Tento článek popisuje, jak jsem stavěl NF zesilovač od profesora Marshalla
Leache známý jako "The Leach Amp". Zesilovač byl stavěn podle originálního
návodu na stránkách
http://users.ece.gatech.edu/~mleach/lowtim/. Článek o stavbě zesilovače
jsem později objevil také v časopise A Radio
Praktická elektronika 11/2002. Už několik let jsem hledal konstrukci HiFi
zesilovače s dobrými parametry, dostatečnou výkonovou rezervou a jednoduchou
konstrukcí. Postavil jsem několik zesilovačů s MBA810, TDA2005, LM3886, ale
všechny mne zklamaly nedostatečnou kvalitou výstupu a rušením. Rozhodnul jsem
se tedy pro klasickou konstrukci s diskrétními součástkami a bipolárními
tranzistory. Konstrukce od pana Dudka byly zajímavé, ale vadily mi použité
součástky a složitost. Všechny moje požadavky splnila až konstrukce zesilovače
Leach Amp. Zapojení autor publikoval v únoru 1976 v americkém časopise. Od té
doby se prakticky nezměnilo. Drobné změny jsou popsány na stránce autora.
Odkaz na originální zapojení: http://users.ece.gatech.edu/~mleach/lowtim/graphics/ckt.pdf
Lokální kopie: ckt.pdf
Překreslené schéma s tranzistory NJL doplněné o hodnoty součástek:
Schéma ve formátu Eagle5: leachamp4_5.sch
Podařilo se mi na našem trhu sehnat téměř všechny originální součástky, v což jsem vůbec nedoufal. Větší problém byl pouze se síťovým transformátorem a s filtračními kondenzátory. Doporučovaný toroidní transformátor pro výkon 200W do 4 ohmů je 230V/2x 42V. Podařilo se mi v GM Electronic sehnat toroidní transformátor 2x36V, 300W. Výstupní výkon tedy bude o trochu nižší, ale pro domácí použití více než dostatečný. Napětí po usměrnění a vyhlazení naprázdno je přibližně +51V a -51V. Kondenzátory o kapacitě 10000uF, nebo 20000uF na 75V jsem nemohl sehnat vůbec. Rozhodl jsem se proto koupit elektrolytické kondenzátory 4700uF/63V a dát 4 kusy paralelně na kladnou větev a 4 na zápornou. Ještě jsem vymyslel další variantu a to použít vždy po 3 kusech 6800uF/63V. Slídové kondenzátory jsem na našem trhu vůbec neobjevil, tak jsem použil keramické. Některé keramické kondenzátory můžou prý "hrát". Já jsem ovšem žádné problémy nepozoroval. Uhlíkové rezistory jsou pro HiFi údajně vhodnější kvůli šumu, ale dozvěděl jsem se to až po nákupu metalizovaných. Elektrolytické kondenzátory jsem použil normální, ale lepší by asi byly typu LowESR. Výkonové tranzistory nejsou sice originál Motorola, či dnes ON semiconductor, ale nezpozoroval jsem žádný problém.
| počet | označení | hodnota |
|---|---|---|
| Tranzistory | ||
| 12x | Q1, Q2, Q5, Q7, Q9, Q10 | MPSA 06 |
| 10x | Q3, Q4, Q6, Q8, Q11 | MPSA 56 |
| 4x | Q13, Q14 | 2N 3439 |
| 4x | Q12, Q15 | 2N 5416 |
| 2x | Q16 | MJE 15030 |
| 2x | Q17 | MJE 15031 |
| 4x | Q18, Q20 | MJ 15003 (NJL3281D) |
| 4x | Q19, Q21 | MJ 15004 (NJL1302D) |
| Diody | ||
| 12x | D1, D2, D3, D4, D11, D12 | 1N4007 |
| 12x | D5, D6, D7, D8, D9, D10 | 1N4148 |
| 8x (15x) | D13, D14, D15, D16 | 20 V Zenerova +5% tolerance, 0.5W |
