Zesilovač DPA280

Napěťový měnič

  >Chcete-li mít v automobilu zesilovač opravdu špičkových parametrů, pak zvolte typ DPA 280. Stavba ale není jednoduchá a také finanční náklady jsou značné - ekvivalentní přístroj dovezený ze zahraničí by ovšem stál přibližně čtyřnásobek (kolem 300dolarů). Zapojení využívá nejmodernějších u nás dostupných součástek, takže i objem přístroje je zcela srovnatelný se zahraničními ekvivalenty. 

   Zesilovač DPA 235 má maximální výkon, jaký lze u zesilovače bez měniče napětí dosáhnout. Další zvětšení výkonu je možné jen s použitím měniče - tímto způsobem lze dosáhnout výkonů zcela srovnatelných s domácími reprodukčními zařízeními. Jediným omezením je výkon palubní sítě automobilu (alternátoru). Účinnost běžného zesilovače třídy AB je asi 65%, účinnost kvalitního měniče asi 80% - celková účinnost přístroje je proto asi 50%. Zesilovač 2x100W odebírá z palubní sítě 400W neboli 27A!

   Měnič napětí lze v podstatě udělat dvěma způsoby. První variantou je výkonový oscilátor, jehož napětí je vhodným transformátorem (v praxi nejčastěji feritovým) transformováno směrem "nahoru". Následuje pochopitelně usměrnění a vyhlazení. Ze stejnosměrného výstupu není do vstupní části zavedena žádná zpětná vazba, výstupní napětí proto v závislosti na odběru kolísá. Druhá varianta je podobná, z výstupu je ale zavedena zpětná vazba do řídící části, kde se s její pomocí řídí střída výstupních impulsů oscilátoru. Výstupní napětí je proto stabilizované a s odběrem nekolísá.

   Nevýhodou prvního řešení je vyšší napájecí napětí zesilovače v případě, kdy není buzen. Patřičné součástky musí mít větší závěrná napětí. Výhodou je schopnost zesilovače dávat větší impulsní výkon a hlavně naprostá jednoduchost zapojení měniče.Výhodou druhého zapojení je použití součástek dimenzovaných na menší napětí, nevýhodou ztráta schopnosti zesilovače dávat větší impulsní výkon a hlavně velká složitost zapojení. Ze srovnání vyplývá výhodnost první varianty, proto jsem jí dal při návrhu zapojení přednost. Ačkoli měnič vypadá na první pohled složitě, je v podstatě velmi jednoduchý.

   Blokové schéma lze rozdělit do několika celků: bezkontaktní spínač (T43 až T46), teplotní a přepěťové ochrany (IO1, OZ1 až OZ3, T46, T50), startovací oscilátor (T47, T48) a vlastní výkonový oscilátor s usměrňovačem (T51 až T54, D27 až D30). Popis funkce začneme zapínacím obvodem. zesilovač zapneme přivedením kladného napětí na špičku 1 vstupního konektoru, nebo zkratováním špiček 1 a 4. Kladným zapínacím napětím se otevře T43 (i T44, jehož funkce si prozatím nevšímáme), jeho kolektorový proud otevře T45. Napájecí napětí je přivedeno na stabilizátor napětí (IO1), na vstup komparátoru (OZ3) a do napájecí větve tří komparátorů (OZ1 až OZ3). Komparátory OZ1 a OZ2 hlídají teplotu obou chladičů (termistory R106 a R108), komparátor OZ3 hlídá přepětí v napájení zesilovače. Stabilizátor IO1 poskytuje potřebné referenční napětí 10V. Tepelná ochrana pracuje s malou hysterezí (aktivovaný komparátor překlopí zpět až po větším ochlazení chladiče).

   Výstupní napětí měniče je 50Vsym při napájení 15V. Protože filtrační kondenzátory mají maximální povolené provozní napětí 63V a výstupní napětí měniče je přímo úměrné napětí vstupnímu, mohlo by při poruše stabilizace palubní sítě výstupní napětí měniče tuto hodnotu překročit. Komparátor OZ3 slouží proto k zablokování měniče, překročí-li napájecí napětí asi 16V. I tento komparátor má hysterezi (asi 1V), to jest funkce měniče je obnovena, až když napájecí napětí poklesne asi na 15V (u komparátoru bez hystereze by i nepatrné kolísání vstupního napětí kolem bodu překlopení způsobovalo vypínání a zapínání měniče). Překlopení libovolného komparátoru je indikováno LED (D25). Zde popis funkce přerušíme a vrátíme se zpět k zapínacímu obvodu. 

