Articol publicat in revista Tehnium, Septembrie 2002
Tehnica actuală în domeniul audio a progresat enorm în privința aparatajului electroacustic. Componentele electronice active moderne prezintă în permanență performanțe noi, deosebite, incomparabile cu cele de acum zece sau douăzeci de ani. Un amplificator audio de putere Hi-Fi, modern și totodată actual, nu se mai poate astăzi concepe fără „finalii” de tip MOSFET, HEXFET etc. Pentru constructorul amator din categoria medie apare însă un impediment major, și anume: cum, de unde și „cu cât” se pot achiziționa aceste componente electronice performante? La o analiză mai atentă a „problemei”, se ajunge la investiții de ordinul sutelor de dolari, pe care nu îi are oricine.
Un considerent major, factor mobilizator care a constituit inițial formula de definiție a majorității inginerilor din România, a fost următorul: CONSTRUIM CU CE AVEM!
Desigur că performanțele, gabaritul și mulți alți parametri secundari ce definesc un aparat electroacustic modern sunt cu mult superioare unui montaj clasic. Totuși, cu puțină „imaginație tehnică” se obține în final rezultatul: AMPLIFICATORUL AUDIO CONSTRUIT FUNCȚIONEAZĂ HI-FI!
Din considerentele prezentate, propunem în cele ce urmează realizarea unui amplificator audio de putere care folosește drept componente electronice active tuburile electronice. Ele se pot recupera din diverse montaje industriale mai vechi, ce astăzi nu mai sunt de actualitate (radio, televizoare monocromatice etc.).
Precizăm însă că cel mai bun lucru este achiziționarea unor tuburi electronice noi, care deși nu se mai găsesc peste tot în comerțul actual, pot fi procurate la un preț de cost mai mic cu cel puțin două ordine de mărime decât componentele electronice moderne. Desigur că unii cititori ai acestui articol vor gândi malițios: ia te uită, se propune „întoarcerea” la „tehnica” lui Marconi! Răspunsul autorului este următorul: mari firme de prestigiu, producătoare de amplificatoare audio de putere, vând „lejer” un „audio amplifier” cu tuburi la un preț de ordinul miilor sau chiar zecilor de mii de dolari! De ce?!
Pentru că un tub electronic, deși consumă o cantitate de energie electrică mult mai mare decât un tranzistor convențional, are totuși unii parametri electrici net superiori față de acesta, și anume:
- stabilitate în funcționare net superioară majorității tipurilor de tranzistoare;
- derivă termică mai mică față de tranzistoare, cu cel puțin un ordin de mărime;
- viteza de răspuns SR (slew-rate) la semnalul electric aplicat cu cel puțin trei ordine de mărime mai mare decât a unui tranzistor;
- liniaritate perfectă a caracteristicilor de transfer, evident în cazul unei proiectări competente a montajului.
Iată „de ce” un amplificator audio cu tuburi electronice corect realizat „sună” în majoritatea cazurilor mult mai bine decât unul cu tranzistoare convenționale, deși ambele dețin aceeași putere nominală. Acest fapt a fost în timp pe deplin confirmat de audiofilii dotați cu „ureche muzicală”.
Se menționează că SR-ul unui tub electronic este atât de bun că, practic, nu mai permite apariția distorsiunilor de intermodulație în zona frecvențelor înalte (f > 10kHz), „mergând” liniar până la 200 kHz! Deoarece limita audio umană se situează la cca 18 kHz, afirmația anterioară este net edificatoare.
Mai mult, la depășirea puterii nominale, montajele cu tuburi electronice prezintă distorsiuni de tip S cu două ordine de mărime mai mici decât montajele cu tranzistoare care „limitează crunt” forma de undă a semnalului audio. În această situație tubul modifică „oarecum” semnalul audio, dar nu de așa natură încât acesta să devină deranjant la audiție. Acest fapt este confirmat pe deplin de unele firme producătoare de aparataj electroacustic. Ele realizează montaje electronice „adaptoare” pentru audiția unor CD-uri (compact disc) și permit modificarea sunetului „metalic” din zona frecvențelor înalte, transformându-l într-un sunet „cald” acceptabil și totodată plăcut pentru audiție. Montajele conțin „și” tuburi electronice!
