PÄÄSIVU
SISÄLLYS
ESIPUHE
NÄYTESIVUJA
JÄNNITEOHJAUKSEN VAKAVAT VIAT
SÄRÖESIMERKKEJÄ
VAHVISTINKYTKENTÖJÄ
PROJEKTEJA
> PUHDASVIRTAKAIUTIN CCS-7
> TRANSKONDUKTANSSIVAHVISTIN
> KAIUTIN CS-12
> KAIUTIN CS-8
> A-LUOKAN PÄÄTEVAHVISTIN
> SERT-VAHVISTIN
VAIMENNUKSESTA
REKISTERÖITYJÄ IDEOITA
TEKIJÄSTÄ
OTA YHTEYTTÄ
KESKUSTELE


SERT-vahvistin (Single-Ended Regulator Transconductor)

Tosi yksinkertainen A-luokan virta-antoinen päätevahvistin

Tässä on yksikertainen tapa toteuttaa virta-antoinen vahvistin musiikin kuunteluun käyttäen vain yhtä jänniteregulaattoria aktiivikomponenttina. Toiminta tapahtuu A-luokassa, ja tehoa saadaan 4 W (sini) 8 Ω:n kuormaan hyvin kohtuullisella säröllä.

SERT (Single-ended regulator transconductor) vahvistinkytkentä käyttäen piiriä LM350

Toiminta

V/I-muunnos suoritetaan 1,25 V:n jänniteregulaattorilla LM350, jonka ulostulojännite ja virta seuraavat säätönastaan (ADJ) tuotavaa jännitettä. Koska säätönastasta kulkee vain pieni tasavirta (50 uA), regulaattorin ottovirta on käytännössä sama kuin R2:en virta, joka koostuu 1,15 A:n tasakomponentista ja signaalikomponentista, joka on yksinkertaisesti Vin/R2. Lepovirta johdetaan kuristimen L1 kautta ja signaalivirta C2:en läpi kuormalle. Lepotehoa kuluu 17-21 W (lähteen tasosta riippuen) häviten pääasiassa regulaattorissa ja R2:essa. Zenerdiodi D1 suojelee regulaattoria jännitepiikeiltä, joita voi syntyä yliohjauksesta tai kuorman ollessa irti. Rinnakkaishaaraa R3-C3 tarvitaan pienentämään jännitevahvistusta ultraäänitaajuuksilla, missä kuorma on tavallisesti voimakkaan induktiivinen.

Koska L1:n tarkoituksena on muodostaa suuri impedanssi käyttötaajuuksilla, vain pieni osuus kelan rautasydämen säröstä tulee esiin kuormavirrassa. Vastaavasti koska elko C2 varastoi vain pienen tasajännitteen (L1:en resistanssin jännitehäviö) eikä toimi suodattimena, C2:en mahdolliset epälineaarisuudet eivät voi merkittävästi vaikuttaa virtaan, joka on regulaattorin määräämä.

Taajuusskaalaus

120 mH kuristin on käämittävä itse, mikä onkin rakentamisen työläin osuus. Tapauksissa, missä vahvistin ei käsittele matalia taajuuksia, voidaan kuitenkin L1, C1 ja C2 arvoja skaalata pienemmiksi kääntäen verrannollisesti tarvittavaan alarajataajuuteen. Tällaiseen käyttöön löytyy jo sopivia valmiiksi käämittyjä keloja L1:eksi.

Ominaisuudet

Taajuuskaistan alaraja määräytyy pääasiassa kuristimen induktanssista. Annetulla arvolla ja 8 Ω resistiivisellä kuormalla -1 dB:n rajataajuus on 22 Hz. Yläpäässä vastaava taajuus on yli 100 kHz.

Alla on esitetty mitattu harmoninen kokonaissärö (THD) 8 Ω kuormaan 1 W ja 4 W tasoilla (vakavoimaton teholähde).

SERT A-luokan vahvistimen harmoninen särö (THD)

Särö on hyvin hallinnassa vielä nimellisellä teholla pysyen alle 0,1%:ssa välillä 60 Hz - 3 kHz. Nousu matalilla taajuuksilla on lähtöisin kuristinkelasta, kun taas korkeilla taajuuksilla lähteenä on itse regulaattori. Sekä 2. että 3. harmonista kerrannaista esiintyy merkitsevästi. (Mittaaminen 6,6 kHz yläpuolella ei ole tarkoituksenmukaista, sillä 3. harmoninen menee yli kuuloalueen.)

