Elektronkový zesilovač Balcony35

balkon

Tento projekt je pokusem o jednoduchý zesilovač vhodný pro začátečníky. Slovo jednoduchý je třeba chápat v kontextu. Během vývoje tohoto kousku jsem vždy při návrhu jednotlivých částí zvažoval i složitost a snažil se najít nejjednodušší uspokojivě fungující řešení. I slovo začátečník je třeba chápat v kontextu. Pro schopného bastliče polovodičových přístrojů tohle může být první lampový projekt. Pro někoho, kdo nikdy nic nepostavil, by to asi bylo příliš složité.

Nenechte se zmást obsáhlostí tohoto článku. V žádném případě to není vyčerpávající návod na stavbu zesilovače. Ale můžete to brát jako inspiraci. Nic neberte jako dogma. Experimentujte!

Jenom Kretén by postavil audio zesilovač z elektronek pro řádkové vychylování. Jenom KRETÉN by po letech znovu postavil audio zesilovač z elektronek pro řádkové vychylování.

Ano, tento projekt je pro mě návratem k elektronkám PL504. Ve všech ostatních ukazatelích je to ale cesta vpřed.

Mají tedy tyto elektronky nějaké výhody? No, moc jich není, ale pár ano. Lze je koupit výrazně levněji ve srovnání s jinými typy stejného výkonu. Mají moderní celoskleněnou konstrukci. Pracují s malým anodovým napětím. Jejich velkou nevýhodou je samozřejmě anoda vyvedená na čepičce. U zesilovače tohoto typu chcete, aby elektronky byly vidět, ale tady potřebujete nahoře zapojit dráty. Tohle jsem nakonec vyřešil stříškou, která kryje vršky lamp a která dala zesilovači název. Číslo 35 v názvu znamená výstupní výkon. Je to ale teoretická hodnota. Zesilovač ve skutečnosti dodá výkon pouze asi 30 Wattů.

Všechny mé předchozí výkonové zesilovače měly napájecí a výstupní transformátory navinuté na EI jádrech. Zpočátku jsem si je navíjel sám. Jak mě ale přemáhala lenost, nechával jsem si je navíjet na zakázku. A odtud je už jenom krůček k toroidům.

Poprvé jsem také vyzkoušel ultra-lineární zapojení. Paradoxně ani ne tak kvůli linearizaci charakteristiky koncového stupně. Elegantně jsem tím vyřešil další věci. Návrh koncového stupně jsem dlouho a pečlivě propracovával. A z charakteristik PL504 jsem vyvodil zajímavý závěr. Pokud se elektronka v pentodovém zapojení hodně otevře a tedy klesne napětí na anodě až na zhruba 35 V, proud stínící mřížkou roste a je potřeba jej nějak omezit. Bylo by možné dodávat stínícím mřížkám nižší napětí ze samostatné větve napájecího zdroje. Nebo by bylo možné omezit proud vřazeným odporem. První řešení je konstrukčně složité a to druhé zbytečně mění energii v teplo. Odbočky na výstupním transformátoru při poklesu napětí na anodách to elegantně řeší. A navíc i proud stínících mřížek se využije. U ultra-lineárního zapojení je silně diskutovaným tématem, v jakém poměru počtu závitů má být vyvedena odbočka pro stínící mřížky. Já jsem prostě potřeboval snížit napětí na stínících mřížkách a odbočku jsem zvolil podle toho. To bychom tedy měli jednu lokální zpětnou vazbu.

Rovněž jsem poprvé vyzkoušel katodovou zpětnou vazbu v koncovém stupni. Abych co nejvíce zjednodušil výstupní transformátor, navrhl jsem symetrické výstupní vinutí s uzemněným středem. Kraje vinutí tvoří výstup zesilovače pro reproduktory a zároveň slouží zavedení zpětné vazby. Jako výstup pro sluchátka, pro celkovou zpětnou vazbu a pro indikátor vybuzení je použita jedna polovina tohoto vinutí proti zemi. I tady se velikost zpětné vazby vyřešila sama. Je dána zvolenou impedancí výstupu (8 ohmů). To bychom tedy měli druhou lokální zpětnou vazbu. Víc už jich v koncovém stupni není.

