Endstufe für Testzwecke

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zucker
Inventar

#1 erstellt: 17. Mrz 2010, 15:51

Für viele, die zunächst erstmal eine einfache Endstufe aufbauen und verstehen wollen, gibt es hier einen Plan mit Layout dazu. Die kleine Endstufe liefert 30W sin an 4R Last.

Plan zum ausdrucken

30W Endstufe asymmetrischer Aufbau Layout

Die Platine ist für den universellen Aufbau der folgenden asymmetrischen Pläne erstellt. Es dürfen immer nur die Bauteile bestückt werden, die im nachzubauenden Plan aufgeführt sind!

Layout ist mit "Sprint Layout 5.0" erstellt.

Auf der Webpage der Firma abacom kann man eine Demoversion laden oder die Software erwerben

Es handelt sich um eine Endstufe in diskreter Bauweise mit einer asymmetrischen Ansteuerung einer AB Schaltung. Asymmetrisch bedeutet, daß wir hier nur einen Differenzverstärker als Eingangstufe haben, welcher durch einen Spannungsverstärker an die reinen Stromtreiber gekoppelt ist.
Der Einfachheit halber ist im Gegenzweig des Spannungstreibers eine Bootstrapschaltung eingefügt (C9, R6 und R7).
Der Differenzverstärker erhält eine Stromquelle (Z1,R16,R14 und Q9), wobei auf Emitterwiderstände für den reinen Diff-Verstärker auch hier einfachheitshalber verzichtet wurde.
Wird dieser Plan nachgebaut, sind die Widerstände R23,R24 und R25 durch Brücken zu ersetzen.

Mit der Kombination R19, R20, R21 und R17 bekommen wir den Ausgang der Stufe gleichspannungsmäßig auf 0V eingestellt.
R9 ist für die Einstellung des Ruhestromes zuständig, welcher sich bei ca. 20...30mA bewegen sollte.
Das Eingangssignal ist mit 775mV (0dbu) für Vollaussteuerung ausgelegt.
Die Stromversorgung beträgt 2 x 21.5V, also 21.5V Ub+ und 21.5V Ub-. Dazu genügt ein einfaches Netzteil mit Graetzbrücke und einer Siebung mit 2 x 2200µ/35V. Der Trafo sollte mit 2 x 15V~ / 100VA bemessen sein.

Was geschieht im Einzelnen.

Zunächst die reine Endstufe mit den Stromtreibern:

Q1 und Q2 bilden die reine Endstufe als Emitterfolger. Gemeinsam mit den Stromtreibern Q3 und Q4, sowie dem Ruhestrom-T Q5 werden diese Transistoren auf einen kleinen Kühler SK68 (90x46x33) befestigt, welcher wiederum auf der Leiterplatte mittels 2 M3 Schrauben aufgesetzt ist. Zwischen den T und dem Kühler wird eine Glimmerscheibe gelegt, um die elektrische Isolation zu gewährleisten. Q5 wird mit einem Tropfen Sekundenkleber an den Kühler geklebt, um eine direkte Wärmeleitung zu ihm herzustellen.

Im Leistungsfall und bei Vollast, wird über den jeweiligen End-T ein Strom von 4.25A Ics (Kollektorspitzenstrom) fließen, was bei ca. 20V Ub eine Leistung von ca 36W sin an 4R Last zuläßt.
In diesem Fall werden am T selber ca 1V als Ucesat (Sättigungsspannung des T) vernichtet, weitere 1.65V Ucs am Emitter-R R19 (R20). Von den ehemals 20V Ub bleiben für die Last demzufolge noch 17.35V Ucs (Kollektorspitzenspannung) übrig, welche in Sinusform 12V~eff für die Last über lassen. An 4R Last ergibt sich daraus eine Leistung von 36W~eff.
Die Leistung wird je nach verwendetem Trafo variieren - zu geringe Leistungszuführung wird die Betriebsspannung eher einbrechen lassen. Mit einem 100VA Trafo ist man auf der sicheren Seite.

