Strona główna -> Oferta -> Hi-Fi i Studio -> Wzmacniacz AF-1

Wzmacniacz dual-mono AF-1

Przedstawiam Państwu efekt kilkuletnich prac nad konstrukcją audiofilskiego wzmacniacza zintegrowanego. Pod względem elektronicznym i mechanicznym jest projektem skończonym, oczekuje teraz na opracowanie płyty czołowej i górnej pokrywy. Nastąpi to prawdopodobnie w I połowie 2018 r.

Wzmacniacz, podobnie jak każde inne urządzenie Pro-Tonu, jest montowany ręcznie: od lutowania najmniejszych nawet elementów powierzchniowych, poprzez osadzanie końcówek na przewodach po nawijanie cewek wyjściowych i gwintowanie elementów ramy obudowy. Fabrykom pozostawiam tylko wykonanie płytek drukowanych i zewnętrznych elementów obudowy. Ciekawostkę może stanowić fakt, iż konstrukcja składa się z ok. 1500 elementów elektronicznych, ok. 100 elementów mechanicznych i 350 śrub.

Z powyższych powodów AF-1 będzie dostępny tylko na indywidualne zamówienie.

Konstrukcja - elektronika

AF-1 jest wzmacniaczem dual mono. Jak się Państwo zapewne orientują, oznacza to, że w jednej obudowie umieściłem tak naprawdę dwa zupełnie oddzielne, kompletne tory sygnałowe (dla dwóch kanałów stereofonicznych). Wspólne dla tych torów są tylko obwody sterowania, a i one zostały odseparowane przy użyciu optoizolatorów lub przekaźników. Dzięki temu masy obydwu kanałów wzmacniacza nie są ze sobą połączone, nie są też dołączone wprost do uziemienia. Takie rozwiązanie znacząco zmniejsza możliwości powstawania tzw. pętli masy w okablowaniu systemu (niekorzystna sytuacja, w której masy np. przewodów sygnałowych wraz z masami wewnętrznymi urządzeń, uziemieniem, itp., tworzą zamkniętą pętlę o dużej powierzchni).

Skoro mowa o pętlach masy, należy w tym miejscu wspomnieć o zasilaczach. We wzmacniaczu na każdy z kanałów audio przypadają trzy transformatory sieciowe - toroid dla końcówki mocy oraz 2 pomocnicze dla przedwzmacniacza. To pozwala na rozdzielenie lokalnych mas poszczególnych obwodów w obrębie kanału, aż do punktu, w którym ich połączenie jest optymalne. Nie ma tu miejsca na żaden kompromis.

Nie można jednak zapominać o tak przyziemnych (dosłownie i w przenośni) kwestiach jak zużycie energii. Praca sześciu transformatorów na biegu jałowym w trybie czuwania jest niedopuszczalna. Dlatego obwody sterowania otrzymały kolejne, małe trafo, które jako jedyne pobiera niewielki prąd w trybie stand-by. Wróćmy jednak do toru sygnałowego.

Przedwzmacniacz jest w całości układem symetrycznym. Podstawowym sposobem dołączenia źródeł są więc dwie pary solidnych gniazd XLR. Naturalnie do dyspozycji pozostają też klasyczne chinche w ilości trzech par. Sygnał z nich pochodzący jest buforowany i odwracany na samym początku toru. Zarówno przekaźnikowy przełącznik źrodeł, jak i cyfrowy regulator głośności operują więc na sygnałach zbalansowanych. Zastosowanie buforowania wszystkich wejść przed selektorem obniża przesłuchy pomiędzy wszystkimi podłączonymi i aktywnymi źródłami, a wybranym źródłem "właściwym", którego rzeczywiście w danym momencie używamy. Odpowiedzialne za przesłuch pojemności pasożytnicze przekaźników spotykają się z małą impedancją wyjściową właściwą buforom (wielokrotnie mniejszą od impedancji właściwych wejściom niebuforowanym) i poziom zakłóceń ulega znacznemu zmniejszeniu. Za przekaźnikami znajdują się poczwórne, dublujące się wzmacniacze odejmujące. Sygnał zostaje tu pozbawiony zakłóceń współbieżnych, a jednocześnie przez cały czas pozostaje sygnałem różnicowym. W takiej postaci dociera do najwyższej klasy scalonego regulatora głośności Burr-Brown PGA2320. Układ ten jest regulatorem stereofonicznym, jednak tu pracuje w trybie mono, regulując jednocześnie poziom dwóch żył sygnału różnicowego. Jego zasada działania opiera się o klasyczną drabinkę rezystorową wraz z zestawem kluczy analogowych. Układ zasilany jest napięciem znacznie wyższym, niż poziomy sygnałów analogowych, co korzystnie wpływa na jego parametry pracy.

