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直流──直流轉換器的製作

  隨著有源元件技術之進步,Hi-Fi擴大積的輸出電力是愈來愈大了。然而,面臨著如此隨手可得的高耐壓電晶體,在大功率的生產與製作中,同時也產生了一項惱人的問題,那就是重量。

  一部高電力輸出擴大機的主要體重,毫無疑問地,是來自供應直流電源的變壓器。在任何一部擴大機之中,電源變壓器的主要功能一是調節至供應適當的電壓,另一就是隔絕市電的交流對地電位,以免發生麻手或前後級連接時所發生的危險。如果不是因為後者,那麼我們也很容易用SCR的相位切割術,取得低於市電電源電壓的任一直流電壓,換句話說,如果不是為了麻手和安全的問題,我們早就可以不用變壓器來進行變換電壓的工作了。只是這個方法並不適用於Hi-Fi擴大機中。

  一種比較適於做擴大機電源而又能「減肥」的方法,是把市電的頻率升高,然後用高頻變壓器來獲得AC-AC的轉換作用。在這個方法之中,雖然仍然要使用變壓器,但由於頻率提高了,鐵心可以縮小,每伏圈數也減少了,所以雖然增加了一個振盪器,相對地變壓器和慮波電容的縮小,卻使整個電源部分的體積與重量減少了許多。

  如果僅就以上的觀點來看,這種形式的電源供應方式,自然是非常適合於Hi-Fi擴大機的電源供給的。不過,就一般的Hi-Fi製造廠商乃至業餘裝機者而言,是否適用此類電源供應裝置卻不得不有以下顧慮: 

  第一、生產複雜性的問題: 任何一個製造廠都必須優先顧慮這個問題,以50/60Hz電源電壓器對高頻轉換裝置而言,毫無疑問地,後者增加了電路的複雜性,而這種複雜是電子的而非電工的,換句話說,大的電源變壓器是電工製品,並屬於元件階層,而高頻轉換器則已進入了電路階層。

  第二、故障與維修的問題: 假定屬於元件階層的變壓器整流方式其故障率為1,那麼屬於電路階層的故障率至少是2(是乘積而非和),這對產品的信賴度以及將來之維修預算之控存,都可能產生很大的問題。

  職是之故,雖然DC-DC轉換器是一個很簡單的東西(早被用於電池式日光燈或電魚器及電子閃光燈),卻少有Hi-Fi廠家將之運用於功率擴大機,即令是有──例如Harman/Kardon及Sony等──也僅是用少數的機種最為一種技術上的嚐試而已。從他們後來發展的機種及所謂G類H類之受到重視的情形來看,顯然地DC-DC轉換器到實用的階段,恐怕還需要一段相當的時日。

  除此,當然也有人會做以下的臆測,就是為什麼像McIntosh或Amcron這樣知名的廠商,何以不用DC-DC轉換器呢?如果說他們的技術不及於此,顯然是不對的,更主要的原因是用了DC-DC轉換器之後,可能使他們的產品失去了原有的份量感──至少有許多「玩家」們是相信重量的。

  不管我們的看法如何?而少數人的臆測又是如何,正在我們試製大功率且為了變壓器和大電容在困擾著的當兒,下面我們還刊了三篇文章分別介紹了三種經過試作的DC-DC變換器以供讀者們參考,而站在編者的立場,我們的建議是,如果我們有本事「玩」,自然大可以玩一玩,如果沒有本事玩,那麼還是乖乖地用變壓器好了,免得將來後患無窮。

四公斤重的400W擴大機

──陳富杉──

  你相信不?萬能老虎能從原重十幾公斤減肥到數公斤而切勁道不減,威風不滅。

  我們很感謝力億公司送給高雄音響聯誼會一部200W的功率擴大機和一部很優秀的前級,給我們辦欣賞會時之比較器材,它有足夠電源容量,方能有十足的RMS功率,每當我們要測試或外借比較時,誰都會被它的噸位嚇住。尤其在三樓搬上搬下。

  於是我們想個辦法把那笨重的電源變壓器級兩個大電容拆掉,怎麼拆?並不是卸下螺絲就了事!仍得給它足夠的電功率容量。既然嫌它重,就得裝上輕的,這除非改變傳統方式,別無他途。我們決定用大功率的Converter。

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線路分析

  全電路如附圖,首先將AC電源110V直接整流,濾波後得150VDC,再以電晶體振盪出25KHz之方波,然後在變壓器之二次繞組取得兩組50V之直流。足夠供給200W擴大機用。因為方波整流,濾波電容器不需太大,2000u就夠應付功率的動態。如欲取得不同電壓,則改變二次線圈之繞數即可取得不同電壓。本電路振盪週率定在音頻範圍之外,太低則變壓器之鐵心及繞組會產生不悅之高頻聲,低於100Hz時變壓器體積又太大了,頻率越高,變壓器可越縮小。但太高時,電能又會產生反射,造成干擾,且超高頻大功率之電晶體不易購得,價錢又太高不經濟。所用之鐵心也是可遇不可求。

