Wzmacniacze mocy m.cz. należą do tematów i projektów
najczęściej powracających na łamy czasopism przeznaczonych dla elektroników hobbystów.
Rynek komponentów elektronicznych nieustannie zalewany jest coraz większą różnorodnością układów
scalonych przeznaczonych do zastosowań w stopniach końcowych
mocy m.cz. Konstrukcje takie są tanie i co najważniejsze proste do uruchomienia
nawet przez nowicjusza. Jednocześnie dają szybki efekt w postaci działającego
wzmacniacza. Przez ostatnie kilka lat wśród takich rozwiązań niepodzielnie
królowały proste konstrukcje o mocy wyjściowej kilka lub kilkadziesiąt wat w zależności od parametrów
zastosowanego układu scalonego. Wraz z unowocześnieniem klasy AB i pojawieniem się scalonych wzmacniaczy klasy
D zaczęły pojawiać się opisy prostych rozwiązań wzmacniaczy o mocach przekraczających 100W.
Przykładem nowych trendów i rozwiązań w dziedzinie scalonych wzmacniaczy mocy może być układ TA1101B
amerykańskiej f-my Tripath. Układ ten jest prekursorem nowej klasy T, która zbliżona jest do powszechnie
znanej klasy D. Podstawowym źródłem stosunkowo dużych zniekształceń we wzmacniaczach klasy
D jest niska częstotliwość próbkowania oraz rozrzut parametrów zastosowanych w
nich tranzystorów wyjściowych. W układzie TA1101B dzięki zastosowaniu mikrokontrolera
do sterowania tranzystorami mocy wprowadzono zmienną częstotliwość próbkowania
50kHz-1,5MHz oraz skomplikowany algorytm dopasowania sterowania do parametrów użytych tranzystorów.
Wszystkie te silne strzeżone
patentem zabiegi doprowadziły do powstania rozwiązania, które w postaci układu TA1011B wzbogaconego
o cztery wysokoprądowe tranzystory MOS i kilka elementów dyskretnych na obwodzie drukowanym
o wymiarach 100x160mm, umożliwia zmontowanie wzmacniacza 2x500W, a w układzie mostkowym 1500W.
Jednak ze względu na "gigantyczną" cenę układ ten na pewno w najbliższym czasie
nie będzie prezentowany na tamach "NE" w postaci kitu do samodzielnego składania. Pozostając na ziemi,
a więc w realiach otaczającej nas rzeczywistości spróbujmy się zastanowić jak zbudować taki "gigant"
przy zastosowaniu w miarę tanich, a więc dostępnych dla czytelników rozwiązań. Zbudowanie wzmacniacza
o bardzo dużej mocy wyjściowej np. 1000-2000W
nie stanowi większego problemu, przynajmniej w części teoretycznej. Należałoby się raczej zastanowić
nad zasadnością chęci posiadania wzmacniacza o tak dużej mocy, do zasilania którego potrzebaby
transformatora sieciowego
o wadze kilkudziesięciu kilogramów. Jak wiadomo moc, jaką jest w stanie oddać wzmacniacz to P=Usk2/R.
Znając impedancję głośnika wystarczy do odpowiedniej wartości podnieść napięcie zasilania stopnia końcowego
i w tym momencie zaczną się problemy. Zasilanie stopnia końcowego w celu uzyskania odpowiednio dużej
mocy np. napięciem np. +/-100 daje napięcie różnicowe w stopniu końcowym 200V i moc wyjściową ok.
1000W przy impedancji głośnika 4R. Tak wysokie napięcie wiąże się z wieloma problemami nie tylko w wyborze
odpowiednich tranzystorów, bo te są jeszcze osiągalne, ale większych problemów
dostarcza sama konstrukcja mechaniczna np: odległości pomiędzy ścieżkami na obwodzie drukowanym,
zapewnienie odpowiedniej wysokonapięciowej izolacji tranzystorów od radiatora, a największy problem
stanowi zasilanie oraz zdobycie odpowiedniego transformatora i kondensatorów elektrolitycznych na
tak wysokie napięcie. Alternatywnym rozwiązaniem dla klasycznego wzmacniacza
dużej mocy zasilanego wysokim napięciem jest zastosowanie dwóch wzmacniaczy mocy
zasilanych napięciem +/-55V i połączenie ich w tzw. układ mostkowy. To proste
rozwiązanie, które polega na równoległej pracy dwóch identycznych wzmacniaczy
sterowanych sygnałem o odwróconej fazie, pozwala podwoić wartość napięcia na
głośniku, przy jednoczesnym czterokrotnym wzroście mocy wyjściowej, która będzie
równoważna wzmacniaczowi zasilanego napięciem +/-100V. To proste rozwiązanie
jest tematem naszego opisu, a prezentowany układ pozwala na przystosowanie
dowolnych wzmacniaczy mocy do pracy mostkowej, choć pierwotnie był przeznaczony
do współpracy z dwoma wzmacniaczami 250W (zestaw nr 107-K).
