Sinclair Z-30 rev2014 projekt ke 45. výročí kategorie: retro 1. Úvod V roce 1969 se objevila ve Velké Británii stavebnice modulárního zesilovače, Sinclair Project 60 [1], [2]. Výkonový modul Z30 používal na svou dobu moderní zapojení se slušným potenciálem dosažení velmi dobrých parametrů, což bylo tehdy, bohužel, limitováno dostupnými polovodičovými prvky, zejména koncovými tranzistory, kdy neexistoval kvalitní komplementární pár NPN PNP. To vedlo k jedné z největších slabin zesilovače, kvazikomplementárnímu koncovému stupni. Další slabinou byla neexistence obvodu kompenzace teplotní závislosti klidového proudu koncového stupně, takže zesilovač byl provozovaný s velmi malým klidovým proudem, což vedlo ke značnému přechodovému zkreslení, které bylo redukované pouze celkovou zpětnou vazbou. Dále projekt nebral v úvahu kritický vliv přesného vyvážení vstupního diferenčního stupně na výsledné zkreslení. Spektální analýza s dostatečným rozlišením v audiopásmu prakticky neexistovala a tehdy běžné měření závislosti celkové THD+N na kmitočtu charakter zkreslení neodhalovalo. Jelikož se domnívám, že původní velmi jednoduché zapojení, vhodné pro stavbu i začátečníky, má po optimalizaci skutečně slušný potenciál, rozhodl jsem se jej po 45 letech oprášit, odstranit původní 2 výše popsané nedostatky v topologii, znovu postavit, proměřit a zveřejnit. První zkušenost s původním zapojením mám z roku 1980, kdy jsem pro modul Z30 navrhl svůj plošný spoj. Stereo zesilovač na bázi Z30 jsem pak měl v běžném provozu až do roku 2001. V roce 2003 jsem potom, po doplnění možností měřit pomocí spektrální analýzy, mé původní moduly z roku 1980 touto metodou proměřil. Po dalších 11 letech jsem se rozhodl k optimalizaci zapojení a případnou korekci svého negativního názoru na tuto topologii. 2. Topologie verze rev2014 Obr.1. Schéma Z30 rev2014
Schéma inovované verze je na obr.1. Proti původní verzi jsou koncové tranzistory T1 a T2 komplementární a je přidaný obvod pro teplotní kompenzaci klidového proudu s tranzistorem Q4. R1 a C1 tvoří vstupní filtr dolní propust, pro odstranění VF rušivých signálů. Q1 a Q2 tvoří vstupní diferenciální zesilovač. Jeho pracovní proud Iee určuje emitorový odpor R6, velikost záporného napájecího napětí a součet úbytků napětí přechodů báze-emitor Q1, Q5 a Q6 (cca 1,8V). Pro R6 = 16kohm je Iee cca 1,38mA. Pro minimalizaci výsledného zkreslení je nesmírně důležité, aby proud Iee se rozdělil mezi kolektorové proudy Q1 a Q2 rovnoměrně, tj. Ic(Q1) = Ic(Q2). K tomu slouží desetiotáčkový trimr R5. Nastavení popíšeme později. Q3 tvoří napěťový rozkmitový stupeň, který pracuje do zdroje konstaního proudu (Q5, Q6). Hodnota konstantního proudu je Vbe(Q3)/R3, v našem případě cca 8mA. Kondenzátor C5 vytváří dominantní pól přenosu otevřené smyčky a je základním kamenem pro stabilitu zesilovače. Současně s Iee určuje maximální rychlost přeběhu této topologie. Pro C5 = 56pF a Ic(Q1) = 1/2 Iee = 0,69mA je rychlost přeběhu maximálně 12,3V/us (Ic/C5). Při napájecím napětí 2 x 25V a maximální amplitudě výstupního napětí cca 21Vp by to znamenalo sinusový průběh nezkreslený rychlostí přeběhu do kmitočtu cca 93kHz (2*pí*f*Vp). Obvod Q4, R7, R8, R9 slouží k teplotní kompenzaci klidového proudu koncovými tranzistory. Původní Z30 tento obvod neměl a musel být tudíž provozován s minimálním (= neoptimálním) klidovým proudem, jinak došlo k thermal runaway, teplotnímu úletu klidového proudu a průrazu koncových tranzistorů. Též