去年曾一度掀起熱潮的ESS 500瓦擴大機的仿製,大家似乎覺得意猶未盡,無奈晶體供應不足,很多人只好等著第二次再來。
於是我們再度情商星強公司進口一批晶體,供應讀者預約,這些晶體大概在本(二)月中下旬即可全部到貨,由於ESS和Phase Liner所用晶體大致相仿,所以只要有一套晶體至少可以做兩種線路之實驗,凡所有訂製機箱的讀者,我們亦至少希望能附送這兩種線路板。至於Quintesence線路,只有我們等到晶體問題解決沒之後,再繪製線路板了。
因為ESS 500之製作,以前曾熱烈討論過,大家對它一定熟悉些,我們就是從ESS 500的製作開始......
多少晶體?多少瓦?
在決定開始製作之前,很多人都有這樣的問題:我該裝多少晶體?16個?還是24個全裝?16個有多少瓦,24個又有多少瓦?關於這個問題,我想大家只要簡單地記住OTL或OCL電路輸出功率的簡要公式 Pomax=Vcc2/8RL即可了。比方上一次我們試作時,所加電壓為±60伏(AC45伏),如照公式計算,大約為225瓦,但由於滿載時的壓降,只剩下±49伏因此輸出差不多勉強可以到達140瓦左右。
因此關於輸出功率問題,除了公式之外,主要還有以下三點顧慮:
1.電源供應是否充足?就像上面的情況,在無訊號的狀況下,Vcc是60伏,而滿度輸出之後,卻降到±49伏,這種情況我們只能說它電源供應不足,而非放大器輸出不足。
2.假如我們希望獲得更高的輸出,辦法是提高Vcc電壓,並增加供給電流,例如無訊號之Vcc提高為±65伏,使其滿度後壓降之電壓到達±55伏,輸出便可提高到180瓦以上。但是這時,您必須考慮所用功率晶體之集耗及最大集流是否足以承受?以MJ410而言,每邊6個做到150瓦是比較安全的,10個則可到250瓦。
3.10個MJ410做250瓦輸出是指250瓦長時間的連續輸出而言,擴大機沒有必要做滿度長時間輸出試驗,大家意見並不一致,依據FTC的規章,擴大機之輸出耐力試驗,是在三分之一功率輸出的情況下進行的。假如是這樣10個(包含驅動為12個),MJ410勉強可以做到320瓦。
除了以上問題之外,或者有人會問功率晶體非用MJ410不可嗎?這個問題的答案自然是不一定必要。之所以用MJ410主要是因為它特性極為均勻,這樣在大量搭配晶體時,才不致發生困難,再者由於每個晶體的集耗小,所能承受的集流亦小,因此迴轉率高,有較寬的開路頻寬,可有效地降低TIM失真。當然24個MJ410的成本是夠高的,如果讀者暫時不需要這麼大的功率時,僅利用此架構而代用其它功率晶體如廉價的3055也不妨,不過須特別注意,一般3055的Vceo大約為60伏左右,如從大批中去挑選,自亦能夠選到90~100伏以上者,此時所加電壓就不能太高。
電源供給問題:
有些讀者曾經提出一個問題,就是在本刊第五期中刊載原廠線路的電源部分,曾註明Vcc電壓為±100伏,事實上依筆者研判,此可能係繪圖的錯誤,此可由其電源變壓器次級之130伏8A及濾波電容為9800uF/100V可以證實。130伏中間抽驗之次級電壓經橋式整流後,電壓概為±91伏(空載)並不到100伏。
如依據原機130V 8A之電源計算,其直流供應電力高達130Vx8A=1040W,兩聲道平分亦有520瓦之巨,以此而供應兩聲道8歐姆負載同時輸出250瓦在單聲道工作時則可達300瓦之輸出實綽有餘。
參考這個標準,我們在試作時,把電壓略行降低至120伏4A,兩聲道電源獨立,輸出已能超過320瓦了。電源電壓一高之後,將來製作上較大的困難就是大容量的濾波電容不易獲得。新品進口貨櫃錢貴得驚人,只好從舊貨攤上去找,能找到100V的自然最好,不然也要在75伏以上,據說目前國內廠商已在開發80V 10000uF的電容,我們且拭目以待。
為了怕讀者一時找不到適當的電容,我們開請堅新電子試作的變壓器特在50V處做一抽頭,其整流出來的電壓大約為70伏,而輸出經實際試驗大約可到180瓦左右。
電源配線:
