18. februára 2020

E88CC Headamp v2.2

Wili

Po viacerých pokusoch o sluchátkové zosilňovače a množstve schém a všetkého čo je na internete som sa rozhodol že si navrhnem svoj vlastný elektrónkový sluchátkač bez výstupných transformátorov.

Vývoj a simulácie zosilňovača

Vývoj a simulácie a finálne dolaďovanie detailov trvali celkom dlho. Po nekonečných dilemách a simuláciách som došiel k záveru, že ak má byť bez výstupného trafka musí byť na výstupe bezpodmienečne WCF (zapojenie známe ako white cathode follower), snažil som sa vymyslieť aj kadejaké iné, dokonca aj symetricky budené push-pull riešenia ale WCF je jednoducho na toto najlepšie! Mojím cieľom bolo postaviť na pohľad pekný, ale zároveň malý elektrónkový praktický zosilňovač. Mojím cieľom bolo tiež zamerať sa na to, aby bol čím úspornejší a efektívny a minimalizoval odpadové teplo.

Na vstup a zároveň budenie som použil diferenciálny zosilňovač s 6N2P (ECC83). Má samé výhody – môžem si zvoliť na jeho výstupe fázu a tým pádom je na výstupe rovnaká fáza ako na vstupe aj pri použití jedného predzosilňovacieho stupňa. Ďalej má perfektné a jednoduché zavedenie spätnej väzby, nejaké CMRR navyše a odrušovanie bordelu a brumu zo signálu a mnoho ďalšieho. Aby bol diferák dokonale priamo viazaný na koncový stupeň je ním nastavený zhruba taký prúd aby na konkrétnom anódovom odpore vznikla cca U/2 ale to je aj tak ako strieľať naslepo, lebo každá elektrónka je iná, má dosť veľké výrobné tolerancie a aby sa tento stupeň dal presnejšie doladiť má v katóde regulovateľný CCS (zdroj prúdu) osadený s výberovými BC547C, ktoré berú ref. napätie cez červenú LEDku. Celé CCS je spolu zlepené a zapuzdrené zmršťovacou bužírkou pre lepšiu tepelnú stabilizáciu.

Celé nastavovanie kľudového prúdu pre predzosilňovač a tým pádom aj pre koncový zosilňovač som nastavoval počas merania FFT a doladil presne namieru pre dané elektrónky kedy mali najnižšie THD. Najlepší pracovný bod preto vychádza (aspoň pre 6N2P) zhruba na Ua/2+10V na anóde elektrónok diferenciálneho stupňa. Výsledný prúd koncového stupňa osadeného s E88CC je cca 15-16mA pri 190 V = zhruba 95 V na každú triódu, čo je strata necelé 3 W na elektrónku.

Celý zosilňovač je zatiahnutý celkovou negatívnou spätnou väzbou, ktorej množstvo je prepínateľne malým DIP spínačom zospodu DPS čo umožňuje lepšie prispôsobiť zosilnenie pre rôzne impedancie slúchadiel.

Zdroj

Keď som mal zosilňovač ako tak vymyslený musel som ešte vymyslieť nejaký zdroj, ktorý by mal špičkové parametre a zároveň aby bol jednoduchý a nezaberal veľa miesta. Podarilo sa mi nakoniec vymyslieť jednoduchý zdroj s perfektnými parametrami pre daný účel a zabezpečuje dokonale hladké napätie pre zosilňovač. Maximálny úbytok cez LM317 je limitované jednoducho zenerkou, a zvyšné prebytočné napätie je regulované cez IRF840. Pre žhavenie je použitý jednoduchý regulátor s LM350 s pomalým nábehom a toto vinutie je ešte použité pre vytvorenie záporného predpätia, ktoré je ešte tiež stabilizované s MC79M12 pre CCS vstupu . Pre pomocné obvody/relátka a standby je tu ešte ďalší pomocný 12V zdroj. Na všetkých regulátoroch je použitá minimálna napäťová strata a schottkyho diódy v zdrojoch pre absolútnu minimalizáciu odpadového tepla.