chyběly emitorové odpory u koncových tranzistorů, což riziko ještě zvyšovalo. Klidový proud bude nastavený tak, aby na emitorových odporech R12 a R13 byl úbytek cca 25mV, což je optimum pro minimalizaci přechodového zkreslení [3]. Pro R12 = R13 = 0,22ohm bude klidový proud cca 114mA při úbytku 25mV na jednom emitorovém odporu. Obvod R17, C10 zvyšuje potlačení zvlnění zdroje (PSR), které bez jeho použití je jen 24dB. R16 a C4 tvoří Boucherotův člen pro zvýšení stability na vysokých kmitočtech při komplexní zátěži. Dioda D1 je ochrana zesilovače a repro při přehoření pojistky ve větvi +25V. Byla dodána dodatečně, takže na zkušebním plošném spoji není znázorněna. 3. Stavba a nastavení zesilovače Pro funkční vzorek zesilovače byl navržený zkušební plošný spoj o rozměrech 133 x 70mm. Plošný spoj není optimalizovaný co se týče velikosti, mohl by být menší. Pro plánované umístění do skříně 3U x 400mm to ale nehrálo žádnou roli. Optimalizovaná byla signálová zem a země blokovacích a zpětnovazebních kondenzátorů, všechny se stýkají v jednom bodě u svorkovnice u přívodu 0V z napájecího zdroje. Důvodem je to, aby pulsní proudy blokovacích kondenzátorů nekontaminovaly signálovou zem. Následující obrázky ukazují stranu pájení, stranu součástek a osazení součástkami. Jde pouze o nasměrování, jak navrhnout plošný spoj, můžete si vytvořit vlastní, dokonalejší návrh. Dále jsou v tabulce uvedeny hodnoty použitých součástek a jejich pouzdra (rozteče děr). Elektrolytické kondenzátory jsou na napětí alespoň 35V. Odpory jsou metalizované, 1%, 0.5W, kromě R12 a R13, které jsou drátové, Vishay/Sfernice na 7W. Trimry jsou desetiotáčkové cermetové 64Y. Tranzistory Q1 a Q2 byly vybírány na beta cca 700 a shodu 1% (není podmínkou). Q3, Q5 a Q6 měly betu cca 360. Q7, Q8, T1 a T2 jsou originály ON Semiconductor.
Před osazováním nastavte trimry R5 a R7 do cca poloviny dráhy (bývá to už provedeno ve výrobě). Osaďte postupně odpory, kondenzátory, svorkovnice a polovodičové prvky. Předpokládá se umístění desky na distanční sloupky 10mm na plocho nad chladič. Doporučuji použít dostatečně velký chladič Obr.2. Z30 plošný spoj funkčního vzorku, strana pájení Obr.3. Z30 plošný spoj funkčního vzorku, strana součástek
Obr.4. Z30 rozložení součástek Part Value Package Note C1 1n C5B5 polypropylene C2 100n C5B5 C3 220u ES-5 C4 22n C15B6 C5 56p C5B5 NPO C6 220u ES-5 C7 220u ES-5 C8 100n C5B5 C9 100n C5B5 C10 470u ES-5 C11 2u2 C5B7.2 Q1 BC550 TO92-EBC Q2 BC550 TO92-EBC Q3 BC556B TO92-EBC Q4 BD135 TO126AV Q5 BC546B TO92-EBC Q6 BC546B TO92-EBC Q7 MJE15030 TO220AV Q8 MJE15031 TO220AV R1 2k R-10 R2 24k9 R-10 R3 82R R-10 R4 750R R-10 R5 500R PT-10S 10 turn R6 16k R-10 R7 1k PT-10S 10 turn R8 2k4 R-10 R9 1k R-10 R10 100R R-10 R11 100R R-10 R12 0R22 KH206-8 7W R13 0R22 KH206-8 7W R14 24k9 R-10 R15 1k R-10 R16 10R R-12,5 R17 100R R-12,5 T1 MJL21194 TO218 T2 MJL21193 TO218 X1 W237-03P con-wago-508 X2 W237-05P con-wago-508 Tab.1. Z30 rozpiska součástek
s nízkým teplotním odporem. Kratší rozměr chladiče musí být alespoň 130mm. Ideální je např. skříň Modushop 3U nebo Fischer Elektronik SKE 3U se žebrovanými postranními chladiči. Tranzistory Q4, Q7, Q8, T1 a T2 přijdou umístit na plocho na chladič, viz následující obrázek. Pod všechny (kromě Q4) je nutné vložit silikonovou podložku, aby nebyly vodivě spojené s chladičem. Q4 má celoplastové pouzdro. Obr.5. Prototyp Z30 na chladiči Po osazení všech součástek a připevnění na chladič můžeme přistoupit k oživení. Zesilovač je navržený pro napájecí napětí 2 x 25V. To je možné získat např. z trafa 2 x 18Vef s vyvedeným středem a můstkovým usměrňovačem. Filtrační kapacity doporučuji cca 2 x 10 000 uf. Do + a napájecích větví vložte pojistky, pro začátek F2A. Připojte napájecí napětí ke svorkovnici podle schématu na obr.1. Změřte multimetrem napětí mezi X2-1 a X2-4, a mezi X2-4 a X2-5. V obou případech by tam mělo být cca 24V až 26V, podle použitého trafa. Změřte úbytek napětí na R12 a na R13. Trimrem R7 nastavte úbytek napětí na každém z odporů na cca 22mV. Otáčením trimru doprava se napětí zvyšuje. Tím nastavíte klidový proud T1 a T2. Dále změřte úbytek napětí na R6, kde by mělo být cca 22V. Potom změřte úbytek napětí na R4. Otáčením trimru R5 nastavte úbytek napětí na R4 na cca 515mV. Otáčením doprava se úbytek na R4 zvětšuje. Při nastavení na doporučenou hodnotu byste pak měli na výstupu zesilovače, tj. mezi svorkami X2-2 a X2-3 naměřit napětí blízké 0V, většinou v rozmezí od -2mV do +2mV. Tím je nastavena symetrie vstupního diferenčního zesilovače a celý Z30 by měl být připravený k testování. 4. Testování zesilovače Ideální je mít k dispozici generátor signálů (sinus a obdélník) a osciloskop. Na výstup zesilovače (X2-2, X2-3) připojte zatěžovací odpor 4 až 8 ohm se zatížitelností alespoň 50W. K výstupním svorkám připojte také sondu osciloskopu, a to tak, že zemní kablík přijde na svorku X2-3 a živý vstup sondy na X2-2. Ke vstupu zesilovače připojte generátor signálu, zem na X1-2 a živý na X1-3. Nastavte výstupní napětí generátoru na cca 0,5Vef (0,707Vp) a kmitočet 1kHz. Na výstupu byste měli naměřit 12Vef (17Vp, 34Vpp). Pokud je vše v pořádku, můžete přeladit kmitočty od cca 20Hz do 50kHz a sledovat průběhy na osciloskopu. Zkuste také limitaci, při napájení 2 x 25V bude těsně nad 20Vp (40Vpp). Dále ověřte zesilovač obdélníkový signálem 1kHz a 10kHz. Odezva na skok v rozkladu 5us/dílek je na následujícím obrázku.
Obr.6. Odezva zesilovače Z30 na skok (obdélník) Obr.7. Odezva zesilovače Z30 na obdélník 12kHz
Pokud máte k dispozici slušnou zvukovou kartu (zvukový chip na PC motherboard nestačí), můžete zkusit změřit harmonické zkreslení. Na zesilovači Z30 rev2014 jsem naměřil následující průběh THD v závislosti na kmitočtu, pro výstupní napětí 38Vpp a zátěž 6,8 ohm, tj. 26.5W/6,8ohm. Obr.8. Závislost harmonického zkreslení na kmitočtu při 26,5W/6,8ohm Jak vidíte, zkreslení je velmi málo závislé na kmitočtu a na tak jednoduchý zesilovač se jedná o výborný výsledek. U původního zapojení Z30 s kvazikomplementárním koncovým stupněm s minimálním klidovým proudem a špatně vyváženým diferenčním vstupem jsem naměřil cca 0,26%, tj. více než 20x horší výsledek. Poznámka ke kapacitní zátěži: zesilovač je stabilní, pokud kapacitní zátěž nepřekročí 10nF. Pro stabilitu do větších kapacit by bylo potřeba na výstup přidat tlumivku 1uH paralelně s odporem 4,7ohm. 5. Technické parametry Byly postaveny 2 vzorky zesilovačů Z30 rev 2014 a parametry jsou následující:
Napájecí napětí 2 x 25V Kmitočtový rozsah (-3dB) 3Hz - 85kHz Výstupní výkon 28W/8ohm, 52W/4ohm THD při 26,5W/6,8ohm, 100Hz 10kHz lepší než 0,01% IMD 19kHz+20kHz, 38Vpp, 6.8ohm 0,005% IMD 250Hz+8kHz, 38Vpp, 6.8ohm 0,0075% Pavel Macura, 8/2014 Literatura [1] Project 60 Sinclair, Manual [2] Dale, R.: The Sinclair Story [3] Self, D.: Audio Power Amplifier Design Handbook, 4 th edition, Newnes 2008 [4] Project 60 firmy Sinclair, Hudba a Zvuk, 7/1971