電源部分的配線請參考圖一。
在AC110部分,由於本機開機之瞬間電流極大,容量的開關不易獲得,除了另接一繼電器外,我們採取了一簡單的權宜接法,即使用三段式的波段開關(額定電流1.5A),在第二段時串接一2~5歐姆5W以上的電阻,當開關開往第二段時,脈衝電流會被此電阻吸收,隨後,電容器充電完成,再把開關轉到第三段正式開始工作。此波段開關之額定電流雖僅1.5A,但在接通後,至少亦能流過10A以上的電流。
變壓器之次級接到一大電流的橋式整流子上,其輸出再接濾波電容。此類大電流之橋式整流子新品不易購得,但舊貨攤上有的是。
整流後之±85伏電源,應先經一確實可靠之保險絲座(請讀者不要忽視這個保險絲座的重要性),保險絲座的兩端則併連一兩瓦左右33歐姆的電阻。並將此保險絲座固定在容易取放保險絲及量取電壓之處。
功率晶體之固定與配線:
假如您是採用本刊所供應的機箱時,可將每三個晶體固定於一個散熱片並鎖在背板上(背板暫時不要鎖到機箱上工作較為方便),取用散熱片時,最好每片均以平銼刀將與功率晶體相接處之一面修磨一下,以免有粒狀突起會刺破雲母片而致晶體碰觸散熱片。晶體與雲母片及雲母片與散熱片之間均需塗以矽脂以助熱之傳導,假如一時找不到矽脂(散熱油)時,可以絕緣性較高之油類如凡士林代替,唯因一般油類過熱易於流失,是故要保持晶體與散熱片接觸面積之平整,以毛細管作用保持油類。
為了保證固定螺絲及晶體接腳與背板之絕緣,最好均套上適當之套管,在固定好後,再一一用三用表量量晶體是否與背板有碰到之處。
晶體與散熱片固定之後,可開始背板上之佈線。
在背板上所有零件及佈線概如圖二所示,所有0.47Ω電阻直接焊在晶體腳上,不只是為了PC板到功率晶體的配線方便,更由於電路原理上就該如此接,本來R37及繞在R37上的微量電感,照說亦應接在最後一對晶體間做為輸出.唯因影響不大,已繪入PC板上。
所有0.47歐姆及第一個功率晶體的10歐姆電阻,最好都使用金屬皮膜電阻,否則亦應用水泥電阻,而不可用線繞電阻(有電感),電阻瓦數在二瓦以上即可,不必太大。
如果您在此機箱上只擬接16個MJ410,則背板的佈線相當簡單(參考圖三)其中所有C極互連,或0.47歐姆互連之配線最好用1.2或1.6m/m的電力用膠皮線(到水電行去買紅、白、黑各一碼即足供三部之用了),在需要焊接之處剝去膠皮約0.5cm,與C極相連可用品質較佳之焊片捲妥後吃錫,而與0.47電阻相連時,則直接以電阻再去皮處繞兩圈吃錫即可。所有電阻(100歐姆除外)在與MJ410之E及相連時,最好先依晶體接腳之粗細,把電阻接腳捲兩圈成一圓孔套入(不要太緊)再吃錫,這樣日後需要更換晶體時,取下極為方便。由(9)到(10)的這條膠皮線,雖然整條均無焊片支架只要把膠皮線適當地彎曲安置後,已十分牢固,不虞碰到底板,另外所有B極連線只要用細的電線即可。
如果在此機箱上,想裝置24個MJ410則整個佈線會麻煩一些,因此事先必須有周詳之考慮,然後再著手佈線。圖四是筆者裝機時之佈線方法,可供參考,在此佈線方式中,不是上下成一對,而是左右一對,但此時佈線似乎無法完全照線路次序走了。
整個配線完成,最好依據圖示,以打字膠帶在背板裡面標出(1)(2)(3)(4)(7)(8)(9)(10)(11)各接點,除去檢查各焊點有無錯誤及其牢固程度外,各接點應注意如再行將焊點加熱使錫熔化時,零件或配線不該跳起,否則將來引線時會有需要三隻手才能應付的感覺。
背板之導通檢查:
背板佈線完成,應即以三用表將各接點做導通檢查,以下參考數據亦可供日後檢查有無燒毀晶體之用: (三用表撥於x1檔)
所謂「正」,是指黑棒(帶正電)在上時,負則為黑棒在下。如量取數值與此出入很大時,請再詳細檢查之。
