Zesilovač s GU-50

Nenechte se zmást změtí minulého, přítomného a budoucího času v následujícím textu. Jak vidíte na obrázcích, zesilovač už je hotový. Níže je popsána jeho geneze:

Po několika letech bezporuchového provozu prvního lampového zesilovače s PL500 jsem znovu dostal roupy. Podařilo se mi sehnat několik kousků GU-50 a hodlám z nich vyrobit zesilovač cca. 2x100 W - na rozdíl od EL34 by se mohl podařit takový výkon dosáhnout rozumně už s jedním párem - mají povolený anodový proud přes 200 mA, což je zhruba dvojnásobek.

Tenhle projekt si vychutnám. Hodlám se nechat inspirovat bulharskými inovátory, kteří dělají takový zesilovač za zhruba jedenáct kiloeuro. Jejich projekt mě zaujal v několika směrech:

- používají magická oka jako indikátory vybuzení. Nadělá se s nimi spousta parády a co si budeme namlouvat, o to hlavně jde. Po zkušenostech s ručičkovými indikátory u prvního zesilovače musím přiznat, že když se už konečně začnou ručičky trochu hýbat, drnčí zároveň okenní tabule.

- používají spínaný zdroj. To by mohla být obrovská výhoda v boji proti brumu a snadněji by se vyrábělo i stejnosměrné vyhlazené a stabilizované žhavící napětí.

- používají lampy GU-19 a já nechápu proč. Podle mě hlavně kvůli jejich netradičnímu vzhledu - vybudit GU padesátky by podle mě mělo jít např. i s ECC82.

Lampy GU-50 jsem koupil na inzerát a na Internetu koukám, že se docela často objevují. Patice prodávají v GESu. Originální držáky - "popelnice" se mi ale sehnat nepodařilo. Nechal jsem si tedy u pana Lukáše vyrobit držáky z duralu - s největší pravděpodobností budou vypadat dokonce líp než originály, které si na vzhled moc nepotrpěly. Viděl jsem i zesilovače, kde byly lampy jenom v soklech bez držáků, nebo dokonce bez hliníkových kloboučků, ale to mě moc nenadchlo.

Projekt stowattové kytarové hlavy se 4xEL34 mě poučil co se týče mechanické konstrukce. Tam jsem měl celý koncák na jednom tišťáku. I sokly pro EL34 byly přidělané do tišťáku a pájecí oka soklů byly na tišťák propojeny krátkými propojkami. Vznikl velký tišťák, ne moc efektivně využitý. Dospěl jsem proto k závěru, že nejlepší řešení bude malé lampy spolu s ostatními součástkami umístit na plošný spoj - sokly lamp ze strany spojů - ale GU-50 dát mimo tišťák.

to be continued...

...the story continues:

Evoluce indikátorů vybuzení

Dlouho jsem váhal jestli použít ručičkové indikátory, magická oka nebo LEDky. Ale nakonec jsem se rozhodl vyrobit indikátory s LED diodami. Bude to sice lampový, ale moderní zesilovač. Obrovskou výhodou bude logaritmické zobrazení. Zapojení je klasické, s integrovaným obvodem LM3915 . Použil jsem vysokosvítící diody - 7 modrých a 3 rudé. Při nominálních 20 mA svítily tak, že od nich na metr bolely oči, musel jsem je ztlumit tak na 3 mA.

I přesto byl jas v šeru příliš veliký. Inspirace přišla od Nejvyššího - sláva mu! Poradil mi, abych jas řídil fotoodporem, což se nakonec ukázalo jako poměrně snadné. Pin 8 obvodu LM3915 jsem spojil s kostrou a k odporu R3 s hodnotou 1k2 jsem do série přidal fotoodpor, který má na světle odpor asi 50 ohmů a ve tmě kolem 500 k. Respektive fotoodpor bude jedním vývodem připojený na zem a bude společný pro oba indikátory. Regulace jasu je poměrně výrazná. Ve tmě bych raději ztlumil jas ještě víc ale bohužel to nejde - LEDky svítí dost i pokud se R3 úplně vynechá. Takže jsem přikročil k další úpravě. Problém je v tom, že proud do LEDek je odvozen od proudu, který je odebírán z referenčního zdroje, na který je normálně připojena odporová kaskáda komparátorů. V datasheetu od výrobce je navrženo zesílení referenčního napětí operačním zesilovačem - tím se proudově odlehčí zdroji referenčního napětí a LEDky mohou být buzeny menším proudem. Já jsem objevil jednodušší řešení - odporovou síť napájím z externího stabilizátoru a vnitřní zdroj referenčního napětí slouží pouze k určení proudu do LEDek.