Ovládanie

Celý zosilňovač je ovládaný veľmi jednoduchými pomocnými obvodmi bez potreby MCU, ktoré bežia v režime standby a teda umožňujú zapínanie tlačidlom. Zapínanie je prostredníctvom preklápacieho NE555, ktoré pri zapnutí pripojí napájanie zosilňovača a pripojí aj napájanie čítača CD4060, ktorý začne počítať s frekvenciou cca 1Hz kým sa nažhavia elektrónky, po ubehnutí času sa zapne obvod ochrán proti jednosmernému napätiu na výstupe a pripne relátko na výstupe. Ochrana je veľmi jednoduchá s citlivosťou od cca 1-2V ktorá sníma len prítomnosť kladného napätia na výstupe. Záporne sa na výstupe vyskytuje len pri vypnutí a vtedy relátko odpadáva. Výstup oscilátora CD4060 je ešte snímaný tranzistorom, ktorý spína LED ktorá indikuje stav zariadenia. LEDky som umiestnil na malú pomocnú DPS ktorá drží vo vyfrézovanom vybraní predného panelu a je utiahnutá oskou potenciometra a rovnomerne podsvieťuje gombík pre reguláciu hlasitosti. Všetky pomocné obvody sú napájané z hlavného trafka zo samostatného vinutia a ostatné vinutia sa len pripájajú cez výkonové relé. Použité trafko je maličký tienený 36W toroid, ktorý má v kľudovom stave nižší odber ako väčšina zalievaných 1W EI trafiek, preto pre standby nie je potrebné ďalšie extra trafko.

Mechanická konštrukcia

Celý zosilňovač som chcel uzavretý v skrinke či už z bezpečnostných ale aj praktických dôvodov. Aby sa mi zosilňovač páčil, dizajn som vymýšľal asi mesiac. Chassis je vyrobené z 1mm oceľového plechu vyrezaného laserom podľa návrhu aký som si vymyslel, plechy som dal potom ešte nalakovať práškovou matnou čiernou farbou. Predný panel je z quickpanelu eloxovaným na čierno. Okienko je kus skla z fotorámčeku vyrezaný namieru a obrúsený dohladka a vlepený silikónom z vnútornej strany. Celý zosilňovač je na jednej veľkej spoločnej DPS, ktorá len tak tak vojde do krabice a maximálne využije priestor. Určite by sa dalo veľa vecí urobiť aj lepšie ale už som na to nemal čas a ani nervy a aj tak kým som to celé dotiahol do finále tak to trvalo zhruba 6 mesiacov.

S celkovým výsledkom som veľmi spokojný a zvuk zosilňovača je neskutočne pekný a veľmi analytický a vychválený mnohými užívateľmi, ktorý ho postavili alebo počuli. Zvuk má neuveriteľne krásne a čisté výšky, ale zároveň perfektné "rýchle" a presné basy. Preto keď nejde hudba brum a ani šum neexistuje a ani neviem či je zosilňovač pustený nebyť svetielok z LED.

Zosilňovač je určený hlavne pre slúchadlá s vyššou impedanciou >250R. Je možné použiť aj nižšie impedancie ale s vyšším skreslením, za minimum považujem cca 100-150R slúchadlá, s 32R je zvuk už skreslený.

Upozorňujem, že zosilňovač je schopný vybudiť slúchadlá naozaj veľmi hlasno a dlhodobé vystavenie takto veľkému hluku časom môže poškodiť Váš sluch, preto je potrebné zosilňovač používať s rozumom.