Budowa i działanie
Schemat ideowy układu przedstawia rys.2. Jak widać układ jest niezwykle prosty i zawiera tylko
dwa układy scalone i garstkę elementów biernych. Sygnał
m.cz. podany jest na wejście J1, a poprzez kondensator C1 na
wejście wzmacniacza dopasowującego ICA, który pracuje jako wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu
ustalonym za pomocą rezystorów
R1 i R2. Obciążenie stopnia wejściowego stanowią dwa wzmacniacze IC2A, IC1B. Wzmacniacz IC2A pracuje jako
wtórnik napięciowy i posiada wzmocnienie napięciowe równe jedności. Wzmacniacz IC1B pracuje jako
wzmacniacz odwracający również o wzmocnieniu równym jedności, ale napięcie wyjściowe jest
przesunięte w fazie o 180
stopni względem napięcia na wyjściu IC2A. Punkt pracy wzmacniaczy pracujących w torze sygnałowym
wyznacza napięcie otrzymywane z wtórnika napięciowego IC2B spolaryzowanego rezystorami R6
i R7. Składowa stała na wyjściu układu jest zależna tylko od napięcia zasilania i wynosi około
jeden napięcia zasilania. Układ jest bardzo elastyczny i można go zasilać dowolnym napięciem
w przedziale 10-15V np. z przedwzmacniacza, w przypadku braku takiego należy zastosować układ
obniżający dodatnie napięcie zasilania wzmacniacza mocy do wartości ok.12V. Można do tego celu
wykorzystać np. stabilizator LM7812, pamiętając o dopuszczalnym napięciu wejściowym wspomnianego
stabilizatora i konieczności zastosowaniu rezystora szeregowego o odpowiedniej mocy.
Montaż i uruchomienie
Układ zmontowano na jednostronnym obwodzie drukowanym, którego mozaikę ścieżek
oraz rozmieszczenie elementów przedstawia rys. 1. Układ zawiera bardzo mało elementów, stąd montaż j
est prosty i bardzo szybki. W pierwszej fazie
nie należy montować kondensatora C2. Poprawnie zmontowany ze sprawnych elementów układ działa
od pierwszego włączenia i nie wymaga uruchomienia i regulacji, a jedynie sprawdzenia poprawności
działania. Do przetestowania układu niezbędny byłby oscyloskop dwukanałowy,
jednak nie wszyscy go posiadają, stąd podajemy prostszą metodę wykorzystującą jedynie multimetr cyfrowy,
który powinien się znajdować w pracowni tażdego elektronika amatora. Napierw mierzymy wartość napięcia
na końcówce 3 IC1A. Powinno wynosić
1/2 napięcia zasilania. Następnie należy pomiędzy kondensator C1, a rezystor R1 doprowadzić
dodatni biegun napięcia, a ujemny biegun podłączamy do końcówki 3 IC1A. Doprowadzone napięcie
powinno być dobrze odfiltrowane i o wartości ok. 1-2V. Może to być np. pojedynczy paluszek
R6 1,5V. Teraz mierzymy napięcia na wyjściach IC2A i IC1B względem końcówki 3 IC1A
i zapisujemy. Następnie zmieniamy biegunowość przyłożonego napięcia i ponowne dokonujemy pomiaru.
Jeżeli otrzymane wyniki w drugim pomiarze będą identyczne
z pierwszymi, a występować będą na przeciwległych wyjściach, możemy uznać że układ jest symetryczny,
w przeciwnym przypadku należy skorygować za pomocą rezystorów
R4 i R5 wzmocnienie wzmacniacza IC1B. W niektórych egzemplarzach układów NE5532 może zajść potrzeba
zastosowania kondensatora C2, który zabezpieczy układ
polaryzacji toru sygnałowego przed wzbudzaniem się. Wartość C2 należy dobrać w zakresie 10-100nF.
Układ symetryzatora należy połączyć
z dwoma dowolnymi wzmacniaczami mocy np. 107-K zgodnie z rys.3. Taka
konfiguracja jest w stanie dostarczyć do obciążenia gigantyczną moc około 1000W.
Przy tak ogromnej mocy należy pamiętać o odpowiednim zwiększeniu powierzchni radiatorów,
a w przypadku pracy z pełną mocą może zaistnieć konieczność zmiany tranzystorów stopnia mocy
na inne o większych dopuszczalnych prądach. Jeżeli
nie zależy nam na tak dużej mocy, a układ mostkowy ma nam zapewnić "tylko" 500W mocy wyjściowej
można obniżyć napięcia zasilania wzmacniaczy
mocy 107-K do wartości ok. +/- 40V.
|