Původně jsem uvažoval, že indikátor bude mít 7 modrých LEDek a 3 červené. Od K1 jsem však dostal bílé LEDky s pokynem, abych jednu z červených na pozici 0 dB nahradil bílou.

Praktické testy indikátoru odhalily jeden obrovský nedostatek. Budící signál je přiveden na trimr, za ním je usměrňovací dioda, odpor a kondenzátor. Měl jsem snahu rychle nabíjet kondenzátor a nechat ho pomalu vybílet do odporu. Indikátor by se při špičce signálu rychle rozsvítil a pomalu zhasínal. Ukázalo se ale, že úbytek napětí na diodě velmi výrazně zkresluje přesnost zobrazení úrovně signálu. Použil jsem Schottky diodu a přesunul jsem jí před trimr, ale výrazněji to nepomohlo. Vliv diody je dobře vidět na následujícím grafu:

Z grafu je patrné, že při usměrnění signálu je k vybuzení první LEDky indikátoru potřeba vyšší výkon, než k vybuzení prvních třech LEDek bez usměrnění. Když pominu přesnost zobrazení a postavím se k tomu jako polokretén, tak chci, aby kromě hraní na mě zesilovač taky trochu blikal. Tahle výše popsaná deformace charakteristiky zobrazení má ale za důsledek skutečnost, že při normální hlasitosti, která nejlépe vyhovuje poslechu, neblikne ani jedna LEDka. K rozblikání indikátoru je potřeba zvýšit hlasitost a dát si špunty do uší.

Vyřešil jsem to nejjednodušším možným způsobem - diodu, odpor a kondenzátor na vstupu LM3915 jsem vyhodil, zůstal tam jen trimr pro regulaci citlivosti (vzhledem k tomu, že referenční napětí pro komparátory je konstantních 5 V ze stabilizátoru). Dalšího zvýšení citlivosti jsem dosáhl tím, že hodnotu 0 dB jsem nastavil na deváté LEDce, místo původně osmé. Hodnoty jsou vztaženy k výkonu 50 W. (tento článek není psaný chronologicky, takže dále se dočtete jiná čísla. Výstupní výkon jsem měřil několikrát a přesto že si nejsem vědom, kde jsem mohl udělat chybu, dostával jsem docela rozdílné výsledky. Faktem je, že zesilovač i v tom nejhorším případě zvládal dodat do beden přes 60 W, než začínala být na osciloskopu viditelná limitace. Proto jsem se rozhodl, že jeho nominální výkon bude 50 W).

Toto řešení mi ovšem K1 zakázal. Nařídil mi signál usměrnit a použít integrační článek. Byl jsem nucen použít zapojení z datasheetu LM3915 s PNP emitorovým sledovačem. Tohle zapojení fungovalo jak z praku, takže jsem ho vetknul do zesilovače. Ale ouha! Po zahřátí se posunul pracovní bod a první LEDka zůstávala rozsvícená. Musel jsem do báze tranzistoru zařadit ještě jednu diodu, která celé zapojení velmi účinně teplotně kompenzuje.

