Klasse A-versterker van 20 Watt

Aanvullend op het artikel dat je hier onder kunt lezen kun je een kijkje nemen naar de verschillende foto’s die ik van de versterker gemaakt heb. Er is ook een aparte gestabiliseerde symmetrische voeding voor de voortrappen en een FAQ die ondertussen niet meer zo up-to-date meer zal zijn 🙂


Klasse A-versterker van 20 Watt (Artikel uit Radio Bulletin november 1985)

Inleiding

Het uiteindelijke doel van dit artikel is de vervaardiging van een versterker zonder compromissen en tegen een redelijke prijs, een versterker die evenwel voldoet aan de hoogste eisen. Om dat te bereiken moet aan enkele voorwaarden zijn voldaan. Het schakelconcept en de keuze van de onderdelen moeten van te voren worden vastgesteld met deze uitgangspunten in het achterhoofd. de schakeling moet zonder over-all-terugkoppeling toch een lage niet-lineaire vervorming opleveren, zodat de meestal door een overmatige terugkoppeling ontstane stabiliteitsproblemen en toenemende vervorming achterwege kunnen blijven.

De trappen moeten daarom met een geringe plaatselijke terugkoppeling reeds goede resultaten opleveren, om met weinig trappen toch een hoge open kringversterking te bereiken.

Voor de eindtrapschakeling zijn vooral FET’s in de klasse A-instelling zeer geschikt. De lineaire karakteristiek bij een geringe sourcestroom laat het voordeel van een klasse A-versterker goed tot zijn recht komen. Bovendien zijn ze wegens de theoretisch oneindig hoge ingangsimpedantie eenvoudig en probleemloos aan te sturen, hetgeen de schakeling in vergelijking tot bipolaire transistoren, met hun hoge stuurstroomverbruik, er veel overzichtelijker op maakt.

Verdere voordelen van het gebruik van FET’s zijn het ontbreken van het beruchte second breakdown-effect enerzijds en de positieve temperatuurcoëfficiënt anderzijds.

Beide voordelen tezamen zorgen voor een hoge mate van bedrijfszekerheid zonder bijkomende schakelingsmaatregelen als stroombegrenzing of temperatuurcompensatie. Bovendien laten FET’s zich zonder problemen parallel schakelen.

Bij FET’s worden in de PN-overgangen geen ladingen opgeslagen, daardoor zijn ze beduidend sneller dan bipolaire transistoren, hetgeen een hogere grensfrequentie tot gevolg heeft. Hiermee hangt samen dat ze na een oversturing een korte hersteltijd kennen, wat vooral bij korte pieken positief werkt op het transmissieniveau.

Technische gegevens

Sinusvermogen in 4 Ohm
20W
Frequentiegebied
20 Hz tot 20 kHz: +0 tot 0,5 dB,
10 Hz tot 60 kHZ: +0 tot 3 dB.
Ingangsvolume voor volledige uitsturing:
0,7775 V = 0 dB.
Spanningsversterking:
22 dB.
Ingangsimpedantie:
40 kOhm
Signaal-ruisafstand
(bij 100 mW in 4 Ohm),
lage kwaliteit: -66 dB,
bij A-kwaliteit: -90 dB.
Niet-lineare vervorming,
bij volledige uitsturing: -84 db (0.006 %)
bij 5 W in 4 Ohm: -100 dB (0,001 %).
Intermodulatievervorming
(sinus 19 kHz + 20 kHz; 1:1 bij volledige uitsturing): -79 dB (0,011 %).
TIM-vervorming
(blokgolf 3,18 kHz + sinus 15 kHz; 4:1 bij volledige uitsturing): -80 dB (0,01 %).
Maximaal opgenomen vermogen:
(zonder uitsturing) 80 W per kanaal.
Ruststroom
2 A per kanaal

Nadelen

Tegen het gebruik van een klasse A-versterker spreken de gigantische dissipatie, de slechte werkingsgraad en, in verhouding tot andere eindtrapschakelingen, de slechte prijs-prestatieverhouding. Dit komt voornamelijk door de hoge kosten voor het netvoedingsgedeelte en de koellichamen. Dit alles zal echter een doorgewinterde klasse A-fan niet van zijn stuk brengen en de lust om deze schakeling na te bouwen niet ontnemen. Een goed geluid is voor hem namelijk het belangrijkste. Bovendien is juist bij eindtrappen van grote kwaliteit de besparing door zelfbouw zeer groot. Een vergelijkbare klasse A-versterker kost namelijk in de handel al snel het vijf- tot tienvoudige!