Prikladám aj podklady pre stavbu, a v prílohe je aj najnovšia verzia DPS: otl_headamp.zip

Technické parametre

Max. výkon cca 50mW @ 250R

Slew rate: pôvodne 80V/us ale znížené na cca 20V/us kvôli muzikálnejšiemu prejavu a úprave vstupného diferáku

Skreslenie: "rozmanité" podľa impedancie, väčšinou okolo 0,2% pred limitáciou, okolo 0,0xx pri nižších výkonoch…

Stavba zosilňovača

všetky odpory stačia 0,6W klasické 0207
kondenzátory elektrolyty odporúčam nichicony alebo iné lepšie značky, fóliové wima
trimre odporúčam viacotáčkové a značkové napr. Bourns, lacné nám viacerným šumeli. Prípadne nastaviť hodnotu, odmerať a osadiť pevný odpor.
potenciometer regulácie hlasitosti napr. ALPS nejaký 2x10k alebo 2x50k to je jedno
napájacie svorky odporúčam wago pružinové
jeden faston, ľubovoľného rozmeru – pre prípadné uzemnenie dosky / trafa atd…

Ďalej pre kompletnú konštrukciu samozrejme treba ďalšiu bižutériu okolo ako sú vstupné Cinch konektory, distančné stĺpiky, M3 skrutky, napájací konektor, poistkové puzdro do panelu pre istenie trafa, tlačítkový spínač (napr. antivandal) LEDku pre indikáciu alebo spraviť mini dosku pre podsvietenie gombíka potenciometra alebo ako si kto vymyslí.

Potrebný transformátor si je možné objednať vo firme tronic (trafo.cz) pod výrobným číslom: 1700406 Tor Zs