一切證實無誤,可把D13及D14跨接上去,這兩個二極體主要有兩個作用,第一是當我不慎將Vcc電壓接反了,它便導通,於是會把保險絲燒掉而不致毀掉功率晶體,第二是萬一整流電路失常,例如整流子被燒成打通,而濾波電容又失效時,也可免於放大電路受到交流電的侵襲,另外附帶的一個作用就是假如擴大機的負載含有大量的抗性成分時(例如分音器之線圈或匹配變壓器等),即輸出端電壓極可能被提升到Vcc電壓以上,而造成輸出晶體電壓的逆轉現象,使晶體毀了。有了D13和D14這種危險就可避免。
那麼我們何以要等到導通試驗之後,再將D13和D14接入呢?道理極為簡單,因為D13 D14接入後,由(1)→(4) (4)→(9)的反轉導通值,便是D13與D14的順向導通值(通常都在15歐姆以下)而非電路的反轉導通值了。這就是為什麼在上一次試裝時,筆者的試裝報告說由正到零到負之間大約有25歐姆阻值而大多數讀者量起來卻只有12歐姆,甚至有的低到8歐姆的原因了。
小心試接電源
在前面,我們已把電源部分配線完畢,在把背板裝回機箱之前,應先把電源的工作情況試好。
一切配線檢查無誤,保險絲可暫緩套上,先接上電源,小心把開關撥向第二段,此時電容應該充電到額定植,用三用表量量看有無錯誤,如果接線錯誤,開關上的那個電阻很可能燒掉。如果一切正常,開關即可撥向第三段,接著做電源負載實驗,取兩只100瓦的AC燈泡,分別接上由正到零及由零到負之間,此時電流雖不及1安培,但大致是可以試出電路是否有負載能力。當然,假如你有足夠瓦數的電力型電阻(算出電流有四安培的阻值)也可以接上做負載試驗,幾分鐘或幾小時均無不可。負載接上時,可量一下實驗的電壓,由此電壓可以預知比較正確的可能的最大輸出功率。
電源供給如果正常,不要忘了把指示燈及電源開關的佈線予以接妥固定,因為在這個時候來做這件事,是比較順手一些的。
如果你還有興趣的話,不妨把三用表轉到AC2.5伏檔,並跨接在電源開關的那個5歐姆電阻上,把開關轉回第二段,此時電表上應有讀數,例如是1V,那麼顯然這個變壓器在空載的時候有0.2A的電流通過,而空載的損耗功率便有110Vx0.2A=22瓦之距了,一般變壓器如能做到90%的效率在空載時大概已不會發熱,而在95%以上則算是非常優秀的製品。
以上我們不僅對電路做了詳細的檢查,而且也做了相當程度的了解與分析,裝置任何電路這樣的態度和步驟,才是成功的基礎。
接著,你該把已配好線的背板固定到機箱上去.因為以後再也不會將它拆下來了,所以固定要做得確實一些。
背板固定好,即可連接電源部分的(10)(11)接點到背板的(10)(11)接點,這一段配線應用50芯的軟線配。請記住,這時電容器上仍充有電壓不曾洩放。小心操作,不要碰線,沒有什麼關係的。配線時要剪取適當的長度,並考慮這兩條線如何走法才不礙事。
配好線,再做通電試驗,如果一切正常,和前面的情況一樣,無煙無臭,電壓也如期地出現。
現在,你已經完成裝配本機中,最艱鉅工作的一半以上了。
PC板之插焊
PC板零件插焊之要點莫過於:
(1)所有零件在插入之前均應用三用表逐一做簡單的導通試驗。
(2)確實辨認有極性的零件,萬萬不可插反。
(3)注意晶體接腳,尤其是PC板上的孔眼並不按晶體各極接腳排列時,更應審視再三。
(4)吃錫後,再三檢查有無鬆動、假焊的情況出現,同時亦應注意PC板在製作時有無銅箔碰連或斷裂等情況。
(5)所有體積及高度較小零件,先插上焊牢(如電阻及二極體先插好),以便於檢查。
以上是一般之要領,至於本機,則請參考圖五、六,把這些零件先插上焊好。在圖五以外的零件均屬短路保護之用,與正常工作無關,以免全部插上後,弄得頭緒更亂。
在圖五之中,除去R1 R2 R35 R36 R37、C1 D1 D7 D8 C4 C10 C5等之外的一切零件,差不多均與直流工作有關,少一個不行甚至接反一個也不行,因此請特別注意檢查之。
如圖五上的零件全部接好,檢查無誤之後,應就此PC板做一次通電試驗。
PC板通電試驗之接法如圖七,(1)及(9)接點各串一枚1/2瓦100歐姆電阻接到正負電源上去。(2)(4)(7)接點用短線連接,(8)到(9)接點並上15歐姆1/2瓦電阻,(5)接點接電源之(12),地(6)接點是測試點TP。