Alți „cârcotași tehnici” pot să comenteze: de unde procurăm transformatorul de ieșire, componentă electrică de bază, deosebit de pretențioasă? Ea este necesară la adaptarea energetică între etajul final și incinta acustică. Unii autori de articole tehnice, care au tratat întâmplător acest subiect, îi trimit pe constructori (elevi, studenți etc.) la firme producătoare de prestigiu (AMPLIMO sau alta asemănătoare). Evident, stimata firmă livrează produsul, dar „te usucă la buzunare”! Iar pentru două transformatoare de ieșire, onorata firmă „nu prea stă de vorbă” cu un constructor amator, chiar dacă acesta are dolarii necesari.
Acest fapt „mi-a dat de gândit” și în final am găsit soluția tehnică practică, bună și congruentă cu subiectul acestui articol. Transformatorul de ieșire, corect realizat conform indicațiilor ce se vor prezenta ulterior, poate fi realizat și cu materialele „curente” din comerț, din țară, evident respectând toată tehnologia menționată. Ca gabarit el este „ceva” mai mare decât un transformator toroidal realizat de firmele străine, dar „își face treaba” la fel de bine.
Amplificatorul cu tuburi electronice prezentat deține următoarele performanțe:
– Puterea nominală sinusoidală P_N = 80 W
– Puterea maximă P_MAX = 140 W
– Puterea muzicală P_IFHM = 210 W
– Impedanța de intrare Z_i = 200 kΩ
– Impedanța de ieșire Z_e = 8 Ω
– Banda de frecvență Δ_f = 16 Hz-45 kHz
– Atenuarea la capetele benzii de frecvență A = ±3 dB
– Tensiunea de intrare U_i = 600 mV
– Raport semnal-zgomot S/N ≥ 75 dB
– Slew-rate SR ≥ 200 V/µs
– Distorsiuni armonice totale THD ≤ 0,4%, f > 10 kHz, P_N f > 10 kHz;
– Distorsiuni de intermodulație TID ≤ 0,05% f = 10 kHz, P_N;
Schema electrică a amplificatorului este prezentată în figura 1. Semnalul de intrare se aplică prin intermediul potențiometrului R1, la un preamplificator audio electronic ECC 81 (deține două triode, deci la prima triodă). În acest sens, prima triodă, V1a, are rolul de a amplifica astfel încât să realizeze defazarea semnalului de intrare cu 180°. Din anodul acesteia, semnalul defazat este aplicat pe baza de control al unei triode T1 de tipul celor cu panta foarte abruptă. La baza triodei, semnalul de intrare este aplicat pe o grilă, iar semnalul de ieșire se preia de la anod. În acest fel, tranzistorul V1a, în configurație de catod, preia de la anodul de curent și îl aplică în catodul tranzistorului de tip repetor. În acest fel, tensiunea de reacție negativă preluată de la înfășurarea de ieșire a transformatorului de ieșire, este aplicată la grila de control a tubului electronic. Aceasta are rolul de a amplifica semnalul audio de ieșire, dar și de a inversa faza cu 180°. Astfel, o tensiune de reacție negativă, în faza cu semnalul de intrare, este aplicată la catodul tranzistorului de tip repetor. Rezultatul final este că în anod dubletul triodelor V2 și V3 este un amplificator audio, în faza cu semnalul de intrare. Amplificarea este stabilită în configurație de catod comun, cu o rezistență de sarcină R4.
Cea mai mare atenție se va acorda toleranței rezistențelor R5, R6 și R8. R8 să fie sub 1%. Dar pentru obținerea unei limitări satisfăcătoare, rezistența de sarcină R4 se va folosi de două bucăți. Rezistența R4 este o rezistență variabilă (limitare la 5%) în cazul unei sarcini cu o impedanță de 4Ω.
Utilizați un osciloscop cu două spoturi, un GAF (generator de audiofrecvență) și un distorsiometru, se verifică plaja de frecvență (20 Hz-20 kHz), factorul de putere (0,8 P_N), iar la o frecvență de 50 kHz, amplificarea și distorsiunile (THD P_N) se verifică din nou.