Tento zesilovač jsem osadil indikátorem vybuzení vlastní konstrukce. Existují integrované obvody určené do indikátorů vybuzení. Ale zjistil jsem, že nejjednodušší a nejlevnější je použít mikroprocesor. S jedním procesorem PIC16F1827 jsem vyrobil stereo indikátor vybuzení, který kromě okamžité úrovně zobrazuje i špičky signálu.

Popis konstrukce

Konstrukce zesilovače je modulární. Vzhledem k tomu, že je pro mě poměrně jednoduché doma vyrábět plošné spoje, je zesilovač postaven na nich. Na druhou stranu ale není výhodné mít celé zapojení na jedné desce. Zesilovač je proto rozdělen na několik částí na samostatných deskách plošných spojů:

  • 1x deska regulátoru hlasitosti
  • 2x deska předzesilovače, obraceče fáze a budiče koncového stupně
  • 2x deska koncového stupně
  • 2x deska výstupu pro reproduktor
  • 1x deska výstupu pro sluchátka
  • 1x deska zdroje žhavících a pomocných napětí
  • 1x deska anodového a mřížkového napětí
  • 1x deska indikátoru vybuzení - procesor
  • 1x deska indikátoru vybuzení - LED

Deska regulátoru hlasitosti

Spíše destička. Je na ní umístěn tandemový potenciometr k regulaci hlasitosti a dva trimry, kterými je možno pro jednotlivé kanály nastavit vstupní citlivost.

Deska předzesilovače, obraceče fáze a budiče koncového stupně

preamplifier

Na této desce jsou umístěny elektronky ECC83 a ECC82. Zapojení jsem s drobnými úpravami převzal z předchozího zesilovače s GU50. Jeden systém elektronky ECC83 tvoří vstupní předzesilovač. Trimr P1 slouží k nastavení pracovního bodu tohoto systému, trimr P2 k nastavení velikosti celkové zpětné vazby zesilovače, která je zavedena ze sekundárního vinutí výstupního transformátoru do katody. Anodové napětí tohoto stupně je nízké, aby mohl být přímo vázán na obraceč fáze. Odpor R6 a kondenzátor C3 omezují horní kmitočet tohoto stupně. Osaďte je pouze v případě, že by měl zesilovač sklon k oscilacím. Obraceč fáze je tvořen druhým systémem elektronky ECC83. Je použito zapojení s rozdělenou zátěží. Za obracečem následuje budič koncového stupně, kde každá jeho větev je tvořena jedním systémem elektronky ECC82. Oba systémy mají společný katodový odpor R12, který vytváří vzájemnou vazbu k zajištění symetrie výstupních signálů. K navázání obraceče fáze na budiče a navázání budičů na koncový stupeň jsou použity kapacity 1 uF aby nebylo pochyb o tom, že zesilovač bude dobře přenášet basy.

Deska koncového stupně

final stage

Na této desce jsou umístěny koncové elektronky a síť odporů a trimrů, která slouží k zavedení záporného mřížkového předpětí a tím k nastavení klidových proudů elektronek. Trimry k nastavení předpětí jsou dva. Trimr P2 slouží k společnému nastavení předpětí pro obě větve a trimrem P1 se nastavuje symetrie. Odpory R5 a R6 umožňují lépe využít dráhu trimru P1 a v kombinaci s odpory R2 a R3 tvoří napěťové děliče určující minimální a maximální nastavitelné napětí. Elektronky, které jsem získal, měly dost velký rozptyl parametrů. U jednoho páru jsem musel hodnoty odporů R5 a R6 zvýšit na 10k, abych mohl nastavit správný klidový proud. Z desky výstupu pro reproduktor jsou přivedeny konce sekundárního vinutí zapojené do katodových obvodů. Katody koncových elektronek jsou připojeny přes odpory 4,7 ohmů, u kterých jsou vyvedeny měřící body pro nastavení klidových proudů. Na schématu je také zobrazeno zapojení výstupního transformátoru s vyznačenou polaritou vinutí.

