SUOM. VALIKKO & PÄÄSIVU

---

Transkonduktanssivahvistin

Säädettävällä resonanssin ja suuntausportaan kompensoinnilla

Seuraavassa esitetään rakennusohjeet virta-antoiseen, n. 12 wattia 8 Ω kuormaan antavaan stereovahvistimeen. Tehoaste pohjautuu piiriin TDA2040, joka on ominaisuuksiltaan tarkoitukseen soveltuva ja joka toimi testattaessa luotettavasti kaikilla signaalitasoilla. LM1875 pitäisi myös olla oiva vaihtoehto, muttei ole varmennettu. Teholähde on vakavoitu ja yhteinen kaikille asteille ja kummallekin kanavalle.

Harmoniseksi säröksi saadaan 0,18% 10 W:lla ja 0,003% 1 W:lla 8 Ω kuormalla.

Tarvittaessa enemmän tehoa voidaan tilalla käyttää tyyppiä TDA2050 eräin piirimuunnoksin.

Rakenne

Alla on esitetty vahvistimen ja sille sopivan jännitelähteen piirikaavio vastaavan osaluettelon näkyessä taulukossa. Transkonduktanssiasteen lisäksi vahvistin sisältää uudentyyppisen, vastuksin viritettävän, napojensiirtotekniikkaan (jota usein nimitetään Linkwitz-muunnokseksi) perustuvan resonanssinkompensointikytkennän sekä säädettävän aktiivisen suuntausporraskompensoinnin (baffle step) sellaisia kaiuttimia varten, joissa tätä korjausta ei ole. Molemmat toiminnot voidaan myös ohittaa haluttaessa suoraa taajuusvastetta.

Tulovaimennin

Sisään otettua signaalia vaimennetaan alussa hieman jännitteenjakajalla R₁-P₁-R₂, jotta jännite vahvistimien A₁ ja A₄ annoissa ei pääsisi leikkautumaan missään tilanteessa huolimatta siitä, että resonanssinkompensointiaste (A₁ takaisinkytkentäpiireineen) vahvistaa voimakkaasti matalimpia taajuuksia. Yliohjautumista ei pitäisi tapahtua, jos sisäänmenosignaalin huippuarvot ovat enintään 3 V ja käytettävän elementin resonanssitaajuus (f_z) on enintään 80 Hz. Trimmerillä P₁ hienosäädetään kanavien herkkyydet yhtäsuuriksi.

Basson tasaus

A₁ takaisinkytkentöineen muodostaa resonanssinkorjauspiirin, jolla käytetyn bassoelementin perusresonanssi voidaan kumota antamalla sopivat arvot R₅:lle ja R₆:lle. A₂ ja A3 muodostavat R₄:n R₆:en ja C₄:n kanssa virtuaalisen induktorin, joka toimii C₃:n kanssa saaden aikaan vastekuopan (nollat), joka tarvitaan bassoelementin vastepiikin (navat) kumoamiseen. Korjaimen ollessa viritetty lopulliseksi vahvistin-kaiutin-järjestelmän -6 dB:n rajataajuudeksi tulee aina 30 Hz Q-arvon ollessa 0,5. (Tätä taajuutta voidaan haluttaessa muuttaa skaalaamalla kondensaattoreita C₁ ja C₅.) Tämän RCL-takaisinkytketyn korjaimen yksityiskohtainen toiminta on selitetty kirjan luvussa 8.6.

Resonanssiparametrien asetus voidaan suorittaa käyttäen alla esitettyä kaaviota. Kartta on laadittu f_z-alueelle 40-80 Hz, mutta suurempiakin resonanssitaajuuksia voidaan käyttää. R₅ ja R₆ voidaan kiinnittää piirilevylle ruuviterminaalien avulla, jolloin arvot ovat melko helposti muutettavissa kaiutinta vaihdettaessa.