  製作時最重要的是變壓器的鐵粉心與使用週率的配合,一般鐵心有: 

  1. Ferrite core,約使用於1K~50KHz頻段。

  2. Nickel core,約使用於數KHz之間。

  3. 矽鋼片,50~1KHz之間。

  以上三種材質又可細分為數拾種之多,在此我們不贅述,最近我們找到一批鐵粉心,有鎳系Nickel core, Ferrite,經一番功夫測試後,選用一種口型Ferrite core鐵粉心,截面積為1.5cm2,磁通密度約為1450 Gauss,基本公式為: 

  N=Ex108/4fxAxBs, N為圈數,E為電壓,f為頻率,A為CM2 Bs=Gauss

  已知電源電壓為150V,F=25KHz,A為1.5cm2,

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T2之N1,N2均為68圈N4,N5各為21圈,N3 N6各為10圈,N3供給基極回授用,實際圈數(電壓)須經測試後,才能決定,T1為倒相及推動功率晶體,用直徑1cm左右的圓形鐵粉心即可。T1之N1,N2,N3,各繞10圈; R1C1可決定振盪之週率及功率,(R1必須用10W以上),R2,R3,C1決定供給偏壓,C2為旁路電容,C3為Surge消除,不宜太大。

  本振盪器因功率MAX可達350W以上,連續值亦在300W左右,故T2銅線的大小應以W/V=A決定電流值,N1,N2須用0.9mm,N3用0.8mm,N4,N5用1.2mm,N6為供給LED輸出功率指示用,有0.5mm已足。

  電晶體因使用於方波回路上由急激的電流變動易產生Surge,應選用耐壓兩倍(300V)以上,集耗因工作於方波損耗極微,20W以上已足,但電流因考慮Surge,須用10A以上較為安全,FT越高越好,(1M以上)電晶體之散熱面積不需大,可用機殼散熱,若用12cmx2mm散熱片,應選用厚以上之鋁片,我們選用的MJ423,功率晶體,其耐壓經測試VCE=400~600V,VCB=450V~900V, Ic=10A以上,fT=2.5MHz,PD=125W,其特性極適合本機使用。

  裝配完畢,以示波器觀察,獲得十分良好方型波,將300W之燈泡接於+/-50VDC端試驗,電壓由100V降為90V,大家正在陶醉時,燈光忽然熄滅,(約三分鐘)經檢查,保險絲已斷,AC110V電源端整流器已燒毀,熱度甚高,可知整流器也必須用散熱片。修復後,經常時間試驗,未再發生故障。電源消耗3A,效率約為93%,溫度正常,毫無雜音,完全符合原來設計,再裝入萬能老虎機,也能100WRMSx2輸出。重新提起老虎,重量減輕了許多。(本機全重約4500公克)

  MJ423工作於25KHz時,仍有很良好的輸出,用來製作一部大功率音頻擴大機絕對很優異,於是我們動手設計一部超薄型ESS功率擴大機,因不再有龐大的變壓器及電容器,用高4公分,寬38公分,深30公分的機箱足可容納,兩片與機箱寬度相等的散熱片底部要塗上矽油緊鎖在機箱上,使整個機箱幫助散熱,如長時間全功率輸出,可在旁邊放個小風扇強制散熱。

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  為求200W RMS輸出,Vcc要夠160V,T2的N4 N5各繞34圈,用1mm銅線以雙線法細心繞製,N6可以省略,並且用兩部Converter做獨立電源。兩個與原機相同的MDA-990全波整流器鎖在散熱片上,四個振盪晶體及16個功率晶體(400W用已綽綽有餘)正好可裝滿兩塊散熱片。AMP的兩片PCB安排在右邊,左邊全部為Converter組件,四個2000u/90V的電容在中間,有隔離作用。

  全機裝配完畢,趕緊做各種試驗,輸出波形良好,最大功率200WRMSx2,(用純電阻8歐姆負載),證明此Converter之電功率十足,以半功率長時間輸出,也毫無問題。

結論: 使用本電源供應器有許多優點, 1. 體積小,重量微,可簡化機箱之設計及縮小機箱尺寸,減輕全機重量。(如照片所示之ESS 400W,總重應在四公斤以下。尚未裝上面板) 2. 由於電源部分工作於25KHz,已在音頻範圍之外,可根絕由電源引起的HUM問題。3. 造價低廉,又可解決好變壓器難求之問題。