| Kondenzátory | ||
| 2x | C1 | 390 pF slída |
| 14x | C2, C3, C15, C16, C23, C24, C25 | 100nF/100V film |
| 8x | C7, C12, C17, C18 | 100nF/50V film |
| 12x | C4, C5, C13, C14, C21, C22 | 100uF/63V radial electrolytic |
| 2x (4x) | C6a, C6b | 220uF/16V bi-polar electrolytic (4x 330uF/16V) |
| 2x | C8 | 180pF slída |
| 2x | C9 | 47pF slída |
| 4x | C10, C11 | 10pF slída |
| 4x | C19, C20 | 10nF/50V film |
| Rezistory | ||
| Všechny rezistory 1% uhlíkové, nebo metalizované 0,5W, pokud není uvedeno jinak | ||
| 2x | R1 | 20 kohm |
| 2x | R2 | 2 kohm |
| 16x | R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10 | 300 ohm |
| 6x | R11, R12, R27 | 1.2 kohm |
| 4x | R13, R14 | 2.2 kohm |
| 4x | R15, R16 | 12 kohm |
| 4x | R17, R18 | 11 kohm |
| 2x | R19 | 1.1 kohm |
| 2x | R20 | 22 kohm |
| 4x | R21, R22 | 30 ohm |
| 4x | R23, R24 | 360 ohm |
| 4x | R25, R26 | 1 kohm |
| 4x | R28, R29 | 270 ohm |
| 4x | R30, R31 | 3.9 kohm 1/2 W |
| 6x | R32, R33, R51 | 82 ohm |
| 4x | R34, R35 | 330 ohm |
| 2x | R36 | 220 ohm |
| 8x | R37, R38, R39, R40 | 680 ohm |
| 8x | R41, R42, R43, R44 | 10 ohm 1/2 W |
| 8x | R45, R46, R47, R48 | 0.33 ohm 5 W drátový |
| 4x | R49, R50 | 10 ohm, 2 W |
| Ostatní | ||
| 2x | P1 | 2 kohm trimr cermetový víceotáčkový |
| 1x | T1 | Transformátor toroidní SEC 2x40V AC 300W |
| 8x | C1P, C2P | 4700uF/63V (6x 6800uF/63V, 4x 10000uF/63V) |
| 8x | C3P | 100nF/200V |
| 1x | D1P | Můstkový usměrňovač 35A/200V |
| 5x | Pojistkové pouzdro | |
| 1x | F1 | Pojistka 3.15A T |
| 4x | F2, F3, F4, F5 | Pojistka 5A F |
| 8x | Izolační podložka pod tranzistor + korálky 16x | |
| 20x | Pájecí očko M4 | |
| 2m | Smršťovací bužírka 4mm | |
Aby neměl zesilovač problém s DC offsetem, je nutné napárovat tranzistory Q1-Q4 a zenerky. V originálním návodu je popis jak to udělat. S tranzistory jsem neměl vůbec žádný problém. Zřejmě je dnes jejich výroba přesnější, pokud jsou ze stejné série. Se zenerkami to je horší. Postup je takový, že se 20V zenerka připojí přes rezistor na zdroj napětí vyšší, než 20V tak, aby diodou protékal proud 3.3mA. Zjistil jsem, že se Zenerovo napětí mění s teplotou a s dobou připojení k napájení. Snažil jsem se zachovat při měření všech diod stejné podmínky a počkal jsem, až se napětí na diodě ustálí asi po necelé minutě. Zenerových diod jsem si koupil víc, u všech jsem změřil 3x jejich napětí a pečlivě si je zapsal. Po skončení měření jsem poskládal dvojice diod, aby daly dohromady co nejshodnější napětí pro jeden kanál.
Dále bylo třeba omotat L1 okolo R49. Dlouho jsem si lámal hlavu s tím, jaký
zvolit drát a jak ho nejlépe namotat na rezistor. Osvědčil se mi odmotaný
lakovaný drát z výstupní tlumivky PC zdroje o průměru asi 1mm. Namotal jsem
11 závitů na šroubovák o podobném průměru jako rezistor R49. Hotovou cívku
jsem pak nasunul na R49 a ohnul a zapájel konce k vývodům rezistoru.
Rezistor i s cívkou je pak zapájen normálně do desky.