   Otevřením tranzistoru T43 se otevře i T46, který sepne napájecí napětí do startovacího oscilátoru. Pro spolehlivou funkci tohoto obvodu je napájecí napětí stabilizováno Zenerovou diodou D26. Oscilátor tvořený tranzistory T47 a T48 pracuje na kmitočtu asi 15kHz (kmitočet není kritický), jeho výstupní napětí je přivedeno přes kondenzátor C50 na vinutí L3 budícího transformátoru (BT). Napětí se transformuje do vinutí L1 a L2, na která jsou připojeny báze výkonových tranzistorů T51 až T54. Kolektorovou zátěž tranzistorů tvoři vinutí L1 a L2 výstupního transformátoru (VT). Napájecí napětí je přivedeno do středu obou vinutí (push-pull), která musí být přesně stejná, aby transformátor nebyl stejnosměrně sycen. Kladnou zpětnou vazbu, udržující oscilátor v činnosti, tvoří vinutí L3 výstupního transformátoru a vinutí L3 budícího transformátoru. Těsnost vazby zmenšuje rezistor R125. Účinnost měniče zvyšuje další zpětná vazba tvořená proudovým transformátorem (PT). Primární vinutí výstupního transformátoru (L1, L2) není spínáno přímo, ale přes vinutí L1 a L2 proudového transformátoru. Z jeho vinutí L3 je zavedena kladná vazba do vinutí L4 budícího transformátoru. Tímto způsobem je zvětšováno buzení spínacích tranzistorů T51 až T54, takže pracují vždy v saturačním režimu, a nemusí se proto párovat a ani nemusí mít vyrovnávací emitorové rezistory, které by snižovaly účinnost. Při malých odběrech se vazba proudovým transformátorem neuplatní, k chodu oscilátoru stačí vazba mezi L3 VT a L3 BT, takže účinnost zůstává vysoká (budící výkon není zbytečně velký). Napětí oscilátoru se výstupním transformátorem zvyšuje (vinutí L4 a L5). Vinutí L6 je stínění mezi primárními vinutími L1 až L3 a vinutími sekundárními L4 a L5. 

   Odběr měniče pro plném vybuzení zesilovače je značný (až 40A). Trubičkové pojistky u nás vyráběné nejsou na tento proud a nelze je proto použít. Na větší jmenovité proudy jsou sice automobilové pojistky, jejich upevnění na DPS je ale problematické. Pojistku proto vytvoříme ze dvou drátků o průměru 0,2mm, které zapájíme buď přímo do DPS nebo na tělíčko vypálené pojistky. Měnič pracuje s kmitočtem asi 28kHz. Výstupní napětí oscilátoru má obdélníkový průběh o velmi strmých hranách, vyzařování do palubní sítě musíme proto dobře potlačit. V přívodu napájecího napětí je zařazen filtr, tvořený kondenzátory C41 až C48 a tlumivkou Tl1ů jeho použití je bezpodmínečně nutné!

   Výstup transformátoru je jištěn tavnými pojistkami. Střídavé výstupní napětí je usměrněno dvoucestným usměrňovačem (D27 až D30) a vyhlazeno kondenzátory C54 až C62. Usměrňovací diody musí být velmi rychlé (nelze použít klasické diody řady KY708-719). DPS je navržena na použití diod KYW31/150 (150V, 25A), které mají katodu na pouzdru. Lze použít i diody KY193, které mají "klasické" zapouzdření, tj. anodu na pouzdru. V tomto případě ale musíme prohodit na DPS výstupy usměrňovače!

   pracovní kmitočet měniče je vysoký, na vyhlazení musíme použít kondenzátory s malými dielektrickými ztrátami a malou vlastní indukčností (totéž platí i pro vstupní filtr v přívodu napájení). Staré typy řady TC93.., TE98 a TE96 proto nevyhoví. Použít by se daly dovozní kondenzátory řady TGL..., které ovšem nejsou prakticky dostupné. Kondenzátory nové řady TF 0... naštěstí použít lze a jsou dokonce vhodnější než řada TGL, neboť paralelním spojením více menších kondenzátorů klesá jejich celková indukčnost a navíc, což je paradoxní, srovnání poměru kapacita verzus objem vyzní jednoznačně v jejich prospěch (o ceně ani nemluvě). Celková kapacita v každé větvi je 1 100uF je na první pohled velmi malá. Musíme si uvědomit, že pracovní kmitočet je velmi vysoký, takže tato kapacita dává vyhlazení ekvivalentní kondenzátoru 600 000uF při kmitočtu 50Hz!