R3 und R4 sind mit 24R bewertet, was am Anfang des B Betriebes der End-T einen Querstrom über Q3 (Q4) von ca. 30mA zuläßt. Um den sicheren B Betrieb ohne Übernahmeverzerrungen der beiden End-T sicherzustellen, wird mittels R9 der Ruhestrom der End-T auf 20...30mA gebracht. Dazu wird über R1 ein Multimeter geklemmt und die abfallende Spannung an diesem Widerstand gemessen. Sie soll bei 0.39R für R1 (R2) um die 10mV betragen.
R1 und R2 sollen 5W Widerstände sein oder höher belastbar.

Im Leistungsfall wir über die Re ein Spannungsabfall von ca. 520mV messbar sein.

C6 und C7 sollten nur im Notfall eingesetzt werden, sie stellen eine zusätzlichen cb Kapazität für die Stromtreiber dar und setzen damit auch deren obere Grenzfreq. herab. Notwendig werden solche Kondensatoren manchmal bei einem etwas unglücklichem Platinenlayout, wo die Leiterbahnen zwischen Spannungstreiber und Stromtreiber sehr lang sind oder mit anderen Bahnen etwas ungeschickt parallel verlaufen.

Die Bootstrapschaltung mit R6, R7 und C9:
Da wir an dieser Stelle einen festen Widerstand haben (R6+R7) wird an ihm auch immer eine Spannung abfallen. Normalerweise müßte man da einen aktiven dynamischen Widerstand einbauen (ein Transistor wäre soetwas), was aber die Schaltung verkompliziert. (Eine folgende Schaltung wird dieses haben). Um nun den Spannungsverlust über R6 und R7 im Amplitudendurchgang möglichst auszugleichen, kommt C9 ins Spiel. Er wird im Sperrfall von Q3/Q1 und im Leitfall von Q4/Q2 aufgeladen, weil sich die "Mitte" der Endstufe (also da wo der Knoten für die Last ist) und über R6 aufgeladen.
Wird nun der Leitfall für Q3/Q1 entstehen, entlädt sich C11 und gibt einen guten Ladungsschub in die Basis von Q3, womit dieser fast bis an seine Ucb Grenze aufgefahren wird. damit ist gewährleistet, daß der positive Zweig der Endstufe voll aufgefahren wird.
Berechnet werden die beiden Teil-R R6 und R7 als Ganzes / 3, wobei dann ein Teil für den oberen R6 und 2 Teile für den unteren R7 als Wert angewandt werden (E-Reihe beachten).
Diese Bauteile entfallen beim Aufbau der unten folgenden Pläne!

Der Ruhestrom mit Q5, R8, R9 und R10:
Liegt der Schleifer von R9 an R10, so ist Q5 gesperrt und der gesamte Strom von Ub+ kommend über R6 und R7 gelangt zur Basis von Q3 und steuert diesen auf. Der Ruhestrom geht ins unermeßliche, Stromtreiber und End-T werden davon Schaden nehmen.
Liegt jedoch der Schleifer von R9 an R8, so wird Q5 leitend und der gesamte Querstrom wird über ihn und Q6 nach Ub- abfließen, der Ruhestrom der Endstufe sinkt gegen 0 und es entstehen Übernahmeverzerrungen.

Nimmt man die Endstufe in Betrieb, muß der Schleifer an R8 anliegen und dann ganz langsam gen R10 gedreht werden. Dabei darf keine Last an der Endstufe und kein Signal am Eingang anliegen. Ein Multimeter mit 500mV Bereich wird über R1 geklemmt und abgewartet, bis es ca. 10mV anzeigt. Der Meßbereich darf auch gerne kleiner gewählt werden, umso genauer wird die Sache. Wenn 10mV anliegen, dann hat man in etwa einen Ruhestrom von 25mA bei 0.39R für R1. Man bedenke aber auch immer, daß die aufgedruckten 0.39R auf den Zementwiderständen nie perfekt stimmen.