Koteloidun bassoelementin resonanssitaajuus (f_z) ja mekaaninen Q-arvo (merk. Q_z) on tunnettava mitattuna tai muuten. Tämän jälkeen arvot ko. kahdelle vastukselle saadaan interpoloimalla lähimpien käyrien väliltä. Jos tarvittavat toimintaparametrit ovat esim. f_z = 70 Hz ja Q_z = 2,5, saadaan käyriä lukemalla resistanssiarvoiksi R₅ = 220 kΩ ja R₆ = 125 kΩ. Kuten nähdään, R₅ vaikuttaa lähinnä Q-arvoon ja R₆ lähinnä taajuuteen.

Käytettäessä kaiutinta, jonka resonanssi on valmiiksi kompensoitu aktiivista kompensointia ei enää tarvita. Tässä tapauksessa vahvistimen taajuusvaste voidaan oikaista siten, että korjaimen tuottamia nollia käytetään kumoamaan em. 30 Hz:n navat. Kumoutuminen saadaan aikaan yksinkertaisesti asettamalla f_z = 30 Hz ja Q_z = 0,5, jolloin transkonduktanssi tulee kuultavilla taajuuksilla lähes suoraksi. Piste ei näy kartalla, mutta tarvittavat resistanssit ovat R₅ = 32 kΩ ja R₆ = 750 kΩ.

Tasapainoaste

Potentiometri P₂ toimii tasapainosäätimenä. Kummallakin kanavalla on oma potentiometrinsä samalla akselilla kytkettynä niin, että toisen kiertyessä auki toinen kiertyy kiinni. Tällä tavoin vältetään tavanomaisessa tasapainosäädinkytkennässä mahdollinen kanavien välinen ylikuuluminen, joka johtuu virran osittaisesta kulkeutumisesta maadoitetun liu'un ohitse. R₇ saa aikaan sen, että vaimennus potentiometrin keskiasennossa on n. 3 dB, kun se muuten olisi 6 dB.

Suuntausporrasvaihtoehdot

A₄ takaisinkytkentöineen muodostaa suuntausportaan kompensointiasteen ja toimii samalla puskurina syöttäen voimakkuuspotentiometriä P₄. Hyppylangalla (tai kytkimellä) J₁ voidaan valita joko muokkaamaton vaste (0) tai jokin neljästä eritasoisesta kompensointivasteesta, jotka on esitetty alla.

Asennossa 4 alataajuuksia korostetaan täydet 6 dB eri vaihtoehtojen ollessa 1,5 dB:n välein. Koska kaiuttimen suuntausporrasta ei tehovasteen vinoutumisen takia yleensä kannata kumota kokonaan, vaihtoehto 3 tai 2 on usein taajuustasapainon kannalta sopivin.

Portaan keskitaajuus on asetettu vastaamaan suunnilleen reilun 20 cm:n levyistä kaiutinta. Mikäli koko poikkeaa paljon tästä, taajuutta voidaan skaalata C₆:en arvoa muuttamalla.

Offset-asetus

Trimmerillä P₃ voidaan pienentää kuormaan menevää tasavirtaa, joka on peräisin vahvistimien A₄ ja A₅ siirtymäjännitteistä. Koska asteiden välissä on potentiometri, tasavirtaa ei kuitenkaan voida nollata kokonaan muuten kuin jossain tietyssä P₄:n asennossa.

Teholähde

Teholähde on toteutettu käyttäen säädettävää regulaattoria LM338, jonka virranantokyky riittää tarpeeseen reilusti. Koska negatiivisia regulaattorisiruja ei ole saatavissa suurille virroille, myös negatiivinen puoli on toteutettu positiivisella regulaattorilla. Järjestely toimii kuitenkin aivan hyvin.

Vakavoidun teholähteen käyttö myös päätevahvistinta varten ei ole nykyään kovin yleistä mutta on tässä kuitenkin hyvin perusteltua, koska hurinaongelmien välttämisen lisäksi vakavoidulla lähteellä vahvistinsirun käyttöjännitealue voidaan hyödyntää paljon paremmin kuin vakavoimattomalla.