Potenciometr na dálkové ovládání

To je třešnička na dortíčku, popsaná zde. Bohužel to má ještě svoje mouchy. Při delším provozu se šasi v blízkosti IP přijímače ohřeje přes 40°C. Při této teplotě přijímač není už schopen přijímat signál. Je tedy třeba si hlasitost rozmyslet a nastavit, dokud je zesilovač studený, aby Kretén nemusel vstávat z pohovky :-)

Slepá ulička

No, zesilovač stále ještě není hotový. Postavil jsem prototyp koncového stupně a předzesilovače. V zapojení není žádná nová myšlenka - co taky vymyslet nového když v tomto oboru bylo už všechno tisíckrát vyzkoušeno! Pokusy na zlepšení, a že jsem jich pár udělal, vždycky končily ve slepé uličce. Například jsem měl pocit, že bych regulátor hlasitosti vřadil mezi předzesilovač a obraceč fáze. Jenomže to zapojení nemá moc velkou rezervu v zesílení, vřazený potenciometr mi snížil zatěžovací impedanci předzesilovače a byl jsem namydlenej... Navíc to vyžadovalo ještě jeden vazební kondenzátor navíc - na vstupu obraceče. Tady alespoň přináším zapojení a návrhy tišťáků. Překvapilo mě, jako malé to nakonec vyšlo. Na tišák budiče koncového stupně není přivedeno napětí stínících mřížek koncových elektronek - není tam potřeba, bude připojeno na jejich sokly přímo ze zdroje.

Co se týče zdroje - touha po spínaném zdroji už mě přešla. Postavil jsem asi tři, možná čtyři kousky, vyzkoušel různé typy zapojení... Nebyl jsem schopen vyrobit zdroj, který by dal alespoň 300 W a pasivně se uchladil. Tedy bez toho, aby byl přidělaný na chladič větší, než kolik jsem byl ochoten připustit. Co horšího, zapojení zdroje bylo výrazně složitější než zapojení zesilovače. Obávám se, že spínaný zdroj by byl co do spolehlivosti nejslabším článkem. Takže zdroj bude klasický. Pokusy s koncovým stupněm ukázaly, že k dosažení výstupního výkonu alespoň 50 W bude potřeba anodové napětí na GU-50 minimálně 450 V. Zbytku zesilovače bude stačit míň, počítám tak 300 V. Stínící mřížky GU-50 by měly mít stabilizovaných 250 V. No a potom ještě tak -100 V na předpětí mřížek a 12,6 V na žhavení. GU-50 budu žhavit střídavým napětím, malé lampy usměrněným stabilizovaným a vyhlazeným napětím. Ve zdroji počítám s nějakou mírnou inteligencí - zpožděné zapnutí anodového napětí až po nažhavení a jeho odpojení v případě ztráty jiných napětí (hlavně mřížkového předpětí).

Poučení

Výše popsaný prototyp jsem postavil v roce 2008. Ale nějak mi řadu měsíců ležel na stole, tišťáky pospojované chuchvalcem drátů. Teď (únor 2010) jsem se na to znovu vrhnul a zjistil jsem několik zásadních nedostatků. Když to vezmu od vstupu k výstupu:

Je blbost použít u vstupní lampy každý systém pro jiný kanál. Přeslech mezi kanály je dost velký - jeden kanál jsem vybudil, vstup druhého jsem uzemnil a odstup, který jsem naměřil byl asi jenom 43 dB.

Obraceč fáze na principu páru triod se společným katodovým odporem (long tail pair) má sice výhodu, že zároveň i zesiluje, ale výstupní signály nemají z principu stejnou amplitudu. Je potřeba symetrizovat výstupy použitím různých anodových odporů a nastavit symetrii nejlépe změnou velikosti společného katodového odporu. Docela jsem tu problematiku rozpracoval a dobral se i nějakých vypočtených hodnot. Nastavení symetrie je ale závislé na zesilení elektronky, které se může časem nebo výměnou změnit. I tak je dosažitelná amplituda výstupního signálu nižší, než u normálního zesilovacího stupně.

Druhá varianta

Poučen negativními zkušenostmi jsem dospěl k zapojení zesilovače, který jak jsem se dočetl, byl dnes již dědečkem všech elektronkových audiozesilovačů nové generace - zesilovač pana Williamsona z roku 1948. Tedy:

Vstupní elektronka pracuje v zapojení s nepřemostěným katodovým odporem - to snižuje zesílení, které by jinak u ECC83 bylo s ohledem na buzení dalšího stupně příliš velké a zároveň snižuje zkreslení. Její anoda je navázána přímo na mřížku dalšího stupně - invertoru s rozdělenou zátěží. Kvůli přizpůsobení pracovních bodů je potřeba výrazně snížit napájecí napětí vstupní elektronky - na pouhých 100 V. Získali jsme ale obrovskou výhodu, totiž ušetřili jsme jeden vazební kondenzátor.