Der Spannungstreiber Q6 macht aus dem kleinen Eingangssignal an seiner Basis einen sehr großen Hub der Amplitude, um die Stromtreiber aufzusperren und somit das Signal an der Last in verstärktem Maße erscheinen zu lassen.
C10 ist hier maßgeblich für die obere Grenzfreq. zuständig, welche übertragen werden soll. C10 ist der sogenannte "Millerkiller" Kondensator. Um hier Experimente mit der oberen Grenzfreq. durchführen zu können, ist dieser Bauteilplatz für 2 parallele Kondensatoren vorgesehen.
Für Q6 kann man zunächst einen BC 546 B verweden.

Der Differenzverstärker mit Q8 und Q7 erhält eine Stromquelle mit Q9. Die verwendete Z Diode kann auch durch eine LED ersetzt werden, was im nächsten Plan folgt. In diesem Fall müssen R14 und R16 neu berechnet werden, dann für den Spannungsabfall der LED1, die in etwa 2V Flußspannung (Uf) aufweist.
Hier nur LED oder Z verwenden, niemals beide Bauelemente einsetzten!

Die Verstärkung der Stufe ist mit 23.8db festgelegt, wobei R12 / R13 + 1 diese bestimmt.
C11 und R12 bestimmen ebenfalls die obere Grenzfreg, hier jedoch im globalen Rückkopplungszweig.
R13 und C12 bestimmen die untere Grenzfreq.

Achtung - auf dem Layout ist am Knoten R1,R2,R3,R4,C11,R12 eine Jumperbrücke eingesetzt. Diesen Jumper auf jeden Fall stecken. Für einen weiter unten folgenden Plan wird sie gezogen, die Erklärung folgt dann dort!

Am Eingang haben wir noch eine Symmetrieeinstellung mit R19, R20, R21 und R17. Ohne Signal und ohne Last soll am Ausgang der Endstufe gegen Masse 0V erscheinen. Tut es das nicht, so wird mittels R20 dieser Zustand hergestellt. Beim Einbau des R20 muß dessen Schleifer in Mittelstellung liegen.

R18 und C13 sind ein Filter, um sehr hohe Freq. von vornherein nicht in die Stufe zu lassen.

C14 ist der Eingangskoppel C, welcher eine mögliche Gleichspannung am Eingang nicht hereinläßt.
R28 ist ein Phasenreservewiderstand, der erst ab dem 3. Plan hinzukommt. Man kann ihn aber schon einlöten oder eien Brücke setzen.

R5 und C5 stellen das Boucherotglied dar. Für R5 kommt ein 2W Widerstand in Frage.

Das auf der Platine mit "L1 R27" bezeichnete Gebilde am Ausgang wird mit einer 0.5mm Drahtbrücke ersetzt. Eingefügt wird diese Kombination erst weiter unten.

Jetzt basteln wir im nächsten Plan einen "dynamischen" Widerstand statt der Bootstrapschaltung ein. Zum einen kann die Stufe nun gleichmäßig im positiven wie auch im negativen Zweig aufsteuern und der Klirr verringert sich.

Weiterhin bekommen die Diff-T je einen Re und die Stromquelle einen Rc.
Für die Re (R24,R25) sind Wertigkeiten von 22R gut geeignet, Rc (R23) wird wie im Plan angegeben berechnet und erhält einen guten Mittelwert von 5.6K Dieser Widerstand ist hier eigentlich nicht si wichtig, da die zulässige Uce des Stromtransistors nicht erreicht wird. Manchmal kann man aber mit so einem Widerstand einen Transistor verwenden, dessen Uceo überschritten werden würde.
Q7 erhält einen Rc (R26). Er hat denselben Wert wie R8.