Schéma zapojenia

Oživenie a konštrukcia

SMD odpory zo spodu pre LED môžu byť rôzne v závislosti od použitých LED, ideálna je hodnota zhruba 2k2 a 3mm super svietivé LEDky ľubovoľnej farby. Ja používam oranžové, pekné by mohli byť aj žlté, atd… možno aj zelené ako mcintosh ak sa niekomu páči 🙂 pozor pri osadzovaní na polaritu LED!!! Všetky stabilizátory a mosfet je potrebné kvalitne izolovať od chladiča!!!
Ak chce niekto vypočítať odpor je tu napájanie 6,3V (z pinov žhavenia konkrétnej elektrónky) takže podľa ohmovho zákona…
Pozor na kondenzátory M1 pri tranzistoroch s LEDkou ako je CCS hneď vedľa 1k odporov, tu musí byť kvalitná keramika aspoň na 500V !!! alebo aj kvalitný mini foliák, kľudne s nižšou hodnotou. Napr. 10n/400V a pod. Musí byť značkový a kvalitný, lebo je dosť namáhaný. Lacné keramiky viacerým po pol roku vybuchli.
Všetky odpory stačia klasické 0207 na 0,6 W vrátane anódových čo sú na DPS s väčšou šírkou RM, je tu úbytok do 0,1 W a napätie do 250 V
Pri osádzaní CCS (regulator prúdu / constant current sink), pozor na polaritu LED!!!, pred osadzovaním premerať a skontrolovať polaritu aby LEDkou mohol tiecť prúd. Osadzovák tu kvôli hustote spojov blbo vidieť. Je tu záporné predpätie, takže tu prúd tečie zo zeme do "mínusu"… krátka nožička na štvorček a dlhá na koliesko. Ideálne je použiť 5x2mm plochú červenú LED, na ňu z oboch strán nalepiť sekundovým lepidlom BC547 a potom to celé ešte pre istotu stiahnuť zmršťovacou bužírkou a scvaknúť na vrchu kliešťami aby LEDka nesvietila do priestoru.
Všetky prekovy, kde nie je súčiastka ale len samotný prekov je vhodne "zaliať" cinom.
Pred prvým spustením nastavíme hodnotu trimrov zhruba na hodnotu 3k.
Bez osadených elektrónok zistime či funguje zapínanie standby: pripojíme napájanie 9VAC.
Na miestach Test Point (na doske označené TP) a medzi zemou by sme mali namerať:
TP1 = necelých 12V DC
Ak je hodnota správna, skratujeme dva piny na molexe pri nápise switch a malo by cvaknúť veľké relé. Na pinoch molexu pre LED, sa ukazuje napätie oscilátoru = začne blikať LEDka podsvietenia potenciometra (32x). Po odpočítaní led ostane svietiť a cvakne relé výstupu. Ak obvod ON-OFF funguje správne (preklápanie NE555) pripojíme 14VAC vetvu trafka a prípadne môžeme zasunúť aj elektrónky. Zapneme tlačítkom zdroj a skontrolujeme napätia pred a za stabilizátormi:
TP2 = 12,6V
TP3 = -12V
Ak sú napätia správne skontrolujeme ešte či svieti LED medzi tranzistormi BC546 v obvode konštantného prúdu (CCS). Ak všetko ide ako má vypneme vypínač, zasunieme elektrónky do odpovedajúcich pozícií a pripojíme aj anódovú vetvu trafka 165 VAC.
Vo verzii 2.2 síce je na výstupe trvale pripojená umelá záťaž 10k (odpory osadené hneď pri jack konektore), ale aj tak je v ďalšom kroku vhodné počas testovania mať na výstupe pripojenú umelú záťaž simulujúcu slúchadlá, napr. 2x250R odpory naspájkované na jack konektore. Ak nie je dostatočne zaťažený výstup, môže zblbnúť DC ochrana a relé začne bzučať. Ak by sa to náhodou stalo je potrebné znížiť odpor trvalej umelej záťaže (10k) natoľko aby dokázal výstupný kondenzátor udržať nulu na výstupe aj bez pripojených slúchadiel. Hodnota 10k by mala stačiť ale nemusí, záleží od použitých elytov, tak prípadne ju znížime na 4k7 alebo 2k2 podľa potreby…
Zapneme vypínač a elektrónky by sa mali postupne pomaly nahrievať. Skontrolujeme či sedí napätie na anódach
TP4 = 190V
Keď sa elektrónky nahrejú a zapne sa výstup môžeme nastaviť pracovné body. Nastavenie pracovných bodov elektrónkam prevedieme trimrom kt. je hneď v blízkosti meracích bodov…. trimrom nastavíme, aby medzi zemou a TP5 resp. TP6 bolo +100 V. Nastavenie prevedieme ešte raz po pár minútach a potom ešte raz a takto aspoň 5x dookola. Čim bližšie sa ku hodnote dostávame tým jemnejšie je potrebné narábať trimrom kt. môže mať kvôli veľkým kapacitám veľkú zotrvačnosť.
Skontrolujeme veľkosť prúdu kt. tečie koncovou elektrónkou, meriame medzi zemou a TP7 resp. TP8 kde by malo byt zhruba 1,8 V. Prípadne vypočítame hodnotu pretekajúceho prúdu podľa nameraného napätia podľa ohmovho zákona: namerané napätie U / 120 x 1000 = prúd v mA. Malo by to byť okolo 15-16 mA podľa kvality elektrónok.

Ak je prúd jemne vyšší (napr. 16-17 mA) to nie je závada, len prekontrolujeme či sedí napätie na TP5 a TP6 aby bolo +100 V. Prúd záleží od konkrétnej elektrónky a ako dlho je nažhavená a akú dobrú má emisiu.

Ak je nameraný prúd koncovým stupňom výrazne menší napr. 10-12 mA alebo menej, je elektrónka E88CC nekvalitná alebo vyčerpaná a nemá 100% emisiu, pripadne je to nejaký vadný/starý kus kt. nespĺňa katalógové údaje.

Upozornenie: nezodpovedám za žiadne škody alebo ujmy na zdraví, ani za materiálne škody. Stavba je celá na vlastnú zodpovednosť, neodborným prístupom a nedostatočným vzdelaním môžete prísť k úrazu.