Netvoeding

Omdat de cascadeschakeling van de voortrap een tamelijk hoge voedingsspanning nodig maakt en omdat juist de voeding van de eindtrappen door het verlies zo laag mogelijk moet worden gehouden, is er voorzien in twee verschillende voedingsspanningen. De hogere spanning van de voortrap zorgt tevens voor een grotere onderdrukking van oscillatieneigingen en een betere overspraakdemping.

Netvoeding voor de eindtrap. Voor de stuur-en voorversterkertrap is nog een symmetrische voeding nodig, die minder behoeft te kunnen leveren.
Afb.1: Netvoeding voor de eindtrap. Voor de stuur-en voorversterkertrap is nog een symmetrische voeding nodig, die minder behoeft te kunnen leveren.

Voor de voor- en stuurtrap wordt een symmetrische standaardvoeding gebouwd. Een transformator met middenaftakking, gelijkrichtdioden, afvlakcondensatoren en spanningsstabilisatoren; dat zijn de ingrediënten van een voeding die ongeveer 12 mA per kanaal moet kunnen leveren. De eindtrapvoeding is ongestabiliseerd en heeft geen stroombegrenzing. Dat is expres gedaan om de geluidskwaliteit van de versterker niet nadelig te beïnvloeden. De spanning bedraagt ongeveer 20 V, bij een stroomverbruik van minstens 3,6 A per kanaal.

Ter bescherming van de robuuste FET’s dienen eenvoudige smeltzekeringen voor kortsluitingen of bij te lage uitgangsimpedantie. Het principeschema van de voeding voor de eindtrap zien we in afb. 1.

Werking

Blokschema van de versterker
Afb. 2: Blokschema van de versterker

In het blokschema afb. 2 zien we de drie versterkertrappen: de verschilversterker, de spannings- en de vermogenstrap. Bij een hoge open lusversterking (Vol>>100) kan men de gesloten lusversterking bij benadering uitrekenen:

formule_1

Het gehele concept wordt door deze eenvoudige verhouding bijzonder simpel gemaakt en omvangrijke berekeningen om de totale versterkingen te bepalen worden overbodig.

Afb. 3: Principeschema van de klasse A-versterker van 20W
Afb. 3: Principeschema van de klasse A-versterker van 20W

Opvallend aan de schakeling (zie afb. 3) is vooral de volledige symmetrische samenstelling die in grote mate bijdraagt tot vermindering van de vervorming. De ingangstrap is een verschilversterker, die zonder al te grote ingrepen reeds behoorlijk vervormingsarm is. Daarom kan de terugkoppeling door de emitterweerstande R11 en R4 verhoudingsgewijs laag uitvallen, zonder dat daarmee een hoge open lusversterking wordt bereikt. De verschilversterker biedt het voordeel bovendien dat de « over-all »-terugkoppeling eenvoudigweg door het terugvoeren van het signaal via een spanningsdeler op de tweede ingang van de verschilversterker kan geschieden.

De twee verschilversterkers werken door middel van constante stroombronnen (R31, R32, C4, C5, T3, T6, D1 en D2), daardoor worden de instelpunten vastgelegd en van de voedingsspanning ontkoppeld.

Symmetrie

De symmetrische samenstelling dient hier bovendien voor de wederzijdse basisstroomverzorging van de transistoren. Het basisrustpotentiaal ligt via R2 enerzijds en via R4, R5 en R10 anderzijds aan de massa en dus op 0 V, omdat hierin de ruststand geen stroom vloeit.