Invertor je velice jednoduchý. Je potřeba pouze dodržet správné nastavení pracovního bodu, které je dáno nastavením předchozího stupně. Pokud bude napětí na mřížce invertoru příliš velké, elektronka bude trvale naplno otevřena a poteče jí mřížkový proud. Viditelným výsledkem bude, že horní větev invertoru bude dávat výrazně slabší a zkreslený signál. Změnou velikosti katodového odporu vstupní elektronky jsem nastavil pracovní body tak, aby z invertoru lezl symetrický signál bez pozorovatelného zkreslení s co největší amplitudou.

Následuje budící stupeň koncových lamp, vytvořený elektronkou ECC82. Její oba systémy jsou buzeny zrcadlovým signálem z invertoru. Mělo by tedy platit, že součet anodových (tedy i katodových) proudů je konstantní. Oba systémy mají společný katodový odpor bez přemostění kondenzátorem. To pomáhá udrřet symetrický signál. Pokud by se vyskytla nesymetrie, např. vlivem rozdílného zesílení jednotlivých triod, změna součtu anodových proudů vyvolá změnu napětí na společném katodovém odporu a tedy zápornou proudovou zpětnou vazbu.

Popisované zapojení má od vstupu k výstupům pro buzení koncových elektronek zesílení zhruba 52 dB. Bez viditelného zkreslení (to znamená bez pozorovatelných deformací sinusového signálu na osciloskopu) lze dosáhnout rozkmitu výstupního signálu přes 150 Všš. A to všechno platí v kmitočtovém rozsahu 5 Hz - 100 kHz!

Taky se mi podařilo získat datasheet od GU50 a přehodnotil jsem výkon zesilovače. Při napájení koncového stupně 640 V 300 V stabilizovaných pro stínící mřížky a 320 V pro budící zesilovač by mělo jít z páru GU50 vyždímat 100 W. Uvidíme...

Konstrukce

Poznámky ke konstrukci:

Kondenzátor C3 a odpor R5 jsem zatím neosazoval. Měly by udržet stabilitu zesilovače na vysokých kmitočtech, ale zesilovač zatím nejeví žádné sklony ke kmitání. Začne to být aktuální, až připojím koncový stupeň a zavedu zpětnou vazbu. Aktualizováno: Začalo to být aktuální. Při zavedení silnější zpětné vazby začínal zesilovač zakmitávat. Víceméně na základě experimentů jsem nakonec použil R5 s hodnotou 10 kiloohmů a C3 100 pF.

Katodové odpory R3 a R12 jsem při oživování nahradil trimry a nastavil pracovní body na hodnoty uvedené ve schématu.

Srážecí odpory a filtrační kondenzátory pro vytvoření napájecích napětí jednotlivých stupňů se mi podařilo vměstnat přímo na tišťák zesilovače. To výrazným způsobem zjednoduší zdroj.

Chuchvalec odporů kolem trimrů tvoří napěťové děliče mřížkového předpětí, které umožňují lépe využít při nastavování rozsah trimrů. Jedním trimrem se nastavuje součet klidových proudů obou větví a druhým trimrem se nastavuje symetrie. Pokud by došlo k přerušení na některém z trimrů, předpětí vzroste a lampy se zavřou. Podobný význam mají i 1k odpory paralelně k pojistkám. Pokud shoří pojistka vlivem přetížení, úbytek napětí na odporu zvýší předpětí a lampu zavře. Pokud by ovšem v lampě nastal zkrat, tenhle odpůrek shoří.

obrázek:

deformace průběhu za invertorem při špatném nastavení pracovního bodu. Analogová varianta generátoru průběhu zvaného ňadra, vytvořeného na zakázku pro K1 (viz. generátor)

Tak tady jsem se zase zarazil. Je přede mnou úkol navinout napájecí a výstupní trafa a to je činnost, ke které se vždycky musím dlouho přemlouvat...