Použil jsem originální návrh desky verze 4.5, který mi přišel jako naprosto
vyhovující. Spoj je jednostranný, je pěkně symetricky navržen a všechny
součástky do něj pasovaly bez problémů. Jediný problém byl v malých pájecích
ploškách a bylo tedy obtížné vrtat větší díry. První kus jsem překreslil
do Eaglu a následně vykreslil u kamaráda na plotteru a vyleptal. Nyní jsem
si nechal plošné spoje vyrobit u pana
Kohouta který dělá jednoduché plošné spoje fotocestou. Stačilo uvést stranu,
na které byl plošný spoj v Aradiu. Konkrétně "Praktická elektronika A Radio -
11/2002 strana 13". Díky tomu, že měl hotový filmový negativ, byl plošný spoj
o to levnější. Plošný spoj byl opatřen ochranným lakem, aby neoxidoval a lépe
se pájel. Před osazováním je vhodné ověřit, že díry jsou pro součástky
a přívodní dráty dost velké. Když jsem později zvětšoval díru na osazené desce,
poškodil jsem pouzdro jednoho z elektrolytických kondenzátorů.
Originální plošný spoj s vrtáním chladiče je zde: http://users.ece.gatech.edu/~mleach/lowtim/graphics/layouts.pdf
Lokální kopie zde:layouts.pdf
Upravený plošný spoj pro přímé osazení tranzistory NJL. Díky omezením Light verze Eaglu bylo nutné plošný spoj zmenšit, ale snad se to podařilo.
Při osazování plošného spoje je dobré začít od nejmenších součástek po největší.
Začal jsem drátovou propojkou. Dále jsem osadil všechny malé rezistory a po
nich diody. Hodnoty rezistorů jsem před osazením zkontroloval a u diod ověřil
jejich správnou polaritu. Dále jsem osadil malé kondenzátory, potom nejmenší,
střední a největší tranzistory. Zde jsem dával zvláštní pozor, abych je
nezaměnil. Potom už zbyly jen velké rezistory a elektrolytické kondenzátory,
kde jsem pečlivě kontroloval jejich polaritu. U Q16 a Q17 je potřeba správně
ohnout vývody dle pozice díry pro šroubek a tloušťky stěny chladiče.
Vhodný chladič jsem dlouho nemohl najít. V maloobchodě jsem sice objevil vhodný
profil, ale byl o dost kratší, než jsem potřeboval. Nakonec se mi podařilo
zjistit kontakt na firmu ALUPA, která má
v nabídce přesně takový profil, jaký se hodí na tento zesilovač. Profil má
označení ZH-2476.
Bohužel jsem při nakupování ještě nevěděl požadovanou velikost chladiče, tak
jsem ho pak byl nucen řezat okružní pilou, což jde velmi špatně, protože hliník
"teče". Chladič jsem uříznul na délku 15cm a vyvrtal do něj díry podle
originálního PDF návodu 4mm vrtákem kromě diod. Díry pro diody jsem vrtal tak,
aby diody těsně seděly. Kolektor výkonových tranzistorů jsem se rozhodl odvést
z horní strany pomocí pájecího očka a drátu. Vyvrtal jsem díry pro drát mezi
tranzistory, ale pak se ukázalo, že to nebyl dobrý nápad, protože jsem musel
okousat slídové podložky, které byly moc u sebe. Lepší by bylo udělat díry
trochu bokem. 
Tranzistory jsem přidělal následujícím způsobem: Nejdříve jsem jejich vnitřní plochu potřel slabou vrstvou silikonové vazelíny. Pak jsem na ně nasadil slídovou podložku. Následně jsem na vývody připájel dva silnější dráty o délce asi 10cm, nasadil kousek smršťovací bužírky a smrštil zapalovačem. Dráty ke kolektorům musí být asi o 5cm delší. Dále jsem namazal slídovou podložku silikonovou vazelínou i z druhé strany. Vrstva musí být velmi tenká, jinak dochází k vytlačování vazelíny ven. Slídová podložka měla malé otvory na vývody, takže se musela nasadit před započetím pájení drátů. Nakonec jsem tranzistor dal na své místo na chladič, do otvorů dal izolační korálky, pod jeden umístil pájecí očko s již připájeným silnějším drátem a přitáhnul šrouby M3 o délce asi 15mm. Do chladiče jsem také umístil a spájel 4 diody podle originálního návodu a zakápnul je vteřinovým lepidlem. V rozích chladiče jsem vyvrtal menší díry a závitníkem udělal M3 závit a zašrouboval 5mm M3 distanční sloupky. Z hlediska odvodu tepla by byl lepší černěný chladič umístěný svisle. Já jsem byl ovšem omezen prostorem a technologickými možnostmi. Nicméně žádný problém s přehříváním nepozoruji.