Semnalul de intrare, amplificat și defazat cu 180°, se preia prin intermediul rezistențelor R10 și R11 pe grilele tubului electronic (V2, V3 – două triode, în faza cu dublă triodă). Acest etaj prefinal definește în funcționare un amplificator de putere (etajul de forță cu două semnale defazate), fiind congruent cu toate caracteristicile menționate. La bornele de intrare, acesta este prevăzut cu un filtru trece-sus, pentru a atenua frecvențele sub 20 Hz, precum și cu un filtru trece-jos pentru a atenua frecvențele peste 20 kHz. Calea de intrare este prevăzută cu un condensator C5, pentru a bloca tensiunea continuă și cu o rezistență R12. Grupul C5, C10, R12 are rolul de a filtra zgomotul din rețea și a asigura un nivel constant al tensiunii de intrare. La intrarea în amplificator, valorile condensatoarelor C5, C10 sunt esențiale.
Etajul final este realizat cu ajutorul tuburilor electronice V2 și V3, în faza cu dublă triodă. Semnalul audio este amplificat și corect defazat. Este transmis la grilele de comandă ale tuburilor electronice V2 și V3, prin intermediul condensatoarelor C7 și C8. Schema electronică este „compensată” pentru o diferență de fază negativă „fixă” pentru fiabilitatea sporită și siguranța în funcționare. Egalitatea curenților anodici de repaus, la o tensiune U_a = ± 72 V, este reglabilă cu ajutorul potențiometrului R20. Egalitatea curentului de ieșire, I_e, este reglabilă cu ajutorul potențiometrului R21.
Verificarea curentului de repaus în catodul tuburilor V2 și V3 se face cu ajutorul potențiometrului R20. Verificarea curentului de sarcină se face cu ajutorul potențiometrului R21. Toate aceste reglaje se fac cu o măsurătoare experimentală. Rezistențele R20, R21, R26 și R27 sunt rezistențe de putere, cu valori nominale, care asigură o bună funcționare.
Schema electrică a surselor de energie electrică destinată alimentării amplificatorului este prezentată în figura 2. Se observă că ea include în componență:
o tensiune continuă de + U_a = 400 V destinată polarizării anozilor tuburilor electronice;
o tensiune de filament de 6,3 V pentru tuburile electronice (T2, T3, T4, T5);
o tensiune de filament de 1,1 V pentru tubul electronic (T1);
o tensiune de 2 V pentru tubul electronic (V1a);
o tensiune continuă de – U_A = 72 V (reglabilă).
o tensiunea de alimentare a filamentelor tuburilor electronice T_1, T_2, T_3, T_4, T_5 este de 6,3 V RMS.
o tensiunea de alimentare a filamentelor tuburilor electronice V_1a este de 1,1 V RMS.
Miezul magnetic al transformatorului de rețea se realizează din tole de tip E+I cu secțiune de 3 cm2, întrețesute antiparalel. Dimensionarea lui practică se face conform indicațiilor și principiilor de calcul din manualele TEHNIUM. Se pornește de la următoarele date inițiale de bază:
- tensiunea de reţea: 220 V/50 Hz (monofazată);
- secțiunea miezului magnetic S = 40 cm2;
- inducţia magnetică În miezul magnetic B = 1 + 1,1 T;
- tolele miezului magnetic: tip E + 1;
- tensiunile şi curenţii livraţi de Înfăşurările secundare:
- tensiunea de 50 VRMS, la un curent de 0,2 A, destinată În final negativăni fixe;
- tensiunea de 2 x 150 V, la un curent de 1,8A, destinată alimentări i anozilor tuburilor electronice;
- tensiunea de 100V, la un curent de 1,SA, pentru filamentele tuburilor T3, T4, T3′ şi T4′;
- tensiunea de 6,3 V, la un curent de 3A, pentru fi lamentele tuburilor T1, T2 , T1′ şi T2′
- puterea electrică aparenta a transformatorului S => 470 VA.
În funcție de tipul tolelor din tablă silicioasă pe care le puteți procura, transformatorul de rețea se poate dimensiona fără probleme. Vă recomand să „lucrați” cu o densitate de curent prin conductoarele de bobinaj J = 2,5 A/mm². Urmare a acestui fapt, transformatorul de rețea nu se încălzește mai mult de cca 30°C, utilizarea lui fiind de tipul „24 ore din 24”. Concomitent, alimentarea cu energie electrică a montajului se menține la parametrii constanți prevăzuți inițial, indiferent de regimul de lucru al amplificatorului (puterea electrică debitată mică, nominală sau maximă).