Plan zum ausdrucken

Im nächsten Plan wird die Jumperbrücke J1 gezogen. In dem Fall werden nun die Widerstände R3 und R4 von der Mitte getrennt und die Basen der End-T können schneller ausgeräumt werden. Das hat einen geringeren Klirr zur Folge. Weiterhin wird C11, der für die obere Grenzfreq. im globalen Gegenkopplungszweig (GK) verantworlich ist, dort angebunden. Damit ist auch eine Verringerung seines Wertes möglich, um die GK schneller zu machen.

Weiterhin kann nun die Spule und der Widerstand am Ausgang eingesetzt werden. Man nehme hierbei einen 5mm Bohrer und wickle darüber 7...10 Windg. 0.5mm Draht, in den man dann einen R mit 1 bis 2.2R und 2W einschiebt und an den Enden mit der Spule verlötet. Dieses Gebilde wird nun auf der Platine befestigt. Sinn der Maßnahme ist eine Strom-Freq. Kompensation beim Anschluß von kritischen kapazitiven Lasten, wie sie ein Lautsprecher nun mal darstellt.

Plan zum ausdrucken

Bei der folgenden Version handelt es sich um selbigen Grundaufbau, nur ab jetzt wird die Testendstufe symmetrisch aufgebaut.

Plan zum ausdrucken

30W Endstufe
symmetrischer Aufbau Layout

Hier haben wir nun 2 Differenzstufen am Eingang und 2 identische Spannungstreiber.
Die Symmetrieeinstellung ist Spannungsstabilisiert und greift in die Gegenkopplung ein.
Die Ruhestromeinstellung ist etwas anders geworden, der Cermetsteller ist nicht mehr mit seinem Schleifer an der Basis von Q5, sondern liegt als Teilwiderstand in der Kette. Somit ist sicher gewährleistet, daß bei alterungsbedingtem Verschleiß des Cermet bzw. bei auftretenden Kontaktproblemen zwischen Schleifer und Bahn der Ruhestrom nicht aus dem Ruder läuft. Sollte sich Schleifer und Bahn trennen, dann wird Q5 voll öffnen und den gesamten Querstrom über sich fließen lassen.
Die L/R Kombination ist nun einer UKW Drossel mit 5µH gewichen.

Als nächstes kommt eine komplette Stufe mit Netzteil, symm Eingang und Vorverstärker. Die Platine ist doppelseitig, wobei die grünen Flächen oben sind, die schwarzen unten.
Eingesetzt sind hierbei andere Transistoren, die eine höher Ft zulassen, sowie doppel-T für die Diff-V. Die Spannung wurde etwas erhöht, was 60W an 4R Last zuläßt.
Um die Ströme für den Diff exakter gestalten zu können, sind die Stromquellen R als Cermet + Fest-R ausgelegt. Q5 ist ein BD237 (139) und nur deshalb da eingesetzt, um eine gute Wärmeleitung vom Kühler zu ihm zu gewährleisten.

Die Platine ist für eine waagerechte Montage auf dem Kühler gedacht und durch Abstandhalter mit dem Kühler verschraubt.
Q1 bis Q5 sind demnach ebenfalls waagerecht auf dem Kühler befestigt und ihre Pins werden nach oben abgewinkelt und von unten durch die Platine gesteckt.
Um den Abstand der T exakt zu bestimmen, werden die T auf dem Kühler befestigt, durch die Platine gesteckt, diese mit dem Kühler verschraubt und dann jeweils ein PIN pro T mit der oberen Kupferschicht der Platine verlötet. Danach werden Platine und Q1 bis Q5 wieder vom Kühler gelöst, umgedreht und verlötet.
Um die T duch die Platine gut befestigen zu können, sind große Löcher für den Schraubendreher vorgesehen.

Alle Bauteile mit einer 200ter Nummerierung und dem OK 101 stellen einen Limiter dar. Er muß nicht zwingend bestückt werden.