HEXFET poweramp; symmetrische 60 W eindtrap
De HEXFET
Bij de HEXFET wordt gebruik gemaakt van een nogal opvallende chip-struktuur. Zoals u in de tekening kunt zien, bestaat de bovenkant uit hexadiagonale cellen (een honingraat-patroon). Deze geometrie zorgt er samen met het toegepaste MOS-proces voor dat dit type FET een bijzonder lage geleidingsweerstand (RDSion)) heeft. IR claimt dat men hiermee ongeveer 1/3 van de weerstand bereikt t.o.v. normale FETkonstrukties. De dichtheid van de honingraatcellen op de chip bedraagt ongeveer 77.500 stuks per cm2. Door de vlakke struktuur loopt de stroom praktisch vertikaal door de chip. Onder de verhoogde honingraat bevindt zich de gate. De elektronen lopen vanuit de source-cellen (de bovenkant van chip - de source - is gemetalliseerd om deze goed te laten geleiden) door het kanaal dat rond die cel onder de gate in de verhoogde rand aanwezig is. Van daaruit gaan ze dan naar het drain-vlak dat zich als een grote laag daaronder bevindt. De bodem van de drain is elektrisch en thermisch verbonden met de chip-drager.
Power-FET's staan er om bekend dat ze gemakkelijk grote vermogens kunnen verwerken. Wat ligt er dan meer voor de hand dan ze toepassen in een vermogensversterker? Bij deze eindtrap zijn twee zogenaamde HEXFET's van International Rectifier ingezet, die ondanks hun betrekkelijk kleine TO220-huisje toch respektabele stromen en spanningen kunnen verwerken. De hele versterker is strikt symmetrisch gehouden van begin tot einde, terwijl de mechanische konstruktie zodanig is dat het geheel (inklusief voedingselko's) op een vrij kleine print past.
| Ingangsgevoeligheid | 1 Veff |
| Ingangsimpedantie | 48 kΩ |
| Uitgangsvermogen (1 kHz, 0,1% THD) | 63 W aan 8 Ω 105 W aan 4 Ω |
| Muziekvermogen (500-Hz-burst, 5 perioden aan, 5 uit) | 68 W aan 8 Ω 120 W aan 4 Ω |
| Vermogensbandbreedte (bij 35 W/8 Ω) | 1,5 Hz...125 kHz (+0, -3 dB) |
| Slew rate | 20 V/µs (met ingangsfilter) |
| Signaal/ruis-verhouding (t.o.v. 1 W/8 Ω) | > 99 dB (A-gewogen) |
| Harmonische vervorming bij 1 W/8 Ω | < 0,006% (1 kHz) |
| Harmonische vervorming bij 60 W/8 Ω | < 0,005% (1 kHz) < 0,05% (20 Hz ... 20 kHz) |
| Intermodulatievervorming (50 Hz : 7 kHz, 4 : 1) | < 0,008% (bij 35 W/8 Ω) |
| Dynamische IM-vervorming (blok 3,15 kHz + sinus 15 kHz) | <0,003% (bij 35 W/8 Ω) |
| Dempingsfaktor (bij 8 Ω) | > 160 (20 Hz...20 kHz) |
| Voedingsspanning | +35 V |
| Ruststroom (door T12 en T13) | 200 mA |
Soms lijkt het wel of er voor audiohobbyisten geen einde kan komen aan zelfbouw-versterkerontwerpen. Dat is werkelijk een zeer geliefd onderwerp. Regelmatig verrassen we onze lezers dan ook op nieuwe versterker-ontwerpen, in de wetenschap dat we daar zeer velen plezier mee doen. De laatste keer dat we in Elektuur een kwaliteits-eindversterker met FET-eindtransistoren publiceerden, ligt echter alweer geruime tijd terug. We denken dan aan de ontwerpen Crescendo en Mini-Crescendo uit de jaren '82 en '84, echte suksesnummers die door duizenden nagebouwd zijn. Ditmaal presenteren we u wederom een ontwerp waarin power-FET's zijn toegepast. De doelstelling van de ontwerper was daarbij: een goede maar niet te ingewikkelde schakeling die uitstekende prestaties levert, eenvoudig van konstruktie is en gemakkelijk nagebouwd kan worden. Er zitten dan ook geen overbodige fratsen in het ontwerp, uitsluitend het meest noodzakelijke. Ook de beveiliging is zo simpel mogelijk gehouden.