On aivan turhaa epäillä sellaista, etteikö regulaattoripiiri kykenisi toimittamaan riittävän nopeasti virtaa kaikissa mahdollisissa transienttitilanteissa. Tämän todistamiseksi riittää, että jännitteen vaihtelut pysyvät käytännössä olemattomina suurimmalla kuormavirralla ja suurimmalla käyttötaajuudella. Regulaattoreiden käyttö ei myöskään vaaranna vahvistimen stabiilisuutta, kunhan tarvittavat ohituskondensaattorit on asianmukaisesti kytketty.

Vakavointi soveltuu lisäksi virta-antoiseen vahvistimeen paremmin kuin jänniteantoiseen, koska ensin mainitussa tarvittavat huippuvirrat ovat samalla tehotasolla paljon pienempiä johtuen siitä, että kuorman reaktiivisuus ei enää vaikuta virran hetkellisarvoihin.

Käyttöjännitteeksi on asetettu vastuksilla R₁₈, R₁₉, R₂₁ ja R₂₂ ±17,5 V, jolloin samaa lähdettä voidaan käyttää myös operaatiovahvistinsirulle, jonka sietoraja on ±18 V. Amplitudihuiput pääsevät tällöin nousemaan ±15 V:iin saakka.

C₁₆ ja C₂₀ ovat arvoltaan tavanomaista paljon suurempia kytkentänapsahduksen kurissa pitämiseksi. Regulaattorin antonapoihin syntyy reilun voltin jännite välittömästi päällekytkemisen jälkeen, mutta näiden elkojen hidas latautuminen R₂₀:en ja R₂₃:n kautta saa aikaan sen, että käyttöjännite saavuttaa täyden arvonsa vasta parin sekunnin kuluttua.

Kondensaattorin C₂₂ on oltava verkkojännitteen häiriövaimennukseen tarkoitettu ns. X-luokan kondensaattori. Tavallisia kondensaattoreita paikalla ei pidä käyttää.

Levyt

Alla on esitetty osasijoittelu kaksikanavaiselle vahvistimelle ja sen teholähteelle käyttäen piirilevyjä, jotka löytyvät PDF-kuvina täältä ja täältä.

Komponentit on nimetty vain toiselle kanavalle, mutta toinen kalustetaan samalla tavalla. Ruuvinkannalla merkityt nelikulmiot kuvaavat riviliittimen soluja. Sisäänmeno sekä hyppylanka J₁ voidaan kytkeä piikkiriman välityksellä. Joillekin kondensaattoreille on järjestetty eri rasterivaihtoehtoja. C₁₀ ja C₁₁ eivät näy kuvassa, vaan ne sijoitetaan kuparipuolelle suoraan IC₂:en käyttöjännitenastoista maafolioon. Regulaattorit on tarkoitettu kiinnitettäviksi jäähdytysripoineen holkkien varaan levyn yläpuolelle.

Liitännät

Kaikki ulkoiset kytkennät levyille on tarkoitettu tehtäviksi ruuvattavien riviliittimien avulla lukuun ottamatta sisäänmenoja, joihin suositellaan kullattua piikkirimaa ja vastaavia naarasliittimiä. Levyillä on käytetty mekaanisen tukevuuden parantamiseksi 3-osaisia liittimiä myös monille 2-napaisille liitännöille.

Resistansseja R₅ ja R₆ varten käytetään 4-osaisia riviliittimiä sarjakytkennän mahdollistamiseksi, sillä on epätodennäköistä, että tarvittavat resistanssit osuisivat myytävien vakioarvojen kohdalle. Asennettaessa vastuksia niiden johtimista on muistettava poistaa kaikki nauhasta peräisin olevat liimajäänteet.

Johtimen säikeiden on syytä olla tinapäällysteisiä, sillä paljas kupari hapettuu nopeasti heikentäen kontaktin luotettavuutta. Ruuvien kireys kannattaa tarkistaa vielä asennusta seuraavana päivänä, sillä niillä on taipumusta löystyä hieman.