Recomand constructorilor următoarele secțiuni ale conductorului de bobinaj de tip CuEm sau CuEt:
I = 0,2A, Ø = 0,3 mm
I = 1,8 A, Ø = 1 mm (sau Ø = 0,9 mm)
I = 1,5 A, Ø = 0,9 mm (sau Ø = 1 mm)
I = 3A, Ø = 1,3 mm (sau Ø = 1,4 mm)
Cu această dimensionare, SIGUR transformatorul de rețea NU se încălzește și funcționează conform precizărilor menționate anterior.
O altă problemă esențială pentru constructorul amator (și uneori cel profesionist) o reprezintă realizarea transformatorului de ieșire, adaptorul de impedanță dintre etajul final și incinta acustică.
Transformatorul de ieșire nu se poate construi oricum, el reprezentând o componentă electrică „de bază” a amplificatorului cu tuburi electronice. Considerentul electrotehnic impus este: un cuplaj „magnetic” cât mai bun al bobinelor în scopul obținerii finale a unui câmp magnetic de dispersie minimă. Datorită acestui considerent major, transformatorul de ieșire prezintă o configurație specială. În urma încercării mai multor variante constructive practice, îmbinând performanțele cu utilul și posibilități de realizare cât mai simple, am ajuns la varianta prezentată în figura 3. Analizând această schemă de bobinaj, se observă că înfășurările transformatorului au fost „secționate” astfel încât în final reacțanele lui „de scăpări” să fie cât mai reduse.
Întrețeserea bobinelor înfășurărilor primare și secundare nu este întâmplătoare, varianta constructivă finală vizând „realizarea” unei reactanțe de dispersie minime.
Datele de bobinaj ale bobinei transformatorului de ieșire, alături de numărul de spire, secțiunea conductoarelor de bobinaj și dimensiunile secțiunii miezului magnetic sunt prezentate în figura 3.
Urmează însă un considerent major: izolația electrică dintre straturile de bobinaj. Pentru că transformatorul de ieșire să prezinte performanțele estimate inițial, el trebuie să fie realizat astfel:
– între fiecare două straturi succesive de bobinaj se amplasează o folie de material electroizolant (ostafan, melinex, triafol) preșpan, costafan etc.);
– între secțiunile distincte ale bobinelor secționate se amplasează o folie electroizolantă de triafol (sau altă folie electroizolantă asemănătoare);
– după realizarea practică a bobinajului, el se impregnează obligatoriu folosind un lac electroizolant;
– după amplasarea tolelor de tablă silicioasă (E + I și strângerea miezului magnetic folosind reperele aferente (rame de rigidizare, piese de fixare etc.), transformatorul se impregnează a doua oară în lac electroizolant;
– începutul și sfârșitul unei înfășurări se marchează foarte clar folosind tub din PVC colorat sau etichete amplasate de terminalele conductorului de bobinaj;
– se montează placa de borne a transformatorului și la cosele marcate cu cifre sau litere, se fac legăturile galvanice ale bobinelor.
– Începutul și sfârșitul unei înfășurări reprezintă o problemă fundamentală. Orice greșeală de conexiuni între bobine poate distruge transformatorul;
– ultima etapă este verificarea izolației transformatorului folosind un megaohmmetru cu tensiunea de lucru de 500V.
Și încă o indicație esențială: la verificarea izolației, toate cossele aferente înfășurărilor se scurtcircuitează (strapează). În caz contrar tensiunea de autoinducție aplicată, mai ales în cazul înfășurărilor de joasă tensiune, se poate multiplica, distrugând un transformator de altfel realizat corect. Rezistența de izolație se verifică între:
– bobinele transformatorului;
– fiecare bobină și „masă” (miezul magnetic).
El trebuie să prezinte valori de minimum 10 MΩ. În caz contrar transformatorul „cedează” după câteva săptămâni! Desigur că un constructor amator nu posedă, în majoritatea cazurilor, un aparat de măsură de tip megaohmmetru. Dar apelând la prieteni sau la o firmă specializată producătoare de aparataj electrotehnic, cu un cost minim, poate face aceste verificări, ESENȚIALE pentru buna funcționare a amplificatorului.