... a nepřemluvil. Zbaběle jsem si trafa nechal navinout v TBP Blatná. Tomu ale předcházelo dlouhé laborování, při kterém jsem mimo jiné zjistil, že v datasheetu ke GU50 je chyba u zatěžovací impedance koncového stupně zrovna v tom sloupci, který mě zajímal. Na pokusy jsem použil napájecí trafo ze staré rozhlasové ústředny, které mělo dvojité vinutí pro anodové napětí 2x500 V. Na něj jsem připojil anody a jako sekundár jsem použil primární vinutí 220 V, zatížené infrazářičem v sérii s několika výkonovými odpory - co dům dal. Z páru lamp, které ovšem nejsou nové, jsem vyždímal 90 W, měřeno na primáru. K tomuto účelu jsem si vyrobil odporový dělič 1:100, sériovým spojením asi deseti odporů. Je potřeba dodržet povolené napětí odporů! Nakonec jsem se dobral zatěžovací impedance Raa zhruba 6750 ohmů. Musel jsem udělat drobný kompromis, aby se mi vinutí vešlo do trafa.

Tady je tedy navíjecí předpis pro napájecí a výstupní trafa.

pár obrázků:

průběhy napětí na katodových odporech koncového stupně. Růžová křivka je jejich matematickým rozdílem.

průběh napětí na anodě a na katodovém odporu koncové lampy. Anodové napětí je měřeno na děliči 1:100. Pokud máte svůj osciloskop rádi, anodám se sondou zdaleka vyhněte.

Napájecí zdroj

Napájecí zdroj dává následující napětí:

+650 V anodové napětí koncových elektronek
+300 V napětí stínících mřížek koncových elektronek a anodové napětí budících stupňů
-100 V předpětí řídících mřížek koncových elektronek
+12,6 V žhavicí napětí pro ECC83, ECC82
~12,6 V žhavicí napětí pro GU50
+18 V napájení indikátorů vybuzení a IR regulátoru hlasitosti

Zdroj anodových napětí je napájený symetrickým vinutím 2x250 V. Vypadá to jako symetrický zdroj, ale jako společný je použitý záporný vývod. Na vstupu zdroje jsou dva výkonové triaky, ovládané pomocí optotriaků se spínáním v nule. Ovládací napětí pro ně vytváří zpožďovací obvod s 555 napájený ze žhavícího napětí se zpožděním zhruba 30 s. Místo odporů R1 a R6 ve zdroji anodových napětí, které omezují nabíjecí proud kondenzátorů při zapnutí jsem použil varistory ze spínaných napájecích zdrojů do PC, které mají za studena odpor asi 6 ohmů. Zdroj tedy dává napětí zhruba 325 a 650 V. Těch 650 V je nestabilizovaných vedeno na středy anodových vinutí výstupních transformátorů. Napětí 325 V je vedeno do dvou samostatných stabilizátorů s fold-back charakteristikou (samostatný pro každý kanál). Tyhle stabilizátory drží maximálních 300 V povolených pro stínící mřížky a zároveň omezují proud, aby nedošlo k překročení povolené ztráty těchto mřížek. Tímto napětím jsou napájené i anody předchozích stupňů, ale jejich proudový odběr je výrazně menší. To je drobná změna, původně jsem uvažoval o napájení pro budič 320 V, ale 20 V rozdíl nehraje roli a výrazně jsem díky tomuto řešení zdroj zjednodušil.

Na samostatném tišťáku je postavený zdroj +12,6 V a -100 V. Pro žhavící napětí malých lamp jsem použil také stabilizátor s fold-back charakteristikou. Jinak by proudový náraz do studených žhavících vláken byl obrovský. Vlákna se při zapnutí zhruba na sekundu rozsvítila do žluta. Jednak jsem se o ně opravdu bál a druhak to nevypadalo hezky. Na tomto tišťáku, jak už jsem zmínil je i časovač pro zpožděné zapnutí anodových napětí.