  有興趣仿製或一睹本機微快的朋友,請跟高雄音響聯誼會的陳富杉連結,地址: 高雄市龍江街79巷10號。

  高雄音響聯誼會以後辦音樂欣賞會,都要使用裝了此電源供應器的ESS 400及萬能老虎,與McIntosh MA-6100 140W及Yamaha 2010 240W,EPI 1+4 250W前後級比較。屆時以書信通知會友,非會友請注意高雄市內海報。

100W電源轉換器的試作

──梁清一──

  最近因為製作大功率擴大機,為了電源供給的問題實在傷透了腦筋,因為: 第一、大功率容量的變壓器,訂製起來成本高得驚人,以適於單一聲道十足250瓦之用(120伏x3A=360VA)的變壓器而言,堅新公司初次為我估的價竟高達900元,後來勉強算到650元,加上包裝及運費,對大多數ESS 500的試作者而言,未免太高了,這是我遲遲不敢下定決心製作供應的原因; 第二、高耐壓高容量(100V/5000uF以上)的電容不好找,即使有,售價也很高,如果只為我一個人做,倒也罷了,舊貨攤上找個三五只湊合湊合容易得很,但我不能叫大家都這樣湊合呀!何況很多希望試作的人住在花蓮、台東、埔里,那兒根本沒有像高雄、台南、台北一樣的舊貨攤。

  窮則變(也許不一定通),正好高雄聯誼會的老周寄來了一篇DC-DC轉換器的稿子,觸發了我也想試一試的興趣,雖然像這種轉換器,有如前述編者引言一樣的缺陷,尚無法普遍運用(廠製品不敢普遍採用,自亦不適合每一個人來採用),至少也是湊合湊合的一種方式罷。因此,除了陳富杉先生的一篇製作設計,以及我的實驗報告之外,我又另請本刊Hi-Fi診療所主治醫師梁雄先生,將他已生產了一年多專供工業用途的轉換器,將電壓降低(原供三萬伏以上供電之用)後,以供功率擴大機之用的設計一併刊載於後,有興趣的朋友,於看完這三篇報告後,諒也足供自行製作的參考了。不過在此我必須重複地聲明,像這種看來簡單的轉換器,如果你毫無高頻電力轉換的基礎知識,不可輕易嘗試,否則很可能把寶貴的功率晶體燒去一大堆。

鐵芯的尋找: 

  製作高頻電力轉換器,第一個必須解決的問題,就是高頻變壓器鐵芯。這種鐵芯目前使用得較普遍的是電視機中的馳返變壓器,售價並不廉宜,梁雄先生一年多來即以此種鐵心製作供率高達一千瓦以上的轉換器,從下文你當可以看到他使用此類鐵芯的經驗。

  而我所用的鐵芯乃是在舊貨攤購得,為圈形(如照片)外徑2.7公分,內徑1.6公分,寬1.1公分,實際斷面積約為0.5平方公分。依據經驗判斷,大概需要三個疊在一起,使斷面積增加到1.5平方公分才夠。所以,一開始我便以三個疊在一起來實驗。(按: 這類鐵芯舊貨攤上很容易買到,我已請讀者服務部設法蒐集供應,每個約15元左右)

線圈繪製: 

  繞變壓器,算圈數雖有一定之公式,卻很容易失之毫釐而差之千里,因為鐵芯的導磁係數及總磁通量不可得知,所以我仍依據經驗大概地加以設定每圈二伏特進行實驗。全部繞組情況如圖一

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  L1 用0.8m/m線(每公尺能密繞12圈)繞25圈x4,L2 用1m/m線繞25圈x2。之所以繞25圈四組,是因為這樣圈狀的鐵芯,繞線很麻煩,必須一圈一圈由圓孔中穿過去後拉緊,所以才想出這個妙計,每次繞時,切取大約3.5公尺左右之漆包線兩條,用併繞的方法,一次繞完25圈,就等於繞了50圈,等另一組繞完之後,頭尾相連焊好,就成為五抽頭120圈了,如此繞法,我還有一個用意,就是實驗時,可先以50伏左右的電壓作實驗,等常數確實後,再升高電壓。L2繞法和L1相仿。至於L1則用鐵芯上原有的27號線併繞2圈x2,頭尾相接為抽頭即可。

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線路工作原理: 

  像圖二這樣的線路已經是簡單得不能再簡單了,很早就被用在直流日光燈或電魚器之用,效率高,製作簡單。

  其工作原理是,當直流電壓由A、B兩點送進去之後,正電壓即經初級圈而到兩個晶體的集極,形成預備工作狀態,而在此同時,亦有一脈沖電壓經由C1、L1而到達兩個晶體的基極,雖然這個電壓是很平衡的,但由於兩個晶體的直流放大率並不完全相同,假定Q1導電稍大一些,於是由L1所造成的不平衡,立即使L3感應出相對的電壓,由於L1和L3的相位正好由於L1和L3的相位正好反轉180度,因此當Q1導電之瞬間,立即促使Q2之基極有一正電壓,Q1基極電壓則消失,此時Q2導電,而當Q2導電後,Q2基極又生正電壓,使Q1導電,如此循環不已,形成振盪。