Deska výstupu pro reproduktor

Na tuto desku je připojeno sekundární vinutí výstupního transformátoru a je přes ní propojeno na desku koncového stupně. Je na ní umístěno relé, které přepíná výstup do reproduktorů. Pokud není relé napájeno, je výstup pro reproduktor spojen s externím vstupem. Při vybuzení relé se výstup pro reproduktor připojí na sekundární vinutí výstupního transformátoru. Dále je zde odporový dělič, ze kterého je vyveden výstup pro sluchátka.

Deska výstupu pro sluchátka

Na této desce je umístěn konektor pro sluchátka a relé, která spínají výstup pro sluchátka. Je zde také rozvedeno napětí 12,6 V pro ovládání relé. Výstup pro sluchátka je připojen přes rozpínací kontakty relé.

Deska zdroje žhavicích a pomocných napětí

Na tuto desku je připojeno žhavicí vinutí napájecího transformátoru, které je symetrické, 2 × 14 V. Kraje vinutí jsou vyvedeny přes NTC odpory pro žhavení koncových elektronek, které je 27,5 V. Pro žhavení malých elektronek a napájení relé a indikátoru vybuzení je vstupní napětí dvoucestně usměrněno a stabilizováno na hodnotu 12,6 V. Stabilizátor napětí je připevněný na chladiči vyrobeném z hliníkového plechu. Jeho tvar jsem přizpůsobil volnému místu uvnitř zesilovače.

Deska zdroje anodového a mřížkového napětí

power supply

Na této desce jsou umístěny dva samostatné napájecí zdroje. Zdroj anodového napětí je stabilizovaný. Jeho výstupní napětí je zhruba 270 V. Stabilizace je velmi účinný způsob, jak potlačit brum způsobený zvlněním anodového napětí. Polovodičový stabilizátor má sice ztráty, ale je výrazně menší, lehčí a levnější než tlumivka. Každý kanál zesilovače má samostatně jištěný výstup anodového napětí pro koncový stupeň a za samostatným eliminátorem zdroj anodového napětí pro desku předzesilovače, obraceče fáze a budiče koncového stupně. Druhým zdrojem je zdroj záporného mřížkového předpětí. Oba zdroje mají společnou zem. Výkonový tranzistor je připevněný na chladiči vyrobeném z hliníkového plechu. Jeho tvar jsem přizpůsobil volnému místu uvnitř zesilovače.

Desky indikátoru vybuzení

vu meter

Indikátor vybuzení je rozdělen na dvě desky umístěné nad sebou stranou spojů k sobě a spojené drátovými propojkami. Toto rozdělení bylo vynuceno omezeným prostorem předního panelu. Na procesorové desce jsou umístěny vstupní obvody a procesor. LED diody jsou na samostatné desce. Každý kanál je připojen na jeden z analogových vstupů procesoru přes emitorový sledovač s PNP tranzistorem. Ten je v klidu otevřen a signálem se uzavírá. Toto řešení umožňuje zobrazovat i malé úrovně signálu. LED jsou připojeny v matici 6 × 4. Při inicializaci proběhne jedno měření obou vstupů a tyto naměřené hodnoty jsou uloženy a potom za běhu odečítány od aktuálně naměřených hodnot. Předpokládá se, že v okamžiku zapnutí není na výstupu signál. Kupodivu to funguje velmi dobře. Zpracování probíhá v přerušení s periodou 2 ms. Proběhne měření úrovní obou kanálů, přepočet na počet rozsvícených LED a rozsvícení vždy jedné čtvrtiny matice. Pro přepočet je použita tabulka. Toto řešení umožňuje jednoduchým způsobem zvolit prahové hodnoty pro rozsvícení jednotlivých LED.