De constante stroombronnen worden door R31 en R32 op ongeveer 1 mA ingesteld. Dit is een goede middenwaarde tussen het ruisen van de transistor, die immers toeneemt naarmate de stroom groter wordt, en de vervorming die de eenzijdige belasting van de verschilversterker door de stroombehoefte van de stuurtransistoren met zich meebrengt. De stuurschakeling zelf is een bipolaire tegenfase-cascadeschakeling, bestaande uit de transistoren T7, T8, T9 en T10. In dit gedeelte is de meeste ontwikkelingsarbeid gestoken. Na het uitvoerig uitproberen en meten van zes verschillende stuurschakelingen werd deze bipolaire cascade uitgekozen. Minder goed bleken bijvoorbeeld eenvoudige tegenfaseschakelingen, tegenfase darlingtons of VMOS-stuurtorren. De cascaden krijgen hun voorspanning uit de constante stroombron uit R17-D3 en R18-D4. Hun sturing hangt onmiddellijk samen met de spanningsval over de collectorweerstanden van de verschilversterker. De ruststroomdoor de cascade wordt ook door de spanning bepaald en is daardoor van de rustroom van de verschilversterker afhankelijk. In de ruststroomkring van de cascade zit nog instelpotentiometer P3 en de emitterweerstanden R19 en R20, die voor een geringe mate van terugkoppeling van de eveneens vervormingarme cascade zorgen. De ruststroom door de cascade ligt ongeveer bij 10 mA, om ook bij hoge frequenties aan het stroomverbruik van de FET’s tegemoet te komen. De stuurruststroom stelt met de spanningsval over P3 de voorspanning van de FET’s in en daardoor de ruststroom van de eindtrap. Die kan zonder problemen liggen in het gebied van 0 tot 4 A.

De schakeling van de eindtrap is zeer eenvoudig te noemen. De sourceweerstanden R25, R26, R27 en R28 zorgen voor een geringe tegenkoppeling en heffen de exemplaarspreiding tussen de FET’s onderling op. De weerstanden R21, R22, R23 en R24 en de condensatoren C6, C7, C8 en C9 voorkomen instabiliteit van de eindtrap. De dioden D5, d6 D7 en D8 dienen om te voorkomen dat de gate-sourcespanning tot een te hoge waarde zou kunnen oplopen bij oversturing of kortsluiting van de uitgang.

Berekeningen

Het instelpunt en de voedingsspanning van de eindtrap kunnen met de volgende formules worden berekend:

Puit = 20 W

formule_2

Dit is 1,58 A per eindtrap. De gekozen ruststroom is 2A.

formule_3

De ruststroom wordt zo hoog gekozen om de FET’s ook bij een minimale stroom van 0,4A toch lineair te laten werken. De laagst mogelijke voedingsspanning vinden we door de maximale uitgangsspanning te vermeerderen met de spanningsval in de FET-weerstanden in uitgestuurde toestand
(RDS on):

formule_4

De voedingsspanning wordt vastgesteld op ongeveer 20V. Uit de voedingsspanning en de ruststroom kunnen we het gebruikte vermogen berekenen:

formule_5

Dit lijkt erg veel, doch dit is bij de echte klasse A-versterkers onvermijdelijk. Bovendien wordt dit opgenomen vermogen behoorlijk kleiner naarmate de uitsturing groter wordt, hetgeen bij normaal gebruik het geval is.

Ingangsfilter en terugkoppeling

De laatste, nog niet beschreven, delen van de schakeling zijn het ingangsfilter en het terugkoppelingscircuit. Het ingangsfilter met R3, R4, R5, C2 en C3 is een banddoorlaatfilter met een breedte van 5 Hz tot 60 Hz. Hierdoor wordt de bandbreedte van de gehele schakeling zowel naar boven els naar onderen slechts door passieve bouwelementen bepaald. Dat is nodig om begrenzing van het frequentiegebied door het actieve hoogdoorlaatfilter van het terugkoppelcircuit, bestaande uit R1, R2 en C2, te vermijden. Een dergelijke begrenzing van de frequentie is altijd een probleem en leidt gemakkelijk tot instabiliteit. De bovenste grensfrequentie van het passieve ingangsfilter ligt met 60 kHz beduidend onder de grensfrequentie van de actieve trappen, waardoor de gevreesde TIM-vervormingen worden uitgesloten. Het gehele ingangsfilter ligt niet rechtstreeks aan massa, maar via de laagohmige weerstand R10, hetgeen dient om het gevaar van aardlussen en brom te vermijden.