Tussen een transistor en een FET bestaan enkele wezenlijke verschillen. Zo is een transistor een stroomversterkend element waarbij je dus met een kleine stroom een grotere stroom kunt regelen. Een FET gedraagt zich heel anders, dat is een soort regelbare weerstand waarbij de geleiding met een spanning kan worden ingesteld. Uit deze omschrijvingen blijkt ook dat de aansturing van beide halfgeleiders heel verschillend is, een heel belangrijk punt bij toepassing in een eindtrap. Bij een transistor moet een stroom in zijn basis worden gestopt om hem zijn werk te laten verrichten, terwijl een FET in principe energieloos aangestuurd kan worden; er is alleen maar een stuurspanning nodig en de opgenomen stroom is verwaarloosbaar gering. Bij het verschijnen van de eerste vermogensFET's op de markt dacht men dan ook dat hiermee heel eenvoudig eindversterkers konden worden ontworpen, omdat de driver-trap dan nauwelijks stroom hoefde te kunnen leveren. Die vlieger ging echter niet op omdat een typisch kenmerk van vermogensFET's de grote kapaciteit tussen gate en drain /source-kanaal is (vaak enkele nanofarads). Bij hogere frekwenties vraagt dat toch behoorlijke omlaadstromen van de driver-sektie, willen we de bandbreedte van de eindtrap groot houden. Wat is dan nog het voordeel van een FET? Door de toegepaste fabrikagetechnologieën kunnen er vrij gemakkelijk FET's geproduceerd worden die bestand zijn tegen hoge spanningen (100 V en meer) en die bij kleine afmetingen grote stromen kunnen verwerken. Bij vermogenstransistoren is het moeilijk om deze eigenschappen (hoge spanning, grote stroom en grote bandbreedte) te kombineren, vooral omdat we bij een versterker-ontwerp binnen de Safe Operating Area (SOA) van de halfgeleider moeten blijven (het is niet voldoende om alleen naar de maximale spanning en stroom van een transistor in de datasheet te kijken). liet is daardoor eenvoudiger om een eindtrapje van een redelijk vermogen te konstrueren rond een paar vermogensFET's dan rond een paar vermogenstransistoren. Voor de ontwerper komen daar natuurlijk nog andere zaken bij zoals steilheid en gelijkheid van komplementaire halfgeleiders, maar we hopen u met voorgaande eenvoudige karakterschets toch een indruk gegeven te hebben van de belangrijkste verschillen tussen deze soorten vermogenshalfgeleiders.
Bescheiden opzet
In figuur 1 ziet u het schema van de FET-eindtrap. Naar de maatstaven van onze ontwerper en de huidige techniek bevat de versterker zelf maar een beperkt aantal FET's/transistoren, namelijk 13 stuks. We weten niet direkt of onze audio-ontwerper bijgelovig is, maar zou het dan toevallig zijn dat er nog een veertiende transistor bij is geplaatst voor de in-schakelvertraging?
Figuur 1. Het schema van deze eindtrap met HEXFET-vermogenstransistoren is voor een kwaliteitsversterker nog redelijk eenvoudig van opzet.
| R1 | 1 × 1k |
| R2 | 1 × 47k5 1% |
| R3,R4 | 2 × 47 Ω |
| R5 | 1 × 2k00 1% |
| R6 | 1 × 84Ω5 1% |
| R7,R8 | 2 × 10 M |
| R9,R10,R13,R14 | 4 × 1k21 1% |
| R11,R12,R15,R16 | 4 × 22Ω1 1% |
| R17,R18 | 2 × 499 Ω 1% |
| R19 | 1 × 22 k |
| R20 | 1 × 2k2 |
| R21 | 1 × 560 Ω |
| R22,R23 | 2 × 56Ω2 1% |
| R24,R27 | 2 × 150 Ω 1% |
| R25,R28 | 2 × 15Ω0 1% |
| R26,R29 | 2 × 15 Ω |
| R30 | 1 × 68 Ω/5 W |
| R31 | 1 × 150 Ω/5 W |
| R32,R33 | 2 × 6Ω81/0,6 W 1% |
| R34 | 1 × 3k3 |
| R35 | 1 × 150 Ω |
| R36 | 1 × 8M2 |
| Pl | 1 × l M instelpotmeter |
| P2 | 1 × 1 k instelpotmeter |
| C1 | 1 × 2µ2/50 V MKT |
| C2 | 1 × 1n |
| C3,C4 | 2 × 2n7 |
| C5 | 1 × 330 p styroflex, axiaal |
| C6 | 1 × 33 n |
| C7,C8 | 2 × 100 4/10 V radiaal |
| C9 | 1 × 1 µ |
| C1O | 1 × 100 n |
| C11,C12 | 2 × 10.000 µ/50 V radiaal, voor printmontage |
| C13 | 1 × 47 µ/40 V radiaal |
| C14 | 1 × 10 N/63 V radiaal |
| L1 | 1 × luchtspoel 0,1 mH (zie tekst) |
| D1,D2 | 2 × LED rood, 3 mm (1,6 V spanningsval bij 3 mA) |
| D3...D5 | 3 × 1N4003 |
| D6 | 1 × 1N4148 |
| T1,T2,T6 | 3 × BC55OC |
| T3...T5 | 3 × BC560C |
| T7,T9,T1O | 3 × BD139 |
| T8,T11 | 2 × BD140 |
| T12 | 1 × IRF9540 |
| T13 | 1 × IRF540 |
| T14 | 1 × BC617 |
| Re1 | 1 × relais 24 V, met 1 maakkontakt (Siemens V23056-A0105-A101) |
| F1,F2 | 2 × zekering 2,5 A snel, met zekeringhouder voor printmontage |
| 5 | keramische isolatieplaatjes voor T7, T10...TI3 |
| 5 | vlakstekers voor schroefmontage |
| 1 | koelplaat, circa 0,6 K/W (bijv. Fischer SK85) |
| 1 | print EPS 930102 |
| Voedingsgedeelte (voor mono) | |
|---|---|
| 1 | nettrafo, sek, 2 × 25 V/160 VA (bijv. Amplimo 51016) |
| 1 | netschakelaar met aan/uit-indikatie |
| 1 | zekering 1,25 AT, met zekeringhouder (1 zekering nodig per trafo) |
| 1 | brugcel 13200C35000 |
| 4 | elko's 10.000 µF/50 V |
| 8 | weerstanden 0,1 Ω/5 W |
| 1 | 10 k weerstand + LED voor aan/uit-indikatie |
Wie al vaker een versterker-ontwerp in Elektuur bestudeerd heeft, die weet dat we een voorliefde hebben voor symmetrische ontwerpen omdat daardoor een deel van de vervomingsproblematiek in een eindtrap (voornamelijk even harmonischen) verkleind wordt. Aan de ingang zitten dan ook twee verschilversterkers: het paartje T1/T2 en het duo T3 /T4. Er zijn hier gewone losse transistoren toegepast en geen dure dubbeltransistoren, om de prijs van de versterker bescheiden te houden. Toch werkt dat prima, vooral als u nog de moeite neemt om de transistoren met de hand te paren. Een verschiltrap is een van de beste mogelijkheden om twee elektrische signalen te kombineren. In dit geval zijn dat het ingangssignaal en het tegenkoppel-signaal. De versterking van elke verschiltrap wordt grotendeels bepaald door de verhouding tussen de kollektor- en emitter-weerstanden (voor T1/T2 zijn dat R9, R10, R11 en R12). Dat is dus een vorm van lokale tegenkoppeling; door het begrenzen van de versterking vermindert ook de vervorming. Twee RC-netwerkjes (R3/C3 en R4/C4) begrenzen de bandbreedte van de verschiltrappen en deze bepalen zo (gedeeltelijk) de openlus-bandbreedte van de hele versterker (die overigens op 6,5 kHz ligt). De gelijkstroom-instelling van de verschiltrappen wordt verzorgd door twee stroombronnen. Voor T1 en T2 zorgt T6 in kombinatie met weerstand R18 en LED D2 voor een konstante stroom van circa 2 mA. Voor T3 en T4 is een soortgelijke konstruktie aanwezig die bestaat uit T5, R17 en Dl. De kombinatie van een LED met een transistor voor het kreeren van een stroombron heeft als voordeel dat zo'n stroombron zeer temperatuurstabiel is; de temperatuurkoefficient van een LED is namelijk praktisch gelijk aan die van een transistor. Om dit effekt te bereiken, moeten deze twee komponenten wel aan elkaar gekoppeld worden (ze staan ook netjes naast elkaar op de print).
We gaan nog even terug naar de ingang, want daar blijkt een konstruktie te zitten die we niet dagelijks tegenkomen. Cl vormt de ingangskondensator van de versterker. Daarna volgt een laagdoorlaatnetwerkje (R1/C2) dat de bandbreedte begrenst van het binnenkomende signaal, om zo te voorkomen dat de eindtrap frekwenties moet verwerken die ze niet aan kan. R2 vormt de basisweerstand voor T1 en T3. Dat zijn allemaal vrij normale zaken die we bij elke vermogensversterker aantreffen. Bijzonder is echter het netwerkje P1/R7/R8. Dit is een offset-regeling waarmee de gelijkspanning aan de uitgang van de versterker op nul volt kan worden afgeregeld. Vaak zit zo'n regeling aan de andere kant van de ingangsverschiltrap, maar hier zit ze nu eens aan de ingang. Dat heeft als voordeel dat de beide verschiltrap-ingangen keurig op massapotentiaal liggen; de ruisbijdrage van de basisweerstanden van de verschiltrappen is dan verwaarloosbaar klein.
De kollektorsignalen van T1 en T3 worden vervolgens verder gevoerd naar de pre-drivers T8 en T9. Tussen deze transistoren is een met P2 instelbare zener geplaatst (opgebouwd rond T7) die dient voor de ruststroom-instelling van de eind-FET's. Daarna volgt dan de driver-sektie, bestaande uit T10 en T11, die via enkele weerstanden (R26 en R29) de FET's 112 en T13 aanstuurt. In dit vermogensgedeelte is een plaatselijke terugkoppeling aanwezig. De konfiguratje van T10...T13 is zodanig dat we hier een soort compound-eindtrap hebben zoals u misschien nog kent van de LFA-eindversterkers. De vermogenshalfgeleiders hangen namelijk met hun "kollektor" (sorry, drain) aan de uitgang (T13 is een N-kanaal-FET en T12 een P-type). Daardoor geeft de kombinatie T10/T11/T12/T13 niet alleen een stroom- maar ook een spanningsversterking. Door de lokale tegenkoppeling R31/ R30 wordt die spanningsversterking beperkt tot circa driemaal. Ook dit is een vervormingsbeperkende plaatselijke maatregel. De overall-tegenkoppeling voor de hele eindtrap bestaat tenslotte uit R5, R6 en C5.
In de source-leidingen van de FET's zijn ter beveiliging zekeringen opgenomen. Een vermogensFET heeft van nature al een soort ingebouwde begrenzing in de vorm van een positieve temperatuurkoëfficiënt; als de FET warmer wordt, dan stijgt de drain/ source-weerstand en daardoor neemt de stroom af die er door loopt. Samen met het feit dat de gekozen VET-typen behoorlijk grote piekstromen kunnen verwerken (zo'n 75 A), is dat meer dan voldoende beveiliging om af en toe een korte kortsluiting probleemloos te overleven. Ook nog op de print aanwezig, en daarom ook in het schema getekend, zijn twee voedingselko's van 10.000 µF (C11 en C12). Die zitten vlak bij de FET's, zodat ze via de kortste weg de nodige stroom kunnen leveren. Aan de uitgang zien we het bekende Boucherot-netwerkje R32/ R33/C10, dat tot taak heeft om de versterker ook bij hogere frekwenties nog een belasting aan de uitgang te laten zien (de impedantie van de aangesloten luidspreker loopt door het induktieve karakter bij hogere frekwenties gewoonlijk flink op). Daarna volgt nog een uitgangsspoel (om bij kapacitieve belastingen de stroompieken enigszins binnen de perken te houden) en dan kan het uitgangssignaal via relais Rel naar de luidspreker worden gestuurd.