Molemmille kanaville voidaan vetää omat käyttöjännitejohdot teholähdelevyltä nollajohdon ollessa yhteinen. Kaikki viisi kannattaa niputtaa yhteen induktanssien pienentämiseksi, ja kaikki johdot yleensäkin tulee pitää mahdollisimman lyhyinä. Vahvistinlevyn GND-liittimestä vedetään yhteys myös laitteen runkoon.

Ottosignaalit tuodaan mahdolliselle valintakytkimelle ja vahvistinlevylle suojatuilla johtimilla. RCA-liittimien rungot eristetään laitteen rungosta maalenkkien välttämiseksi.

Regulaattorien asennuksessa on huolehdittava, että kuoresta, joka muodostaa antoterminaalin, on luotettava yhteys ao. kuparifolioon ottaen huomioon, että mustattu jäähdytyselementin pinta tai hapettunut kuparipinta voi muodostaa eristekerroksen. Tarvittaessa on käytettävä erillistä lyhyttä johdinta.

Kuvat & lämpösuunnittelu

Alla on kuvia koko projektista, vahvistinpuolesta sekä teholähdepuolesta. Näkyvät jäähdytysprofiilit ovat riittäviä normaaliin kuunteluun, vaikkakaan eivät välttämättä rankimpaan testaukseen. Sekä vahvistinsirut että regulaattorit on varustettu lämpösulkutoiminnalla.

Yhteistä jäähdytysprofiilia käytettäessä vahvistimet on syytä eristää sähköisesti profiilista, jotta sen kautta ei kulkisi vahvistimien käyttövirtoja. Profiili yhdistetään tällöin maapotentiaaliin.

Laatunäkökohtia

Signaalitiellä olevien kondensaattorien C₁, C₃, C₄, C₅ ja C₆ eristemateriaaliksi kannattaa valita polypropyleeni, jonka epäideaalisuudet ovat huomattavasti vähäisempiä kuin polyesterin.

Valintakytkimen ja potentiometrien tulee olla tavanomaista laadukkaampia, jos halutaan, että ne säilyttävät kontaktinsa vielä vuosien jälkeen.

Tehon kasvatus

Käyttämällä piiriä TDA2050 ulostulotehoa voidaan lisätä aina 25 wattiin/kanava, mutta tämä vaatii, että IC1 on varustettava omilla käyttöjänniteregulaattoreilla sen kestäessä vain ±18 V. R₁₆ olisi tällöin laskettava 0,47 Ω:iin tai jopa hieman alle, jos herkkyyttä halutaan lisää.

TDA2050:lle sopiva käyttöjännitetavoite on ±24 V. Muuntajan toisioon pitäisi tällöin valita 2x24 V, ja R₁₈+R₁₉ pitäisi asettaa 2.2 kΩ:iin, kuten myös R₂₁+R₂₂, huomioiden että tämä resistanssi kuluttaa 0,22 W tehoa. Jäähdytystä tarvitsee tällöin myös parantaa yllä näkyvästä.

Pelkistetty kokoonpano

Mikäli sisällytettyjä resonanssi- ja suuntausporrassuodatinta ei tarvita, ne voidaan jättää pois ja rakentaa vain päätetranskonduktorin osuus (A₅ oheiskomponentteineen). Tällöin P₄ voidaan myös korvata suunnilleen saman arvoisella kiintovastuksella (ei-invertoivasta sisäänmenosta maahan). Ottoon on vielä lisättävä 3,3 µF liitäntäkondensaattori (muovi) torjumaan mahdollinen tasajännite syöttävältä lähteeltä.

Käyttöjännitteet voidaan tässä nostaa lähelle käytetyn IC:n maksimirajaa. Vakavointi ei ole välttämättömyys, mutta tällöin päällekytkentätransientteja voidaan joutua hoitamaan muulla tavoin.