Wzmacniacze mocy to prawdziwa klasyka gatunku. Osiągają moc wyjściową 110W/8ohm lub 160W/4ohm. Każdy z nich zawiera na wejściu bufor różnicowy oraz limiter sygnału, adaptujący się do chwilowego napięcia zasilającego wzmacniacz. Tak przygotowany sygnał podąża dalej już tylko i wyłącznie przez dyskretne tranzystory bipolarne, których jest tu 36 na kanał. Na etapie projektowania wzmacniacza uwzględniałem wszelkie znane mi zjawiska i zależności pomiędzy architekturą układu a jego późniejszymi parametrami elektrycznymi (a więc i odsłuchowymi). Przykładałem jednocześnie dużą wagę do stabilności, niezawodności i przewidywalności dość rozbudowanego układu.

Blok wzmacniaczy różnicowego oraz napięciowego jest zrealizowany na wymiennej płytce wkręcanej w główny układ końcówki. Jest to konstrukcja dwustopniowa (wzmacniacz błędu oraz symetryczny wzmacniacz napięciowy). W układzie zastosowałem tam, gdzie było to wskazane, podwójne tranzystory we wspólnej obudowie. Taki zabieg daje gwarancję zbieżności parametrów oraz doskonałego kontaktu termicznego tych elementów. W efekcie, wzmacniacz utrzymuje poziom składowej DC na wyjściu w granicach 0V±150mV, mimo pracy z całkowicie stałoprądowym sprzężeniem zwrotnym, wzmocnieniem równym 29,3x (+29dB) oraz w szerokim zakresie temperatur. Oznacza to niezrownoważenie na poziomie dobrych, bipolarnych wzmacniaczy operacyjnych. Wzmacniacz nie posiada tzw. DC-servo.

Zdjęcie: tranzystory mocy i konstrukcja termiczna

Stopień wyjściowy to trójstopniowy, bipolarny wtórnik emiterowy (triple-EF). Ostatni jego stopień tworzą tranzystory wyjściowe występujące w liczbie trzech par, i mowa o tylko jednym z dwóch kanałów stereo. Jest to rozwiązanie konstrukcyjnie przewidziane dla mocy wyjściowych rzędu 250-350W, a więc pracujące tu ze znacznym marginesem bezpieczeństwa. Żeby poprzeć to twierdzenie danymi liczbowymi, mogę powiedzieć, że łączna dopuszczalna moc strat (czyli moc, jaką tranzystory mogą bezpiecznie "wygrzać" do zimnego radiatora) dla jednego kanału wynosi 900W, przy czym AF-1 wykorzystuje w skrajnych przypadkach ok. 20% tej wartości. Pozwoliło mi to uprościć obwody zabezpieczenia prądowego, co zmniejsza zniekształcenia stopnia końcowego przy dużych poziomach sygnału i obciążeniu reaktancyjnym (jakie stanowi każdy zestaw głośnikowy). Inną bardzo ważną zaletą solidnego stopnia końcowego jest mniejsza wrażliwość na wahania impedancji obciążenia. Podczas obserwacji poziomu zniekształceń THD+N dla maksymalnego poziomu wyjściowego, różnice pomiędzy pracą bez obciążenia i z obciążeniem 8- omowym były niewykrywalne dla stosowanej przeze mnie techniki pomiaru (o własnym THD na poziomie 0.006%).

Końcówki pracują w klasie B, w niektórych konwencjach nazywanej też klasą AB. Prąd spoczynkowy dobrany jest tak, aby w obszarze przełączania pomiędzy tranzystorami npn i pnp zafalowanie wzmocnienia stopnia było jak najmniejsze. Właściwy z tego punktu widzenia prąd spoczynkowy wynosi w tym konkretnym przypadku 210mA. Za jego stabilność odpowiada układ polaryzacji, który w AF-1 potraktowałem bardzo poważnie: dla celów kompensacji uwzględnia on temperaturę w 5 różnych punktach końcówki mocy.

Zasilanie końcówek mocy jest zrealizowane konserwatywnie: na każdy kanał przypada toroidalny transformator Indel 300VA oraz 4 kondensatory Jamicon 15 000 uF. Przeciążenie towarzyszące ładowaniu 120 000 uF w ułamku sekundy do napięcia roboczego (58V) spowodowałoby problemy z domową instalacją elektryczną, dlatego wzmacniacz wyposażyłem w układ miękkiego startu. Ładowanie przebiega płynniej i rozpoczyna się w momencie, gdy napięcie sieci przechodzi przez zero.

Najwyższej jakości elementy znajdą Państwo w każdym newralgicznym punkcie konstrukcji. Przykładami mogą być kondensatory polipropylenowe WIMA, elektrolity Nichicon i Jamicon, tranzystory Toshiba i Fairchild, scalone układy analogowe Burr-Brown i Texas Instruments, przekaźniki sygnałowe Relpol. Wszystkie rezystory w torze sygnałowym to klasyczne przewlekane elementy metalizowane. Cewkę wyjściową nawijam samodzielnie.