Mitattu antoimpedanssi nähdään alla. 1kHz alapuolella impedanssi on suoraan verrannollinen taajuuteen (induktiivinen) ja määräytyy kuristininduktanssista. Korkeilla taajuuksilla impedanssi määräytyy lähes yksin C3:sta ja on kapasitiivinen. Vain bassoalueella, missä suuri impedanssi ei ole niin tarpeellista, itseisarvo jää alle 100 Ω:n.


Kelan rakentaminen

Kuristininduktanssin tarvitsee olla yli 100 mH muodostaakseen tarpeeksi suuren impedanssin myös bassoalueella. Samalla sydämen epälineaarisuudesta johtuva särö sekä myös lepovirran aiheuttama tasajännitehäviö olisi pidettävä minimaalisena. Tämä vaatii keskikokoisen teräspakkasydämen sopivan ilmavälin kanssa.

Nykyään muuntajasydämiä ei myydä erikseen, joten on purettava jokin olemassa oleva muuntaja, jossa sydämen E- ja I-osat ovat erotettavissa. Tämä on mahdollista vain joissakin yksivaiheisiin putkivahvistimiin tarkoitetuissa ulostulomuuntajissa. Tässä käytetään yleisesti saatavaa Hammondin muuntajaa tyypiltään 125ESE. Tarvittava langan pituus yhteen kelaan on noin 40 m, ja sopiva johdinhalkaisija on 1,1-1,2 mm.

Vaiheet ovat:

1. Irrota muuntajaa ympäröivä teräskehys ja erota sydämen E- ja I-kappaleet. Avaa pohjan alla olevat metallitaitokset vapauttaaksesi kehyksen (voidaan tarvita jotain terävää työkalua) ja työnnä ruuvimeisseliä kehyksen alle avataksesi sen. Kopauta sitten E- ja I-kappaleet erilleen ja poista niiden välissä ollut ohut muovi, joka muodosti muuntajan ilmaraon.

(On jossain määrin outoa, että valmistaja käyttää tässä teräksistä kehystä, joka suuressa määrin oikosulkee magneettisesti ilmavälin sivupilareissa ja siten aiheuttaa myös tarpeetonta vuon kyllästymistä suhteellisen ohuessa kehysmetallissa. Tämä myös estää meitä käyttämästä tätä kehystä tässä projektissa.)

120 mH DIY kuristinkela: EI-sydän Hammond 125ESE -muuntajasta

2. Irrota kelarunko kelasydämestä. Tämä voidaan tehdä sopivalla kittausveitsellä. Kelarunko on vain heikosti kiinni keskipilarissa.

120 mH DIY kuristinkela: kelarungon irrotus

3. Viilaa ilmaraon pinnat sileiksi ja puhtaiksi. Käytä tasaista viilaa ja tasoita rakopinnat hallitulla pitkittäisellä liikkeellä niin, että ne tulevat lähes kokonaan kirkkaiksi. Tämä kasvattaa myös induktanssia. Huolehdi, että paino kohdistuu vain siten, että pinnat säilyvät suorina ja täysin kohdistuneina.

120 mH DIY kuristinkela: ilmavälin tasoitus

4. Aseta sivupilareiden päälle 0,3 mm:n paksuiset materiaalikerrokset magneettisten rakojen muodostamiseksi. Keskipilariin ei tarvita kerroksia. Raon on oltava kussakin pilarissa lähellä 0,3 mm, jolloin raon kokonaispituudeksi magneettivuon koko reitillä tulee 0,6 mm.

0,3 mm paksuus voidaan saada aikaan käyttämällä kolmea kerrosta tavallista kopiopaperia (yleensä ne ovat 0,1 mm, mutta tarkista ensin) tai kahta kerrosta sähköteippiä, jolle on ilmoitettu paksuudeksi 0,15 mm (0,14 mm on vielä ok). Huolehdi, että rakomateriaali ei ulotu reunan yli ruuvipuolilla, joihin kiinnitystuet tulevat.

120 mH DIY kuristinkela: ilmavälin asetus

5. Tyhjennä kelarunko kaikesta langasta. Rautasaha voi säästää paljon vaivaa tässä, mutta varo leikkaamasta itse keskiötä. Tyhjennyksen jälkeen keskiön suorakulmaisia särmiä voi hieman pyöristää ensimmäisten kerrosten kääminnän helpottamiseksi.