Afb. 4: Printontwerp. Klik op de afbeelding voor een 150dpi versie.
Afb. 4: Printontwerp. Klik op de afbeelding voor een 150dpi versie.
Afb. 5: Componentenopstelling. Klik op de afbeelding voor de grote versie.
Afb. 5: Componentenopstelling. Klik op de afbeelding voor de grote versie.
Afb. 6: De gemonteerde print
Afb. 6: De gemonteerde print
Afb. 7: Montage van de eindtransistoren op het koellichaam en de print.
Afb. 7: Montage van de eindtransistoren op het koellichaam en de print.

Het terugkoppelnetwerk bepaalt, zoals reeds eerder vermeld, bij een voldoende hoge open lusversterking alleen de totale versterking. Met de aangegeven weerstanden wordt deze op ongeveer 13 ingesteld, zij is echter, indien gewenst, gemakkelijk door vervanging van de weerstanden te veranderen, bijvoorbeeld voor het verhogen van de ingangsgevoeligheid.

In dit deel zorgt de condensator C1 voor een toenemende tegenkoppeling voor lage frequenties en voor een theoretisch oneindige tegenkoppeling en dus een versterking van 0 voor gelijkspanning. Daardoor ligt de uitgang op het gelijke spanningspotentiaal als de ingang, namelijk op 0V.

Bouw

Voordat de print (zie alb. 4, 5 en 6) wordt voorzien van componenten moeten nog enige voorbereidende werkzaamheden worden verricht. Daartoe behoort ten eerste het boren van de gaten in de montagehoeken en de koellichamen. Daartoe kan men het beste de koellichamen en de steuntjes op de print klemmen en door en door een gat boren, zodat de montage van de FET’s en de print zelf vlekkeloos kan verlopen.

Spoel L1 wordt gerealiseerd door vijftien windingen geïsoleerd koperdraad op een weerstand van 1 Ohm te wikkelen. De koperdraad wordt op de aansluitdraden van de weerstand gesoldeerd, waarna het geheel op de print kan worden gemonteerd.

De beide netvoedingen moeten het eerst worden gebouwd om ze van te voren goed te kunnen testen. Twee netvoedingen zijn overigens minimaal: het verdient aanbeveling gescheiden netvoedingen te gebruiken voor elk kanaal, dus vier in totaal. De bouw van de gestabiliseerde netvoedingsgedeelte volgens een van de vele standaardschakelingen is eenvoudig. Problemen zou de benodigde transformator voor het eindtrapgedeelte kunnen geven. Voor stereogebruik moet deze toch minstens 7 tot 8A kunnen leveren, voor mono minstens 3,6A. Omdat we net onze tijd meegaan nemen we daarvoor een ringkerntrafo en wel 2 x 15V, 4A, bijvoorbeeld nr. 36.629.000 van Amroh, die deze flinke jongen in voorraad heeft. Ook een ringkerntrafo van 7,5A en 2x 15V behoort tot de mogelijkheden.

Nu komt het solderen van de componenten op de versterkerprint. In de bekende volgorde worden weerstanden, condensatoren, dioden en transformatoren aangebracht. Hierbij worden de gate weerstanden van de FET’s en de keramische afvlakcondensatoren op de printzijde gesoldeerd ten einde de aansluitdraden tussen deze componenten en de FET’s zo kort mogelijk te houden. De MOSFET’s zelf worden met micaplaatjes, isoleernippels en veel warmtegeleidende pasta in de gaten op het koellichaam gemonteerd. Het koellichaam en de FET’s worden eerst aan de print bevestigd en dan pas gesoldeerd.

Hoe een en ander gemonteerd moet worden, laat afbeelding 7 zien.

Afregeling

Na een optische controle van de print of de componenten goed zijn gemonteerd (polariteit) of er kortsluitingen zijn of juist onderbrekingen komen we bij het afregelen.

Dit afregelen beperkt zich eigenlijk tot het instellen van de ruststroom van de eindtrap. Eerst wordt met een ohmmeter bekeken of de weerstand van de beide aansluitpunten van de meerslagpotentiometer P3 0 ohm bedraagt. Zo niet dan wordt P3 op de juiste wijze verdraaid.

Aansluitend kunnen de netvoedingen worden aangesloten en kan (zonder luidsprekers) de bedrijfsspanning worden ingeschakeld. Indien deze voorhanden zijn kan men voor deze test twee voedingen met stroombegrenzing; de FET’s zijn, zoals eerder vermeld, bijzonder robuust en niet zo gemakkelijk te vernielen.