  圖中,C1及R1之作用,在開機時激發振盪之用,如果直流電源A、B是直接以直流開關加上的,C1的數值不宜超過0.47uF以上,雖然數值越大越易激發振盪,但可能因放電時間太長,而致Q1 Q2兩邊同時導電的時間太長,把晶體燒毀。但如果A、B電流是由整流獲得,開關設於交流端時,C1就必須大一些。

安全顧慮: 

  雖然這個DC-DC轉換器電路之工作原理非常簡單,但是由於是連續工作在大電力的情況之下,稍一不慎即可能毀及昂貴的功率晶體,因此在安全方面要特別注意: 

  首先要注意的是兩個功率晶體的VCEO至少應在供電壓的二倍以上。本電路既是由110伏市交流電直接整流供電,因此供給電壓大約是150伏以上,所以兩個功率晶體的VCEO至少在300伏以上,筆者試裝時,乃從手邊所有的MJ410中挑選耐壓在300伏以上者,但就價格而言,MJ410並不適於用在此,讀者們如有何發現(這是開關用晶體發揮其威力的時候了),請來函交誼廳公諸同好。

  或許有人會問,為什麼需要兩倍的耐壓,關於這點,請參考圖二; 因為A點有150伏的電壓,當Q1導通時,Q1集極上的電壓迅速下降至接近於零,於是L1上半部即有150伏左右的電壓負載,愈近上端電壓愈低,反之L1下端與之串連的線圈,即成為一自耦變壓器,愈接近下端電壓愈高,到Q2的集極時,已出現了300伏左右的電壓。

  其次必須考慮的是L1用線很粗,圈數又少,幾乎沒有直流電阻,所以如令Q1做長時間(即使是零點幾秒)導電,勢必流過大量的電流至Q1被毀,而今Q1之所以能順利工作,主要是因為其導電只是瞬間的,而這每一瞬間時間極短,對L1而言就有很高的感抗存在,以限制大量電流的流過。在此情形下,必須特別注意,無論如何,不可以使Q1 Q2同時導電,否則由於L1上下半部的感抗互相對消,產生大量電流而燒毀晶體。

  再者就是由L1 L2 L3所組成的這個變壓器,因為含有大量的電抗成分,所以在由導通到不導通的瞬間,會激起很高的反電動勢,此電動勢可能高達數千伏以上,為免因此電動勢襲擊兩個電晶體,試機時,必須在次級圈上接上負載或如圖一般的整流電路。

  另外兩個波形整形電容,可酌情調整,但萬不可省略,因為就變壓器的動作原理而言,它是無法對所謂方波進行能量轉換的,換句話說,即令Q1 Q2能振盪出方波來,變壓器亦無法將方波能量做確實有效的轉換,此時唯靠倂連著的電容器充放電之功能,儲存方波平頂上的能量,因此適度地調整這兩個電容器的容量,可以提高此轉換器的能量轉換效率。

試驗結果: 

  本機由於是處於超聲頻振盪電路,有許多數據無法確實掌握,所以一切數值均以實驗來推算,根據實驗結果,以此種環形鐵粉芯,來製作轉換器,每一節的最大功率容量大約是40瓦左右,兩節80瓦,而到三節時雖然勉強能做到120瓦,線圈差不多已經繞滿再也無法增加了。

  另外一點實驗的結果是: 在想像之中,由於使用了高頻整流的方式,所有濾波電容似乎可以縮得很小而不會產生交流脈波,實則不然。因為高頻電力是發生在輸出端,在此處的濾波電容固可以小到數十uF而無紋坡出現,但在AC整流這一方面的濾波電容則似乎一點也不能少。原來擴大機以60Hz變壓器整流需要5000uF或10,000uF的,在此處同樣需要5,000或10,000。其理由非常簡單,因為60Hz經整流之後,如果連續有100或200瓦的電力消耗,則在此150V的直流供應端,必仍有交流脈波出現,而此脈波在振盪器中引起調變(高頻振幅隨脈波而變化)。結果哼聲依然可以在輸出端出現。當然這種紋波在擴大機中,是不易被發現的,因為當輸出小時它也小,但一到輸出大時,又聽不見了,雖然聽不見,卻成為失真的根源。所附照片,是筆者試作時,在輸出端不加整流直接直上150W燈泡負載時的輸出波形,你說它沒有交流聲嗎?

(梁雄稿件未到,延至下期刊出,請諒──編者)

轉載音響技術第29期 MAY. 1978 音響減肥術/音技 陳富杉 梁清一

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