Napájecí transformátor

Ten bylo snadné navrhnout (hodnoty napětí jsou uváděny při zátěži):

  • primár 230V
  • 1. sekundár 14V/2A
  • 2. sekundár 14V/2A
  • 3. sekundár 210V/0.5A
  • 4. sekundár 50V/0.1A

Výstupní transformátory

Při návrhu jsem laicky vyšel z toho, že by výstupní transformátory měly být stejně velké jako napájecí transformátor kvůli mechanické konstrukci. Následné výpočty a potom měření hotového zesilovače tento předpoklad potvrdily. Jádro je dostatečně veliké na to, aby pracovalo na plném výkonu, který je koncový stupeň schopný dodat, bez zkreslení od kmitočtu 16 Hz. Horní kmitočet je někde daleko za hranicí slyšitelného pásma. Měřil jsem do 25 kHz a tam jsem ještě nezaznamenal výrazný pokles. Napájecí i výstupní transformátory jsem si nechal navinout ve firmě JK-ELTRA. Návrh vinutí jsem s panem Kyprým z této firmy pečlivě konzultoval. Hledal jsme kompromis, který by byl jednoduchý na výrobu, a přitom měl dobré vlastnosti. Chtěl jsem, aby obě větve primárního vinutí měly pokud možno stejnou délku drátu. Zároveň musí být od sebe jejich konce dobře izolovány. Po několika e-mailech a telefonátech nakonec vzniklo následující řešení:

  • 1. vinutí - 920 závitů, průměr drátu 0.315 mm
  • 2. vinutí - 920 závitů, průměr drátu 0.315 mm
  • 3. vinutí - 2 × 280 závitů, průměr drátu 0.315 mm
  • 4. vinutí - 2 × 70 závitů, průměr drátu 1.5 mm

Jednotlivá vinutí jsou oddělena vrstvami izolace. První a druhé vinutí tvoří konce primáru. Jsou navinuta na sobě, díky tomu je rozdíl v délce drátu a tedy ve stejnosměrném odporu vinutí minimální. Třetí vinutí tvoří střed primáru s odbočkami pro stínící mřížky. Kdo by to byl řekl, ale čtvrté vinutí je sekundár.

Mechanická konstrukce

Šasi je vyrobeno z ocelového plechu tloušťky 1,5 mm. Samotné šasi váží více než 4 kg. Ale je to potřeba. Celý zesilovač váží zhruba 15,5 kg. Zadní prostor šasi je od předního oddělený přepážkou, na které jsou připevněny transformátory. K přepážce jsou přivařeny matky M8. Do nich se po vložení transformátorů a gumových podložek na místo našroubují kousky závitové tyče. Na ty se potom nasadí gumové podložky, přítlačné talíře a zajistí matkou.

wiring

Všechny desky plošných spojů kromě destičky regulátoru hlasitosti jsou k šasi připevněny pomocí kovových distančních sloupků. Sloupky pro uchycení desek koncového stupně a výstupu pro sluchátka mají délku 15 mm, ostatní 10 mm. Díky tomu jsou patice elektronek PL504 více utopené. Je zde dobré připomenout, že všechny patice elektronek jsou umístěny ze strany spojů. Při montáži je třeba zajistit, aby se země plošných spojů nedotýkaly distančních sloupků. Je vhodné použít papírové izolační podložky. Jediným místem, kde je šasi spojeno se zemí zesilovače, je destička regulátoru hlasitosti. Z ní je vedený drát uchycený přes vějířovou podložku pod šroubem indikátoru vybuzení. Zemnící vodič napájení je spolu se stíněním napájecího transformátoru připojen na šasi přes vějířovou podložku pod jedním ze šroubů, které drží napájecí konektor.

Jednotlivé moduly zesilovače jsou propojeny ohebnými vodiči. Všechny spoje jsou pájené. Na vývody transformátorů jsou připájeny kusy vodičů a izolovány tepelně smršťovací bužírkou. Takto jsou spojena jednotlivá primární vinutí výstupních transformátorů do jednoho vinutí s odbočkami. Na sekundární vinutí jsou kromě vodičů pro připojení k desce výstupu pro reproduktor připájeny ještě dva stíněné kabely pro připojení indikátoru vybuzení a pro zavedení zpětné vazby do vstupu zesilovače. Rovněž vstupní signál a signál pro sluchátka je veden stíněným kabelem. Střídavé žhavení koncových elektronek je vedeno zkroucenými vodiči pro minimalizaci brumu.

wiring

Dokumentace k projektu je ke stažení ZDE

P15/1, K15 - prosinec 2006, naposledy aktualizováno: září 2015