Rozměry tišťáků jsem volil tak, aby se vešly do šasi mezi transformátory - rozteč děr na uchycení odpovídá rozteči děr na jádře EI120.

Zpětná vazba

O zpětné vazbě by se asi dalo dlouze polemizovat. Já jsem zvolil celkovou zpětnou vazbu ze sekundárního vinutí do katody vstupní elektronky. Nepřemostěné katodové odpory dále zavádějí místní zpětné vazby v jednotlivých stupních. Před zapojením zpětné vazby vřele doporučuji ověřit fázi signálu osciloskopem. Zpětovazební signál musí být v tomto případě ve fázi s budícím signálem. Po zapojení trimru do obvodu zpětné vazby a jejím postupném zesilování se v určitém okamžiku objevily zákmity na sestupných hranách sinusovky. Tento jev jsem pozoroval už při oživování svého prvního lampového zesilovače s PL500. Tehdy jsem to vyřešil víceméně pokusně, bez hlubších znalostí a větších zkušeností, změnou velikosti odporů ve stínících mřížkách koncových pentod. Tady jednak tyhle odpory nemám, ale hlavně jsem se poučil a vyřešil to kompenzací v anodě vstupní elektronky pomocí RC článku R5-C3. Cílem bylo dostat se s rezervou do stavu, kdy budu schopen velikostí zpětné vazby snížit zesílení natolik, abych na vstup zesilovače mohl přivést signál z CD přehrávače, který má rozkmit zhruba 2,88 Vpp (1 Vrms). Při dalším zesilování zpětné vazby se v určitém okamžiku zesilovač rozkmital někde v nadzvukovém pásmu a anody se rozžhavily do ruda, ale lampy to vydržely. Být to tranzistory tak nevím, nevím... Našel jsem s rezervou minimální hodnotu vazebního odporu zhruba 15 kiloohmů - tedy opravená hodnota R6, P1 bude lépe použít 50 kiloohmů.

vznik oscilací způsobený příliš silnou zpětnou vazbou

příště asi přijde na řadu šasi...

Šasi

Je to klasická plechová krabice, dole otevřená. K výrobě jsem použil plech tloušťky 1,5 mm - přeci jenom to celé bude mít přes 15 kg. Nakreslil jsem si na počítači výkres a původně jsem uvažoval, že si šasi nechám vyřezat. Ale byla sobota odpoledne, tak jsem se z nedočkavosti pustil do výroby. Několik dní jsem rýsoval na plech, vrtal, stříhal, řezal, piloval, ohýbal, svářel a brousil. Tento postup jsem následně konzultoval s K1 a vyplynulo následující nařízení: Pokud by zesilovač někdy vyráběl číslovaný Kretén, je povinnen šasi vyrobit ručně. Jakákoli automatizace tohoto procesu není dovolena. Při porušení tohoto nařízení nebude Kreténovi výroba zesilovače uznána jako Kreténský čin.

Tak. Takhle jsem o pár týdnů dříve machroval. Faktem ale je, že po domácku vyřezané a ve svěráku naohýbané šasi bylo docela křivé. Kduž jsem si nechal vygravírovat nádherný přední panel a přiložil ho na to socka šasi, bylo rozhodnuto. Nechal jsem si vyřezat nové plazmovým hořákem a naohýbat na ohýbačce. Zároveň jsem provedl pár drobných úprav - přidal větrací otvory kolem koncových lamp, koncové lampy posunul trochu dopředu a otočil je o 180°. Šasi jsem nechal nastříkat černou matnou práškovou vypalovací barvou.

Protržení cílové pásky

Je 7.listopadu 2010, 18:53. Zesilovač je hotov. Po několika letech pokusů, které občas vypadaly spíš jako chaotické tápání, než jako systematická cílevědomá práce, po řadě opojných okamžiků úspěchů i deprimujících zklamání, s několika mnohaměsíčními přestávkami jsem se dobral konce tohoto projektu. Děkuji K1, K7 a K16, kteří mi poskytli cenné rady. Konec keců...

P15/1, K15 - prosinec 2006, naposledy aktualizováno: leden 2024