Przy doborze elementów stosuję odpowiedni margines bezpieczeństwa, pozwalający im pracować w optymalnych warunkach. Konstrukcja nie jest obliczona na przetrzymanie "na styk" okresu gwarancyjnego, ale tak jak robiono to kiedyś - na niewysiloną, niezawodną pracę przez długie lata.

Okablowanie wewnętrzne wykonuję z najwyższą starannością i z użyciem wysokiej jakości kabli z miedzi OFC, m. in. sygnałowego Lapp Kabel. Wszelkie styki w obrębie toru sygnałowego są pozłacane. Przy ich osadzaniu na przwodach poza mechanicznym zaciśnięciem styku dodatkowo lutuję połączenie. Istnieje możliwość zamówienia specjalnej wersji z okablowaniem lutowanym bezpośrednio do płytek, bez styków.

Gniazda wejściowe i wyjściowe to wysokiej klasy komponenty, firm takich jak Amphenol (xlr), Neutrik (chinch), Schurter (gniazdo zasilające). Wszystkie gniazda osadziłem na solidnych, grubych na 5 mm płytkach z poliamidu. Te z kolei przykręcone są do ramy. Dzięki temu konektory są pewnie zamocowane i nie tworzą się między nimi dodatkowe zwarcia mas.

Dodatkami do właściwej konstrukcji są: zabezpieczenie głośników (DC), zabezpieczenie przeciążeniowe, zwarciowe i temperaturowe (trafa + radiatory), zdalne sterowanie oraz klasyczny, czytelny panel frontowy. Wzmacniacz posiada oczywiście regulację głośności, a ponadto balansu, ale nie ma regulacji tonów niskich, wysokich, średnich, głębokich, ani żadnych polepszaczy dźwięku.

Nietypowym elementem jest światłomierz, dopasowujący jasność wyświetlaczy do poziomu oświetlenia w pomieszczeniu. Pomiar jest uśredniany w długim okresie czasu, a zmiana bardzo płynna, a więc nie następują żadne, zwracające na siebie uwagę, skoki jasności.

Zadbałem również o wykluczenie możliwości powstania efektu "falowania" wyświetlaczy. Efekt ten obserwujemy, gdy ledowe wyświetlacze sterowane są multipleksowo - co upraszcza znacznie schemat elektryczny oraz sposób sterowania ich jasnością. Jednak wszelkie gwałtowniejsze ruchy głową lub jej wibracje pochodzące np. od głośnego dźwięku lub nawet kaszlu, powodują, że poszczególne znaki wyświetlacza sprawiają wrażenie pływania w górę i w dół. W AF-1 wszystkie segmenty każdego wyświetlacza sterowane są w sposób liniowy, czyli ciągły, co uniemożliwia powstanie tego denerwującego zjawiska.

Układ sterujący posiada menu konfiguracyjne, uruchamiane odpowiednią kombinacją przycisków. Umożliwia ono kontrolę serwisową oraz modyfikację licznych parametrów, w tym np. rodzaj pilota zdalnego sterowania lub czasy opóźnień zabezpieczeń. Są również dostępne współczynniki umożliwiające zoptymalizowanie układu regulacji jasności dla innych niż standardowe warunków zewnętrznych, w szerokim zakresie.

Konstrukcja - mechanika

Podejście do strony mechanicznej najłatwiej będzie zobrazować analogią do konstrukcji samochodów. Lżejsze, osobowe samochody sztywność podłogi zawdzięczają generalnie wyprofilowanej płycie z blachy. W przypadku ciężarówek potrzebne jest solidniejsze rozwiązanie - rama składająca się z kształtowników.
Zapewne już domyślają się Państwo, że wzmacniacz AF-1 mechanicznie opiera się na ramie.

Rama składa się z kilkudziesięciu aluminiowych elementów. Dwa najważniejsze z nich biegną wzdłuż frontu i panelu tylnego, mają przekrój pełnego prostokąta 25x15 mm i stanowią (wraz z bocznymi radiatorami) bazę ramy. Pozostałe części łączą się ze sobą, tworząc względnie lekką (2100 g) konstrukcję o dużej sztywności. Parametry ramy pozwalają na pewne zamocowanie podzespołów wzmacniacza o łącznej masie przekraczającej 20 kg. Dodatkową funkcją ramy jest ekranowanie elektroniki - rozmieściłem ją w ten sposób, że sekcje zasilające oddzielone są od przedwzmacniaczy grubym na 3 mm aluminium.

Elementy ramy wykonuję własnoręcznie. Używam do tego precyzyjnej piły tarczowej (również własnej konstrukcji), wiertarki kolumnowej i podstawowych narzędzi ślusarskich. Dzięki wykorzystaniu szablonu na etapie montażu, wymiary szkieletu i rozmieszczenie punktów montażowych są bardzo powtarzalne. Końcowy produkt cechuje wysoka precyzja spasowania.

... ciąg dalszy nastąpi...

Galeria:

Zdjęcie: Końcówka mocy wraz z radiatorem