開機後:(1)量取TP點對(12)點之電壓應為0~±0.3伏左右;(2)量取(1)到(10)點間電壓,並調整VR2,應可調出1~2伏左右之電壓,(9)到(11)點間亦然。
如果試不出以上的電壓,請重複再檢查所有零件是否焊妥?尤其特別注意D2~D5以及Q5的接腳是否反了,PC板有無碰線及斷線。總之無論如何,你必須克服這個難關而不要冒然闖關,假如這裡試不出接果,就將它接到功率晶體上去,問題一樣地存在。甚至如有不慎,還要遭到損失。
接上短路保護
PC板通電完滿後,除去臨時接線,可把尚欠的短路保護零件,即Q20 21以及連接集基極上所有的零件全部接上,再做一次檢查。此PC板即算大功告成了。
連接功率晶體
在最後的配線時,總共在PC板上要引出12條引線,此12條引線共計為(1)~(9)接點,以及把Q5自PC板上拆下後三個孔眼亦引出三條線。這12條線中,(1)(2)(3)(7)(8)(9)及Q5的三條線均用細而軟的線,三條三條以熱縮套管將之套住(不要九條套在一起)而且三條依序各用不同顏色的線。另外(4)(5)(6)三條線均要用粗一點的線,尤其是(5)(6)因為引線較長,必須用到50芯以上的膠皮線,而由(5)(6)經由R10(補詮:R10為2瓦金屬膜電阻上用18~20號漆包線繞8~10圈即可。)之銅箔最好吃上一層錫,以增加導電性。
在未固定PC板之前,需先將Q5固定到背板上任一配線方便之MJ410集極螺絲上面,與背板及MJ410保持電的絕緣與熱的傳導。
PC板固定的方式為零件朝外,接線則靠後端,(1)(2)(3)(7)(8)(9)及Q5等戲癮線由上面第一、二個穿線孔穿過,然後接到背板上預留的幾個接點上去。Q5之各接腳宜分別套上絕緣套管。(4)由下面的穿線孔穿過接到背板,(5)(6)則經下面的穿線孔而分別接經電源及喇叭輸出接端,喇叭輸出之負端則直接引自電源之(12)(其實應引自(5)才正確)。
這樣輸出接線大致已經完成,可再三檢查一下,繼續接輸入配線。
輸入配線之連接,要用粗一點的隔離線,先接到50KA的增益控制器上,再接往輸入蓮花座,再在輸入蓮花座的負端以100Ω及105的陶質電容併連後,經由固定螺絲之焊接機殼。
試機及調整
到此為止,全部的努力即將大功告成,但仍宜小心從事,免遭意外。
試機時,先不必插上保險絲,於準備好三用表之後,即行開機,先開第二段,如5歐姆電阻不冒煙,可續開到第三段。接著量取輸出點電壓,應為0~0.2伏左右,如果不是,請即檢查配線有無接錯。
待正常後,一面量取跨接在保險絲座上的33歐姆電阻兩端的電壓,一面調整VR2,使出現大約1.2~1.5伏的電壓,就算正常了。這時很可能上下兩個33歐姆電阻之壓降不完全一樣,如果出入太大時,表示差動或相對之晶體Hfe相差太大,應予更換,如在10~20%以內,應該沒有什麼關係,將靜流調大一些(如調到1.6伏)就可平衡一些。
假如這一關也順利通過了,接著便可以接上假負載(8歐姆的大電阻)來實驗。保險絲暫時接上1A的。有訊號產生器時可輸入1000Hz訊號,沒有訊號產生器則以手指碰觸輸入點,並量取輸出電壓(AC檔)如AC表會動,即表示工作正常,可接上喇叭,及音樂訊號,試一下聲音是否正常。
假如你沒有其他儀器和知識時,本機放大部分之裝置,到此已算大功告成,250瓦以上的巨大功率,立刻會使你數日甚至數星期的辛勞完全忘得一乾二淨。
在使用本機時,仍請你切記本機並無喇叭保護線路,因此(1)喇叭系統最好自備保險絲; (2)接於本機正負電源上的保險絲,兩個應該保持平衡,使其中若有一根燒斷時,另一根也接著會燒斷。
性能評述
參與第一次本機試製的人數前後大約有100人左右,一般的反映,均還覺得滿意,尤令筆者感到欣慰的是,最初我們耽心大家會頻燒晶體,特別預留了20%的MJ410,結果更換MJ410的人並不多,反倒是MPS-LO1因為裝機不慎,補了二十幾個,因此特別提醒大家注意,只要按著步驟行事,該不會出問題才是,而MPS-LO1則因為每次試機之後,電容器上面尚存有大量電能忘記放電而燒毀,這點疏忽,希能避免。另外,二個2N5415及一個2N3440在工作時均會發熱,因此要加上散熱片,不過也不必過分耽心這幾個晶體,因為筆者曾試過讓它熱到冒煙的程度,等冷卻下來之後,卻仍然完好。