Re1 zorgt voor een inschakelvertraging bij het inschakelen van de voedingsspanning, om te voorkomen dat er een plop in de luidspreker hoorbaar wordt. De versterker heeft nu eenmaal enige tijd nodig om zich goed in te stellen als de voedingsspanning op komt en dat kan dan een korte gelijkspanningsvariatie aan de uitgang tot gevolg hebben.
Voor het inschakelen van het relais na enkele sekonden zorgt het gedeelte rond T14 (dat is dus onze veertiende transistor!). De voedingsspanning voor het relais wordt rechtstreeks betrokken van de trafowikkelingen via D3 en D4. Dat heeft als voordeel dat het relais (dankzij de geringe kapaciteitswaarde van buffer-elko C13) direkt wordt afgeschakeld als de voedingsspanning wegvalt. liet vertraagd inschakelen vindt plaats via R36 en C14. liet duurt enige sekonden voordat de spanning over C14 zo hoog gestegen is dat T14 kan gaan geleiden (op de basis van T14 moet minstens 1,2 V staan voordat hij gaat geleiden, het is immers een darling-ton).
Daarmee hebben we de belangrijkste zaken in het schema besproken. We kunnen nu eens gaan kijken naar figuur 2, waar de voeding voor de versterker is afgebeeld. Dat is de gebruikelijke opzet met een nettrafo, een bruggelijkrichter en enkele grote elko's voor de afvlakking. Niet zo voor de hand liggend zijn de weerstanden die in de voedingslijnen zijn opgenomen. Op deze wijze worden de laadstromen naar de elko's enigszins in grootte beperkt, want dit zijn enorme pieken. Bovendien vormen die weerstanden met de elko's een filter dat een hoop troep verwijderd houdt van de elektronica. Bij de vervormingsmetingen bleek deze konstruktie in het frekwentiegebied onder 500 Hz flinke voordelen op te leveren t.o.v. een gewone "harde" voedingsopzet.
Figuur 2. In het voedingsgedeelte zorgen een flinke trafo en enkele elko's voor voldoende voedingsruggegraat.
Figuur 3. Deze detail-opname laat zien hoe de transistoren in de verschilversterkers met behulp van een koperen busje thermisch gekoppeld worden.
De praktische konstruktie
Bij de print-layout voor deze versterker (figuur 4) is terdege rekening gehouden met de grote stromen die in een eindversterker lopen. Dat verklaart waarom er op sommige punten twee sporen vanaf een bepaald punt apart vertrekken, terwijl men die qua ruimte eigenlijk ook had kunnen kombineren. Op deze wijze wordt bereikt dat de stromen die in het vermogensgedeelte lopen zo weinig mogelijk invloed hebben op het ingangsgedeelte van de versterker. De opbouw van de print is niet zo moeilijk. We raden u aan om wel van te voren de transistoren voor de verschilversterkers te paren. Dat kan gebeuren met een hre-tester, waarbij u de versterking meet bij een kollektorstroom van ongeveer 1 mA. Maar het gaat ook wel met de hand, door gewoon een basisweerstand te nemen waarbij circa 1 mA kollektorstroom loopt. Met die basisweerstand gaat u dan verschillende transistoren vergelijken, waarbij met de multimeter steeds de kollektorstroom gemeten wordt. De aldus geselekteerde transistoren worden op de print ook netjes tegen elkaar geplaatst en dan tegen elkaar gedrukt met behulp van een koperen ringetje (5 mm breed) dat u zelf maakt van een stukje waterleiding-pijp. De opdruk op de print geeft verder duidelijk aan waar alles komt te zitten. De uitgangsspoel wikkelt u van 1,5 mm dik geïsoleerd koperdraad (6 windingen, binnendiameter 16 mm). Hiervoor kunt u een stukje elektriciteitspijp van 5/8 inch gebruiken. De grotere transistoren zitten allemaal aan een kant van de print, zodat ze meteen tegen de koelplaat kunnen worden geschroefd. Neem voor de isolatie het liefst keramische plaatjes, die werken het beste. Voor de twee FET's T12 en T13 zijn op de print-opdruk twee maten aangegeven, maar daar moet u maar niet op letten. Dit is bedoeld voor eventuele latere modifikaties met andere transistoren. Voor de aansluitingen van de voedingsspanning en de luidspreker worden vlakstekers voor schroefmontage gebruikt, die met boutjes op de print worden bevestigd.
Figuur 4. De hier afgebeelde print bevat de komplete eindversterker met inschakelvertraging, plus twee voedingselko's van elk 10.000 µF.
Daarna volgt de montage van twee versterker-printen in een kast, samen met trafo s, elko s en ander bijbehorend materiaal. In figuur 5 is een bedradingsschema gegeven dat u daarbij helpt (getekend voor een kanaal). Er is overigens weinig bekabeling nodig, doordat alle elektronica samen op een print is ondergebracht. Achter op de kast komt het hierbij afgebeelde typeplaatje. Let er ook op dat er twee netzekeringen in de kast komen, eentje per trafo.
Figuur 5. Het bedradingsschema van de eindtrap is heel eenvoudig, dankzij het feit dat praktisch alles op de print is ondergebracht. Voor een stereo-versie wordt alles in tweevoud opgebouwd.
Voor het inschakelen van de voedingsspanning is het verstandig om eerst nog eens de bedrading in de kast te kontroleren, vooral het voedingsgedeelte. Eventueel kunt u de voedingsspanningen al eens meten voordat de desbetreffende kabels op de eindversterkers zijn aangesloten. Draai, voordat u voedingsspanning op de eindtrappen zet, eerst de P2-instelpotmeters op maximale weerstand (loper naar de kant van R33). De beide Pl's worden in de middenstand geplaatst. Na het inschakelen van de spanning moet het relais van elke eindtrap na enkele sekonden inschakelen. Sluit een multimeter op de uitgang aan (DC-stand) en regel de gelijkspanning aan de uitgang zo af met Pl dat er nul volt staat. Zet de voedingsspanning weer af en neem de multimeter in een van de voedingslijnen op, instelling DC-current (sluit de meter niet in de plaats van een van de print-zekeringen aan, de shunt van de meter beïnvloedt dan de instelling van de power-MOSFET). Schakel de spanning weer in en wacht 5 à 10 minuten (totdat de stroom niet verder oploopt). Vervolgens kunt u met P2 de stroom instellen op 330 mA. Let daarbij op, want bij het draaien aan P2 gebeurt er eerst weinig en dan stijgt de stroom opeens snel. Door het temperatuurgedrag van de FET's zal die stroom zich na een half uur stabiliseren op zo'n 230 mA. Dan loopt er door de eindtransistoren een ruststroom van 200 mA. Is dat gebeurd, dan kan de spanning weer worden uitgezet en de meter worden verwijderd uit de voedingslijn. Dezelfde procedure herhaalt u bij het andere kanaal. De versterker is nu klaar voor gebruik. Ter kontrole kunt u de DC-spanning aan de uitgangen nog eens meten en eventueel bijstellen met P1.
Tenslotte willen we nog een opmerking maken over de boxen die op de versterker worden aangesloten. Dit moeten 4 of 8 Ω exemplaren zijn, waarbij de impedantie niet mag dalen beneden 3 Ω. Het is dus niet toegestaan om twee 4 Ω boxen parallel aan te sluiten op de MOSFET-eindtrap, want dan krijgen de FET's problemen bij grote uitsturingen.
Figuur 6. Hier is de versterker in een kast gebouwd. Het gaat hier om een stereo-uitvoering.
Dit typeplaatje kunt u achter op de kast van de versterker plakken.