Gaat dit allemaal zonder dat rookverschijnselen optreden, dan is de eindtrap al bedrijfsklaar. Tenminste als klasse B-versterker. Nadat een ampèremeter in een van de voedingsleidingen van de eindtrap is geplaatst, wordt nu door het verdraaien van P3 de ruststroom op 2 A ingesteld. Omdat nu de FET’s en de koellichamen erg warm worden (tot 90°C), wordt de ruststroom na ongeveer tien minuten opnieuw ingesteld. Deze zal ondertussen tot 1 à 1,5 A zijn gedaald. De eindtrap is echter ook bij iedere andere ruststroom tussen 0 en 2 A bruikbaar en wordt dan geclassificeerd als B – respectievelijk AB-versterker.

Voor men de eindtrap in gebruik neemt moet men nog met een voltmeter testen of de uitgang spanningsvrij is. De gelijkspanning aan de uitgang mag niet meer bedragen dan 20 mV.

Bij de inbouw van de versterker is het verstandig de koellichamen als zijwand te gebruiken, met profielbalken te verbinden en de voor- en achterwand, zowel als de boven- en onderkant hieraan aan te passen. In de vrije ruimte in het midden passen dan de netvoedingen. De gelijkrichters worden rechtstreeks op de bodem gemonteerd, in- en uitgangsaansluitbussen en de drie inbouwzekeringhouders horen aan de achterkant.

Kwaliteit

Het bouwontwerp laat zien dat met verhoudingsgewijs weinig onderdelen een uitstekende klasse A-versterker te bouwen is. De hoge kwaliteit van de versterker ontstaat niet zozeer door ingenieuze schakelingtrucs, doch louter door consequente toepassing van eenvoudige constructiemaatregelen zoals onder meer gematigde, maar effectieve, terugkoppeling en het vermijden van TIM-vervorming door passieve frequentiebandbegrenzing. De uitstekende meetwaarden kunnen echter nog niet bepalen hoe goed zo’n versterker “klinkt”. Bij het subjectief beoordelen spelen nu nog onbekende criteria een rol, die meettechnisch niet zijn vast te stellen. Naar huidige maatstaven leveren klasse A-versterkers volgens luisteraars het mooiste beeld op. De beste klasse A-versterker klinkt echter zo goed als zijn luidsprekers. Dan pas kan de A-versterker zijn superioriteit bewijzen.

Onderdelenlijst

Weerstanden 5%, ¼ W
R1 18 kΩ
R2 2,2 kΩ
R3 470 kΩ
R4 47 kΩ
R5, R6, R7,R8, R9 4,7 kΩ
R10 10 Ω
R11, R12,R13,R14 220 Ω
R15, R16,R17, R18 10 kΩ
R19, R20 270 Ω
R21, R22,R23, R24 1 kΩ
R25, R26,R27, R28 0,22 Ω, 5W
R29 1 Ω, 1 W
R30 4,7 Ω, 1 W
R31, R32 3,3 kΩ
P3 5 kΩ, 10-slags-potentiometer
Halfgeleiders
D1, D2 ZPD3,9V
D3, D4 ZPD18V
D5, D6 ZPD12V
D7, D8 1N4148
T1, T2, T3,T9, T10 BC550
T4, T5, T6,T7, T8 BC560
T11, T12 2SK133 of K135HITACHI
T13, T14 2SJ48 of J50HITACHI
Condensatoren
C1 220 µF, bipolaire elco, 12 V
C2 0,68 µF
C3 470 pF
C4, C5, C6, C7 100 µF, elco staand model,25 V
C8, C9 220 nF, keramisch
C10 100 nF
C11, C12 68 pF
Diversen
L1 2 µH is 12 à15 wdg. Cul-draad, 1 mm Ø, gewikkeld op R29
Koellichaam thermische weerstand < 0,4 K/W, bijv. SK91 of SK56, 150 m lang
Koelhoek zie boorplan,4mm dik
Netvoeding
Transformator 2x15V,minstens 3,6 A per kanaal
Gelijkrichter 10A-brugcel,metaal- uitvoering
Afvlakcondensatoren 2 x 20.000 µF, 25V
Zekeringshouders, zekeringen,netschakelaar en stekkernetdeel

1 thought on “Klasse A-versterker van 20 Watt

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *