Hybrydowy wzmacniacz słuchawkowy

Modyfikacja obwodów zasilania

Dostosowanie układu wzmacniacza do zasilania z innego typu transformatora

Często słucham muzyki na słuchawkach z komputera. Niestety przeciętna karta muzyczna nie potrafi dobrze wysterować bardziej wymagających słuchawek. Ponadto jakość dźwięku tanich, zintegrowanych kart muzycznych pozostawia wiele do życzenia. Dlatego postanowiłem zbudować sobie urządzenie, które zastąpi kartę muzyczną i poradzi sobie z napędem słuchawek.

Moje urządzenie to połączenie USB-DAC (zewnętrzna karta muzyczna USB) ze wzmacniaczem słuchawkowym. DAC zbudowałem na popularnym układzie PCM2704 wg. nieznacznie zmodyfikowanej standardowej aplikacji. Większy dylemat miałem z wyborem wzmacniacza słuchawkowego. Ostatecznie zdecydowałem się na projekt "ybrydowy wzmacniacz słuchawkowy" - autorstwa Pana Stanisława Chrząszcza - opublikowany w EdW 1/2010.

Fot.1 Wnętrze zmontowanego urządzenia

Uruchomienie i... problemy. Płytkę wzmacniacza przeprojektowałem tak, aby zmieściła się w obudowie z zasilacza komputerowego wraz z transformatorem zasilającym oraz płytką układu DAC. Po zmontowaniu części zasilającej przystąpiłem do testowego rozruchu i.. BUM. Po dwóch sekundach od włączenia prądu, jeden z kondensatorów zaczął syczeć i zanim zdążyłem wyłączyć zasilanie, eksplodował. To nie był błąd montażu. Problem leżał gdzie indziej, a jego odkrycie wymagało analizy układu zasilacza. Aby ją opisać muszę tu przypomnieć schematy oryginalnego projektu.

Rys.1 Schemat układu wzmacniacza

Rysunek 1 przedstawia układ wzmacniacza. Jest to wzmacniacz hybrydowy, w którym pierwszy stopień zrealizowano w oparciu o lampę elektronową - triodę, w drugim stopniu zastosowano tranzystory MOSFET. Ze schematu widać, że do zasilania układu potrzebne są dwa napięcia: 18-20V dla tranzystorów oraz 70-80V dla obwodów anodowych lampy. Jak wiadomo, lampa elektronowa wymaga jeszcze osobnego napięcia dla obwodu żarzenia. W tym układzie jest to zrealizowane bardzo oryginalnie i pomysłowo - poprzez wykorzystanie w tym celu prądu podkładu tranzystorów końcowych. Z uwagi na ich pracę w szlachetnej klasie A, prąd podkładu jest dość spory.

Rys.2 Oryginalny schemat zasilacza

Zatem jak wygląda oryginalny schemat zasilacza? Jest on zaprezentowany na rysunku 2. Potrzebne dwa napięcia są wytworzone z pojedynczego uzwojenia transformatora o napięciu 20-24V. Napięcie to wyprostowane na diodzie D1 i wygładzone na kondensatorze C101 trafia do układu LM317, który stabilizuje je do wymaganej wartości 18-20V. Jednocześnie napięcie z transformatora jest powielone w układzie z diodami D2,D3 oraz kondensatorami C104 i C105. Po powieleniu napięcie jest wygładzone filtrem CRC (C109-R104-C110).

Rys.3 3-stopniowy powielacz napięcia

Analiza działania powielacza. Jest to praktycznie standardowy, 3-stopniowy powielacz napięcia Villarda - rysunek 3. Podstawowa różnica względem układu książkowego, to sposób podłączenia kondensatora C109, który tutaj jest jednocześnie elementem filtru.

Przy zasilaniu układu napięciem przemiennym 24V (ok. 34V po wyprostowaniu), napięcie anodowe po 3-krotnym powieleniu powinno wynosić ok 100V. Mój kondensator eksplodował, co oznacza że było na nim zbyt duże napięcie.
Dlaczego?

Otóż do zasilania zastosowałem solidnie wykonane trafo TS-15/80. Byłem pewien, że jego napięcie znamionowe na wyprowadzeniach to 2 x 12V. Nie sprawdziłem tego i to był mój podstawowy błąd. Właśnie to napięcie, które zamiast zakładanych 24V, miało na skrajnych zaciskach ponad 35V, spowodowało eksplozję. Skąd taka różnica? Otóż napięcie katalogowe transformatora to 2 x 15,7V. Ponadto pochodził on z czasów gdy w sieci napięcie miało wynosić 220V. A u mnie w domu w godzinach nocnych zamiast znamionowego 230V w gniazdku jest 246V !

Teraz wszystko jasne - napięcie z transformatora po wyprostowaniu miało 48V, a na wyjściu powielacza już ponad 150V. Do działania lampy mogło być odpowiednie, ale należałoby wymienić wszystkie kondensatory powielacza i filtra na znacznie droższe, o wyższym napięciu przebicia. Napięcie 48V stanowi również problem dla stabilizatora LM317, który musiałby "wytracić" prawie 20V. Pierwszy wniosek - mój transformator nie może współpracować z tym układem. Ale skoro nie mogę (i nie chcę) zmieniać transformatora, to trzeba zmienić układ.

Rys.4 4-stopniowy powielacz napięcia

Zmiany, zmiany... Spróbowałem zasilić układ z jednego uzwojenia symetrycznego, a nie z połączenia szeregowego, jak dotychczas. O ile stabilizator miał teraz właściwe warunki zasilania - napięcie stałe ok. 24V (tylko max 6V spadek), o tyle powielacz wytwarzał napięcie 70V. Po obciążeniu, napięcie to spadnie, a to trochę za mało dla właściwej pracy nawet niskonapięciowej lampy ECC88. Postanowiłem więc zasilić układ z jednego uzwojenia, ale przerobić powielacz z 3 na 4-stopniowy. Przedstawiłem to na rysunku 4. Zmiana polega na dołożeniu dwóch nowych elementów D22 i C22. Jak się okazało, zmiana nie musi pociągać za sobą żadnych drastycznych przeróbek samej płytki. Otóż w miejsce kondensatora C105 (tego który eksplodował) oraz diody D2 wmontowałem połączone szeregowo dwa nowe kondensatory C22-C105. Ich skrajne wyprowadzenia trafiły w poprzednie miejsce C105, a do środkowego połączenia podłączyłem dwie diody - starą D2 do drugiego wyprowadzenia transformatora oraz nową D22 do wyprowadzenia kondensatora C104. Nawet nie trzeba było ciąć ścieżek. Po uruchomieniu okazało się że po czterokrotnym powieleniu, napięcie sięga 100V.

Rys.5 Schemat zasilacza po modyfikacjach

Wszystko byłoby już w porządku, gdyby nie to, że obciążałem tylko jedno uzwojenie transformatora - wykorzystując połowę jego możliwości. Połączenie równoległe uzwojeń nie wchodziło w grę z uwagi na budowę transformatora - fabrycznie połączone środki obu uzwojeń. Zresztą równoległe połączenie uzwojeń w nawet najstaranniej wykonanym transformatorze powoduje przepływ (zwykle niewielkiego) prądu wyrównawczego, który niepotrzebnie nagrzewa uzwojenia. Zrobiłem więc inaczej. Powielacz pozostawiłem zasilany z jednego uzwojenia. W tym układzie największe obciążenie stanowi obwód z tranzystorami końcowymi oraz żarzeniem lampy. Pierwotnie w tym obwodzie był zastosowany prostownik jednopołówkowy. Podłączając do układu drugie uzwojenie, poprzez dodatkową diodę D11, uzyskałem prostownik dwupołówkowy. Stabilizator LM317 pracuje w pełni wydajnie, w komfortowych warunkach - pozostawiłem poprzednią nadmiarową filtrację. Na rysunku 5 przedstawiłem ostateczny układ zasilacza po wszystkich moich modyfikacjach.

Fot.2 Modyfikacja zasilacza

Podsumowanie. Fotografia 1 przedstawia wnętrze zmontowanego urządzenia. Wewnątrz obudowy znajduje się transformator zasilający, duża płytka wzmacniacza z zasilaczem oraz druga mniejsza - DAC. Na fotografii 2 widoczna jest modyfikacja zasilacza (kondensatory w tandemie i diody w "ająku"). Na tylnej ściance (fotografia 3) znajduje się gniazdo zasilania, wyłącznik, bezpiecznik oraz gniazda wejściowe: RCA i USB. Zmontowane urządzenie widoczne jest na fotografii 4. Na przednim panelu umieściłem przełącznik wejść USB/RCA, gniazdo słuchawek oraz gałkę głośności. A w samym środku przedniej ścianki znajduje się okienko ze szklaną szybką, przez które można oglądać lekko żarzącą się lampę elektronową.

Fot.3 Tylna ścianka urządzenia

Po drobnych perypetiach, projekt doprowadziłem do końca. Wzmacniacz w klasie A gwarantuje znakomity napęd dla słuchawek, a nowy zasilacz zapewnia jego stabilną pracę. Pomimo zwartej budowy wzmacniacza, brak jest brumu i innych niekorzystnych zjawisk. Urządzenie w pełni spełnia swoją funkcję - jestem mile zaskoczony, gdyż brzmienie wzmacniacza znacznie przerosło moje oczekiwania. Funkcjonalność zwiększa układ DAC, którego parametry są znacznie lepsze, niż wbudowanej karty muzycznej. Dodatkowo interfejs USB eliminuje potencjalne zakłócenia pochodzące od pracy komputera.

Fot.4 Kompletny wzmacniacz w działaniu

---

Powyższy artykuł ukazał się w czasopiśmie "Elektronika dla Wszystkich" w numerze 9/2012

Oryginalny projekt hybrydowego wzmacniacza (autorstwa Pana Stanisława Chrząszcza) ukazał się w numerze 1/2010

Do pobrania z elportalu:

• Hybrydowy wzmacniacz słuchawkowy klasy A - płytka drukowana (ZIP, 118kB)

W sklepie AVT (sklep.avt.pl) można kupić płytkę do oryginalnego projektu:

• AVT2928 A HYBRYDOWY WZMACNIACZ SŁUCHAWKOWY KLASY A

Ponadto ze sklepu avt można pobrać:

• Kompletny opis oryginalnego projektu w formacie PDF

Opis jest też dostępny na stronie autora projektu:

• skarabo.net >> nie tylko lampowe > hybryda słuchawkowa klasa A, lampa i MOSFET

---

Uzupełnienie

Testy:

Wzmacniacza używam już od prawie roku, a słuchanie muzyki za jego pośrednictwem daje dużo przyjemności. W międzyczasie wzmacniacz testowałem z rozmaitymi słuchawkami - m.in. Philips sh5401 (moja hybryda słuchawkowa), Koss Porta Pro, Sennheiser hd 545, Superlux HD-681, Tonsil SD 409. Dzięki uprzejmości kol. Spalon z forum audiohobby.pl mogłem przetestować również Tonsil sd 524 i Tonsil SD 426, oraz co ważniejsze inne typy lamp - Philips SQ oraz Electro-Harmonix 6922 EH.

Z wyniku porównań wynikło że z wzmacniaczem lepiej brzmią słuchawki jasne, monitorowe. Ciemnie i ciepłe słuchawki (jak np. Tonsil SD 426, które wspaniale - ciepło i nienatarczywie - brzmiały z wzmacniaczem tranzystorowym) tutaj były zbyt ospałe. Odniosłem wrażenie że czasem w przekazie gubią się pewne detale na średnicy. Ale może to wynikać z faktu że to słuchawki 600ohm, a moja hybryda preferuje raczej niskoomową impedancję obciążenia.

Jeśli chodzi o lampy - używam Tesla E88CC Gold. Próbowałem również zwykłej Tesli ECC88 - zdecydowanie odpadła w przedbiegach (brzmienie suche, bas niezbyt głęboki, lekko rozmyty i jazgotliwe wysokie tony). Krótkie porównanie z wymienionymi wcześniej lampami:

• Tesla E88CC Gold - Znacznie lepiej od zwykłej. Bas głębszy ale trochę rozlazły. Więcej przestrzeni. Góra uspokojona ale detaliczna.
• Philips SQ - Jeszcze więcej przestrzeni i bardzo, bardzo ciepło chociaż bas szczuplejszy ale sprężysty i konkretny. Dużo powietrza, piękna średnica. Wysokie wycofane, uspokojone. Znakomita przestrzeń.
• Electro-Harmonix 6922 - Brzmienie szybkie i sprężyste, zrównoważone w pełnym zakresie. Bas krotki impulsowy ale nie osłabiony. Bardzo przejrzyste wysokie. Na moich słuchawkach ani śladu jazgotu który jest odczuwalny na Teslach. No i ta przestrzeń - niesamowita - w końcu rozumiem co znaczy określenie holografia ! No i EH najładniej się świeci ;-)

Miałem dylemat z wyborem pomiędzy Tesla E88CC Gold a 6922 EH. Tesla jest niezła do jazzu i składów kameralnych - bardzo głęboki bas i ciepłe brzmienie. Natomiast do rocka i muzyki klasycznej tylko Electro Harmonix - faktycznie bardzo szybkie i dynamicznie brzmienie. Ale w kameralnych składach też sobie znakomicie radzi - zwłaszcza w precyzyjnym kreowaniu sceny - nie sądziłem że moje słuchawki to potrafią. Niestety w moim wzmacniaczu nie sprawdza sie Philips. Jest fajna przestrzeń, ale zbyt ciepło, czasem kluchowato, ospale. Myślę że jest to związane z samą konstrukcją wzmacniacza. Stopień końcowy to mosfety w klasie A które same z siebie są dość ciepłe. Jeśli zostaną dodatkowo ocieplone stopniem wstępnym to robi sie zbyt gęsto. Potrzebna jest dla równowagi szybka lampa taka jak EH.

Electro-Harmonix 6922 to lampa na kupno której być może się skuszę. Słuchanie z nią dało mi najwięcej frajdy. Natomiast według autora oryginalnego projektu - Pana Stanisława Chrząszcza - najlepiej gra 6n23p - niestety nie miałem okazji jeszcze tego sprawdzić.

Pomiary:

Na forum audiohobby zamieszczono pomiary innego egzemplarza wykonanego wg. pierwotnego projektu:

• Moc wyjściowa: około 300[mW]/32[ohm]
• Pasmo przenoszenia: 20 [Hz] - 22 [kHz] (-0,1 [dB]) 7 [Hz] - 78 [kHz] (-3 dB)
• Zniekształcenia THD: poniżej 0,05% (1[kHz])

Obudowa:

Jak wcześniej pisałem obudowa została zaadoptowana z zasilacza komputerowego. W innym artykule opisuję jak wykonać estetyczny panel przedni z trawionego aluminium.