REALIZARE PRACTICĂ ȘI REGLAJE
Cele două secțiuni ale amplificatorului stereo se realizează practic folosind plăcuțe de cablaj imprimate (sticlotex, placaj cu folie de cupru). Variantele de cablaj pot fi multiple. Datorită faptului că nu pot estima gabaritul componentelor electronice pasive pe care constructorul le posedă, nu am prezentat o schemă de cablaj imprimat. Orice constructor electronist o va realiza, ținând cont de următoarele considerente:
- păstrarea structurii de cuadripol a montajului;
- evitarea strictă a buclei de masă (traseu de masă gros de minimum 4 mm);
- folosirea soclurilor ceramice pentru tuburile electronice;
- distanța de minimum 120 mm între tuburile electronice, pentru o „ventilație” eficientă;
- ecranarea obligatorie a transformatorului de rețea și a transformatoarelor de ieșire (tablă de fier cu grosimea 0,3-0,5 mm, prevăzută cu găuri Ø 0,4 pentru aerisire);
- cele două transformatoare de ieșire vor avea axele miezului magnetic perpendiculare față de cea a transformatorului de rețea.
Un amplasament constructiv practic, care de altfel a dat rezultate excelente, este prezentat în figura 4.
Se remarcă distanțarea dintre tuburile electronice finale (minimum 150 mm) și amplasamentul transformatoarelor. Conexiunile de alimentare pentru filamentele
tuburilor electronice nu se vor face folosind trasee de cablaj imprimat (în mod sigur apare zgomot de fond de rețea). Ele se execută din conductoare cu izolație, „ruluite”, în jurul axei centrale a traseului, ce pornesc de la pinii cablajului alimentatorului până la pinii soclurilor tuburilor electronice. De la plăcuța de cablaj imprimat se pornește „în jos” cu cablajul alimentării tuburilor electronice, pe o distanță de cca 15 mm, după care se duc traseele spre blocul de alimentare cu energie electrică.
Se recomandă ecranarea acestor trasee.
După realizarea practică a componentelor electrice aferente montajului (transformatoare, plăci de cablaj imprimat etc.) acestea se amplasează și rigidizează pe un șasiu din tablă de fier, acesta având acoperirile galvanice consacrate tehnicii (camisiat, nichelat etc.). Structura mecanică a șasiului va fi congruentă cu greutatea componentelor electrice și electronice (ramforsări, bare supltuburilorimentare de rezistență mecanică etc.).
Înainte de verificările amplificatorului sunt necesare următoarele operațiuni:
1° se verifică buna funcționare a potențiometrelor semireglabile R18 (vezi figura 1) și R3 (vezi figura 2). Altfel, se riscă deteriorarea ireversibilă a etajului final;
2° se pornește de la o tensiune minimă de negativare UN = -72 V;
3° se alimentează montajul cu energie electrică, el având inițial intrările „strapate” (puse la masă) prin intermediul unui condensator C = 1μF/100V;
4° se verifică prezența tensiunilor electrice marcate pe schema electrică a amplificatorului – evident anozii tuburilor electronice. La o diferență mai mare de 3% se modifică:
4.1. inițial valoarea rezistenței R12 (± 10%);
4.2. ulterior valoarea rezistenței R28 (± 10%);
5° se reglează valoarea curentului de repaus I0 = 50 mA prin tuburile electronice finale. Sunt necesare două miliampermetre. Acționând potențiometrul R18 (figura 1) și ulterior potențiometrul R3 (figura 2) curenții anodici de mers în gol trebuie obligatoriu să aibă valorile I01 = I02 = 50 mA;
6° se scot (pe rând, la fiecare canal informațional) ștrapurile de la intrările celor două canale, L și R, și se verifică defazarea semnalului audio util (vezi indicațiile anterioare);
7° după reglementarea defazărilor corecte în toată banda audio, modificând practic valorile condensatoarelor C2 și C5 (vezi schema electrică nr. 1) se poate trece la verificări dinamice;
8° se ascultă un program muzical sonor complex la puterea nominală a amplificatorului (cine rezistă, evident) într-o cameră de cca 100 m2;
9° eventuale „corecturi” și „rectificări” finale sunt congruente cu cele expuse anterior.
Fără a face reclamă, se va observa că montajul prezentat își justifică pe deplin performanțele, încadrându-se în categoria HI-FI.