6. Käämi 250-260 kierrosta 1,1-1,2 mm:n lankaa vieri viereen kelarungolle. Tämä kysyy hieman kärsivällisyyttä ja käden taitoa, sillä lanka on melko jäykkää ja kerrosten on maattava mahdollisimman litteänä kaikkien kierrosten mahduttamiseksi kelasydämen ikkunaan. (Huomaa, että langan kokonaishalkaisija on suurempi kuin itse johteen.) Rungolle mahtuu ainakin 29 kierrosta yhteen kerrokseen, joten viimeisten kierrosten on oltava 9. kerroksella. Varaa riittävästi aikaa, sillä yhden kelan käämiminen tiukkaan käsin on tuntien asia. Pidä ulottuvilla jotain sopivaa esinettä, jolla painaa kierroksia kokoon tarvittaessa.

Ohuempaa lankaa voidaan käyttää, mutta hintana on kasvanut tasajännitehäviö.

7. Kokoa osat yhteen käyttäen alumiinista tai muusta jäykästä ja magnetoitumattomasta aineesta tehtyjä tukia. (Sopivia alumiiniprofiileja on laajalti saatavilla.) Ruuveiksi käyvät tavalliset (magnetoituvat) ruuvit. Varmista, että kelarunko, joka voi olla levinnyt hieman, ei nosta yläkappaletta (viilaa jos tarvetta). Paina myös sydämen osia toisiaan kohti ruuveja kiinnitettäessä sen varmistamiseksi, että raon mitta säilyy määrättynä.

Alla oleva kela sisältää n. 250 kierrosta 1,2 mm lankaa. Induktanssi on 120 mH tasavirtavastuksen ollessa 0,61 Ω.

Käytetyllä 1,15 A:n lepovirralla vuontiheydeksi magneettipiirissä tulee n. 0,65 T. Tämä jättää vielä riittävästi varaa vaihtovirtakomponentille, joka on myös merkittävä alimmilla taajuuksilla.

120 mH tee-se-itse -kuristin, jossa muuntajasydän ja ilmarako


Huom. Tällainen kela pitää itsessään hieman kuultavaa ääntä läpäistessään vaihtovirtaa. Ääni on havaittavissa korkeilla taajuuksilla ja on verrattavissa levysoittimien äänirasioista suoraan säteilevään ääneen. Syynä on ilmiö nimeltään magnetostriktio, jossa sydänmateriaali laajenee ja supistuu johtuen kääntyvistä magneettidipoleista. Samaa ilmiötä on havaittavissa myös ulostulomuuntajissa varsinkin niiden johtaessa tasakomponenttia. Myös regulaattori tuottaa hieman kuultavaa värähtelyä.

Toteutus

Komponenttien määrä on niin pieni, että painettu piirilevy ei ole välttämätön. Kuvissa alla diskanttialueversio vahvistimesta asennettuna turrettilevyn palalle. Liitännät käyvät ilmi kuvista.

4W A-luokan single-ended transkonduktanssi-vahvistin turrettilevyllä: päältä

4W A-luokan single-ended transkonduktanssi-vahvistin turrettilevyllä: takaa

Tässä näkyvä kuristinkela on arvoiltaan 10 mH ja 0,48 Ω. Käytetty jäähdytyselementti on juuri riittävä 15 V toimintaan hyvin ilmastoituna mutta ei välttämättä ideaalinen 18 V:lle. Regulaattorin lippa (ulostulo) on sähköisesti kytketty jäähdytyselementtiin ruuvin kautta.

Käynnistysmykistys

Käynnistystransientti voidaan vaientaa negatiiviseen käyttöjohtimeen lisätyllä MOSFET-kytkimellä alla esitetyllä tavalla. MOSFETit avautuvat pehmeästi noin puolessa sekunnissa käynnistyksen jälkeen ja estävät näin 'tump' -äänen syntymisen. Vain heikko 'näp' saattaa kuulua regulaattorin tullessa aktiiviseksi.

Tässä on esitetty kaksi rinnakkaista fettiä, mutta määrää voidaan lisätä niissä häviävän jännitteen minimoimiseksi. IRF540:n johtavuusresistanssi on n. 40 mΩ. Käytä vähintään yhtä monta fettiä kuin on syötettäviä kanavia. Jäähdytystä ei tarvita. (Huomaa, että signaalimaan on oltava vahvistimen puolella.)

SERT-vahvistimen käynnistysmykistys käyttäen MOSFET-kytkintä

Voimakkuussäätö

Mikäli tarvitaan voimakkuuden säätöä, voidaan C1:en, ADJ-navan ja maan väliin lisätä normaaliin tapaan 10 kΩ potentiometri. R1 on tällöin kasvatettava 3,3 kΩ:iin. Potentiometrin käytöstä on sellainen lisäetu, että vahvistimen lepovirta pienenee 100 mA:lla voimakkuusasetuksen ollessa pienellä.