有不少尚未裝機的朋友,曾來信或以電話詢問此機的音色如何?高音如何?低音如何?關於這個問題,筆者則不敢貿然答覆,以下兩點或者可以協助讀者認識大功率擴大機的特色:
1. 任何功率擴大機,在設計上均求其不失真為前提,換句話說,一部理想的功率擴大機,事實上應把它看成只是一個電力接頭,因此任一相同等級的大功率擴大機,在音色的表現上,都不應該有很大的出入。
2. 當然,每一個廠商的製品,在細聽之下都是會有差別的,然而這種差異是否為廠家刻意追求,卻是一個很大的疑問。筆者曾經和幾位國內外的各線路設計家交談過,大家所談的內容差不多均僅限於怎樣做才不麻煩?安全?以及必須顧慮的失真等等問題,而從未聽見哪位工程人員刻意設計一部聽起來「飽滿」的擴大機。
3. 目前,我們比較注重的一個細節問題,乃是TIM失真的問題。除去超低TIM的線路設計之外,主動零件的選擇仍是非常重要的問題。本機雖無超低TIM的架構,事實上它所選用的零件已符合超低TIM的要求,否則為了250瓦的輸出,又何必用到24個價值昂貴的晶體呢?
精密校調
任何一部廠製的擴大機,在出廠時當然都會經過一番校調,事實上一次校調是不夠的,這正如鋼琴一樣,新的鋼琴買回來,差不多要經過2~3次的調律,音律才會穩定下來一樣,關於這點,自己裝置的擴大機,即較廠製機有更優越的條件來做精密的調整工作。
上述的靜止電流和中點電壓調整工作,差不多就等於廠製機的出廠調整工作。但這部機器既然是我們自己裝的,如果手邊還有示波器、訊號產生器及比較精確的三用表的話,則不妨利用2~3星期試機的時間,實施精密校調工作。
首先要調整的當然是靜止狀態下的輸出中點電壓,一般地說來,一部一百瓦以上的擴大機,輸出中點若偏差在±0.2伏以內應算很標準,如果認為這個數字嫌大,則有兩個地方可供調整:
第一是R4,原設計為1.2K,但受Q3值之影響,可造成中點之偏移,如把1.2K改為1K則中點電壓將下降,反之改為1.5K,中點會上升。
第二是R5,原設計為620歐姆,因市上不易購得620歐姆之電阻,是故改為680歐姆,如果改回620歐姆,則輸出中點電壓將會隨之上升。
以上兩法,已更改R5為佳,但R5變動的數值很少,怕找不到適當阻值的電阻供用。這時候,如果你有耐心,不妨在100之680歐姆標示的電阻中逐一以三用表挑選最低值的來使用。
其次要校調的是本機之實際增益。本機之增益(電壓放大倍數),是由R38及R6所控制的,以原設計而言,22K/820約等於28.5分貝,是相當標準的功率擴大機增益數值,唯此算式,實際上是假定本機有無限大或接近無限大的開環路增益下求出的。因此實際增益恐會略有出入,關於這點,在一般使用時可說毫無影響,但是筆者因為有下面一個計劃,故而希望控制其增益為正確的30分貝。
所謂下面一個計劃是指:
(1)在面板左邊的增益控制器(實際為衰減器),採用10段控制,每段3分貝,換句話說前級的輸入不動,只要旋轉增益控制一級,輸出功率級增加或減少一倍。
(2)面板上採用LED電平指示,並且印有精密的輸出電力值,四個按鈕間以及每個LED之間之差距均是3分貝,這樣一來因為有增益控制及四個按鈕的調整,讓它和LED的指示要一致時,是頗需要費一番功力的,關於這點,目前各廠機器都不敢做,而我們不管做得好與不好,希望朝此方向走的主要用意,乃是希望不僅裝出一部會響的機器,更要藉此機器來教育自己,考驗自己。有關這一部分的計畫,讓我們在下期與各位共同來討論。
轉載音響技術第27期 NAR. 1978 大功率製作詳析/ESS500的再製作/唐 凌
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