  Střídavá složka superponovaná na ss. napětí je dále filtrována tlumivkami Tl2, Tl3, kondenzátory C64 a C65 a kondenzátory C18, C20, C38, C40, které jsou umístěny ve vlastním koncovém zesilovači. Výstupní obdélníkové sekundární napětí na transformátoru má na náběžné hraně jehlový překmit, který je asi o 10 až 15% větší než jmenovité napětí. Kdyby výstup usměrňovače nebyl zatížen (například při vyjmutí pojistek koncového zesilovače) filtrační kondenzátory by se nabily na špičkové napětí a to by mohlo překročit jejich jmenovité povolené provozní napětí. Usměrňovač je proto trvale zatížen rezistory R121 a R122, které popsaný jev spolehlivě odstraní.

   Nyní se vrátíme k bloku ochran. Přepětí v napájení nebo přehřátí zesilovače působí překlopení některého z komparátorů. Výstupní napětí otevře tranzistor T50. Aby T50 nebyl otevřen v normálním režimu, kdy je na výstupech komparátorů asi +2V, je báze tohoto tranzistoru napájena z děliče R120 a R118/R119. Otevřením T50 se otevře i T48, který zkratuje zpětnovazební vinutí L3 budícího transformátoru, čímž oscilátor přestane kmitat. Na místě T49 musíme použít typ KC635 (637, 639), který má malé saturační napětí kolektor-emitor ("zkratování" vinutí musí být dokonalé, jinak oscilátor nevysadí). Nelze proto použít tranzistory typu KF, které jsou v tomto ohledu podstatně horší. Ekvivalentní náhradou jsou pouze tranzistory KD137, 7, 9. při vypnutí zesilovače se zavře T44. Do báze T50 začne přes rezistory R39 a R119 protékat proud a T50 se otevře stejně jako při překlopení komparátorů. Odběr ve vypnutém stavu je dán velikostí rezistorů R93, R118 a R119 a bázovým proudem T50 a je proto přibližně 1mA, což je velikost naprosto zanedbatelná (samovybíjecí proud baterie je větší).Svodové proudy kondenzátorů ve výstupním filtru a proud Iceo tranzistorů  T51 až T54, tedy součástek, které jsou pod napětím i ve vypnutém stavu, jsou prakticky neměřitelné.

   Jediným výrobně složitějším dílem měniče je výstupní transformátor. Hlavní důraz je kladen na primární vinutí L1, L2, které je vinuto bifilineárně vodičem o průměru 2mm. Protože takto tlustý vodič se již velmi obtížně ohýbá, musíme dbát na to abychom neporušili izolaci. Primární vinutí je namáháno velkými proudovými rázy, musí být velmi pevně utaženo, aby se chvěním vodičů neprodřel izolační lak. proto také po navinutí celý transformátor impregnujeme vhodným lakem; neimpregnovaný nebo špatně impregnovaný transformátor při zatížení píská.

Koncový zesilovač

   Nedostatečnost naší součástkové základy se nejvíce projeví při návrhu "výkonnějšího" výkonového zesilovače. S dostupnými typy tranzistorů, zapojenými běžným způsobem, lze při komplementárním zapojení dosáhnout výkonu asi 50 až 60W/4ohmy. Hlavním omezujícím činitelem jsou nízká závěrná napětí tranzistorů řady KD600, případně nepříliš vysoké napětí, pro které je zaručován druhotný průraz. Ve svých zesilovačích proto používám již řadu let sériové zapojení koncových a budících tranzistorů - mizivá poruchovost potvrzuje správnost tohoto řešení. Pro zajímavost uvádím, že modifikace dále popsaného zesilovače, ve které jsou výkonové tranzistory zdvojeny (sérioparalelní zapojení), dosahuje s patřičně dimenzovaným zdrojem asi 200W / 4ohmy, více jak 300W / 2ohmy a více jak 500W při můstkovém zapojení - to vše s tranzistory KD607/617.

   Zapojení má klasické uspořádání: vstupní diferenciální zesilovač a zdroj proudu (T1 až T3), rozkmitový stupeň (T4 až T7), nastavení klidového proudu a jeho teplotní stabilizaci (T8, T9), pojistka (T10, T11) a výkonový stupeň (T12 až T21). Kolektorový proud tranzistorů diferenciálního zesilovače určuje dioda D3 a rezistor R6, jeho velikost je proto asi 1mA. Vyváženost proudu obou fází diferenciálního zesilovače zaručuje shodná velikost R2, R11 a R12. Malou nevyváženost, danou rozptylem zesilovacích činitelů, která se projeví jako výstupní napěťový posul. lze vykompenzovat trimrem R3. Člen RC zapojený mezi bázemi zlepšuje kmitočtovou stabilitu zesilovače.

   Rozkmitový stupeň tvoří druhý diferenciální zesilovač (T4, T5). Lokální zpětné vazby zlepšující stabilitu celého zesilovače tvoří kondenzátory C6 a C7. Tranzistor T6, pracující v zapojení SB, zmenšuje napěťové namáhání T4, případně zmenšuje jeho ztrátový výkon (napětí Uce obou tranzistorů je přibližně stejné, tj. polovina napájecího napětí). Vyváženost kolektorových proudů zaručuje stejná velikost rezistorů R17 a R18, úbytek napětí na přechodu BE tranzistoru T7 je kompenzován diodou D4. Tranzistor T7 je jediná součástka, kterou je nutné vybírat. Napětí Uce tohoto tranzistoru je při plném rozkmitu rovno napětí napájecímu, tj. 100V. Závěrné napětí by proto mělo být minimálně 110V (tranzistory BF527 mají garantované napětí Uce 50V, proto se vybírat nemusejí). Požadavek lze ale snadno splnit, neboť měřením většího počtu tranzistorů KFY17 (případně i KFY16) zjistíte, že jejich běžné závěrné napětí je 90 až 100V a u zhruba 20% je větší než 110V, ačkoli výrobce zaručuje jen 50V. Diody D1 a D2 zamezují saturaci druhého diferenciálního zesilovače při limitaci výstupního signálu. Rychlost rozkmitového stupně zmenšuje člen RC, R16 a C9.

   Klidový proud koncových tranzistorů se nastaví pootevřením tranzistoru T9, teplotní stabilizace je zajišťována tranzistorem T8, který je připevněn na chladiči koncových tranzistorů. Klidový proud se reguluje trimrem R21. Dynamické vlastnosti obvodu zlepšuje kondenzátor C8. pojistka proti proudovému přetížení má klasické zapojení. Průchodem proudu rezistorem R37 (R40) se na něm vytvoří úbytek napětí, kterým se otevře T10 (T11) a zkratuje buzení. Aby pojistka reagovala pouze při zkratu na výstupu a nikoli při běžné provozu zesilovače, je její působení zpožděno kondenzátorem C10 (C11).

   Koncové a budící tranzistory jsou zapojeny v sérii a jsou proto v klidovém stavu namáhány napětím asi 25V. při plném rozkmitu výstupního napětí je maximální napětí Uce na jednom tranzistoru asi 50V. Jedinou nevýhodou zapojení je poněkud menší účinnost, neboť se sčítají saturační napětí, ale to v praxi vůbec nevadí. Správné rozdělení ss. napětí na jednotlivých tranzistorech určuje dělič složená s rezistorů R31, R32 a R35 (R38, R41 a R44). Při plném rozkmitu výstupního napětí při zatížení napomáhají "bootstrapové" kondenzátory C12 a C13. Kondenzátory C14 a C15 zlepšují stabilitu tohoto stupně, diody D9 a D10 potlačují případné napěťové špičky způsobené indukční zátěží. Stabilitu celého zesilovače zlepšuje Bucherotův člen na výstupu. Potlačení zemních smyček ve vstupním obvodu je provedeno rezistorem R14, přes který je uzeměna střídavá zpětná vazba. Připojením zdroje signálu se zpětná vazba uzemní do stejného bodu, nesmíme proto ve vstupním konektoru spojit špičku 2 s kostrou zesilovače. Tranzistory R4 až T7 pracují s trvalou kolektorovou ztrátou asi 900mW, musí proto být opatřeny chladičem. Chladič musí mít i budící tranzistory T13, T15, T17, T20; vyrobíme jej v z vhodného hliníkového profilu tvaru U o délce žebra asi 25mm. Profily mohou mít různou výšku žebra, deska s plošnými spoji je proto navržena tak, aby se tranzistory daly zaletovat do pravidelných rozestupů.