正弦波逐漸變成三角波,且幅度漸小。一般滿功率時之頻寬有20Hz~20KHz保持不衰減即可。
當頻率是60Hz時,以一部較好之三用表撥到AC 30V(或50V)測得負載兩端不失真之電壓為若干,可由前述「本機特性」中得知此時之輸出功率。這種方法同樣可測試其他線路或市場上之Kit,你將可發現本機確有雄厚之功率輸出。且發現市場上之某些Kit標為IHF 200W,每邊不過是20W而已,散熱片、功率管卻已消受不了。本機滿功率測試數分鐘後功率管、散熱片發熱不少,負載電阻器則更劇。
將輸入信號減少至輸出電壓(由三用電表指示)為滿功率之0.707倍時,輸出功率減為原來之半,測得15Hz~60KHz保持不衰減。
改加入方波100Hz、1KHz、10KHz、30KHz各種輸出波形,如圖九(a)。如圖九(b)則稱為餘振(Ringing)現象,即為高頻振盪或高頻不穩,如有此情況可能是零件選用失當或線路佈擺位置不良,可改變C6 C9 C11之數值。本機因設計精確,上述情形絕少發生。
如果讀者諸君,以前曾有裝機經驗,不妨以此試試。一般自製或製造不良之Kit長有劇烈之振盪現象,使聲音變質,功率管生高熱而振盪則較不易發現。
本機之最大特色乃在於過載、短路保護,仔細核對Q4 Q5相關電路之零件(如有錯誤損失慘重)後,輸入減少至使輸出電壓P-P值於2V以內,以螺絲刀將負載短路,發現波形曲變,次將輸入電壓增加,則可看出波形如圖七(c)則保護電路正常。上述輸出電壓P-P值2V時,同時可觀察有無交叉失真。你將發現滿額輸出時以螺絲刀短路,引起甚大的火花,將移去螺絲刀時,波形又恢復正常,短路時R15生熱較大,Q6 Q7 Q8 Q9及散熱片之生熱反而比滿功率時還小,永久短路,亦無損於任何零件,實為最理想之保護電路。
接上喇叭試音,逆將發現開機瞬間之「喀拉」聲極小,此乃線路穩定及保護電路所賜,如有VU表則記住60W時表針之指示,你可發現60W時之音量之大,讓你滿意的品質,將可使您有興趣,花了更多錢在節目源及喇叭上,完善之保護使您安枕無憂。
轉載音響技術第1期 JAN. 1976歐洲型設計之60~80W全保護功率擴大機/賽閒人
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