Při konstrukci jsem vycházel opět z
originálního uspořádání. Měl jsem k dispozici starou skříň od nějakého
přístroje o výšce 12cm, šířce 48cm a hloubce 25cm. Na předním panelu je umístěn
pouze síťový spínač a 4 diody. Dvě pro kladné a záporné napájení a dvě pro
detektor přebuzení levého a pravého kanálu. Přední panel z hliníku jsem následně
vyleštil, takže vypadá skoro jako zrcadlo. Je na něm logo vyrobené z kuprextitu
a přilepené oboustrannou lepenkou. Nevypadá to ale nic moc.
Toroidní transformátor je umístěn uprostřed co nejvíce vpředu, aby byl daleko od elektroniky z důvodu rušení a je uchycen šroubem do základny. Poblíž je odizolovaný centrální zemnící bod a usměrňovač. Na kovovou skříň zesilovače je připojen ochranný vodič ze zásuvky, což je z důvodu bezpečnosti. Zem není ovšem propojena s vnitřní zemí zesilovače kvůli možnosti vzniku zemní smyčky a následného rušivého brumu.
Vlevo a vpravo vedle trafa se nacházejí filtrační kondenzátory umístěné nastojato. Mezi nimi je delší šroub s matkou a na něm navlečená hadička, která by měla zabránit prodření izolace kondenzátorů. Nahoře je matice s větší gumovou podložkou držící sestavu na místě. Kondenzátory jsou svázány vázacími pásky. Silné napájecí dráty jsou z jednoho kusu vodiče nataženy od usměrňovače přes všechny kondezátory ke dvěma pojistkovým pouzdrům. Možná by bylo lepší připojit všechny filtrovací kondenzátory do hvězdice stejně dlouhými dráty. Nepřišel jsem ovšem na to, jak to rozumně mechanicky vyřešit. Obdobně je natažena druhá napájecí větev a také zem vedená ze společného zemnicího bodu.
Plošné spoje jsou ve skříni umístěny nastojato asi 3cm od zadní stěny součástkami dozadu. Původně jsem je chtěl dát součástkami dopředu, ale bylo výrazně obtížnější pájet přívodní dráty. Plošné spoje i tranzistory na chladiči jsou umístěny zrcadlově, aby vstup zesilovače byl směrem doprostřed skříně co nejblíže vstupním konektorům. Desky jsou umístěny na delších distančních sloupcích. Já je neměl, tak jsem použil delší šroubky s matičkami. Pod dvě matky jsem musel dát izolační podložky, protože spoj byl veden příliš blízko otvoru a matička by se ho vodivě dotýkala. Všechny zemnicí dráty jsem vedl samostatně ke společnému zemnicímu bodu.
Zadní panel má na jedné straně síťovou zásuvku a pojistkové pouzdro. Zde jsem se dopustil chyby, že zásuvka je v úrovni reproduktorových terminálů, takže může překážet připojovaným drátům. Vedle je reproduktorový terminál a dále chladič pravého kanálu přišroubován čtyřmi šrouby na distančních sloupcích. Uprostřed jsou dva zlacené cinch konektory. Musí být odizolované od skříně! Dále chladič levého kanálu a opět reproduktorový terminál. R50 a C25 se pájí přímo na vývody terminálů. Terminály se mi podařilo sehnat pouze poniklované, ale jsou dostatečně masivní pro velký výkon. Patice pro tranzistory v pouzdře TO3, nebo izolační krytky jsem na českém trhu vůbec neobjevil.
Na zapojení je vidět propojení jednotlivých komponentů ve skříňi. Za síťovou zásuvkou je připojen EMI filtr, který by měl omezit pronikání rušení mezi obvody zesilovače a okolním světem. Dělá se také v kompaktním provedení uvnitř síťové zásuvky. V původním zesilovači jsem ho neměl osazen. V zapojení je naznačeno, které spoje je nutné tahat silnějším vodičem. Konkrétní rozmístění komponent je zřejmé z fotografií.
K zesilovači je možné postavit detektor přebuzení, který nám rozvícením LED signalizuje limitaci zesilovače, kdy již dochází k plnému otevření výstupních tranzistorů a k ořezávání signálu na velikost těsně pod úrovní napájecího napětí. V tuto chvíli dochází již k degradaci akustického signálu v koncovém zesilovači. Zapojení opět pochází ze stránek autora zesilovače. Překreslil jsem ho v Eaglu a navrhnul plošný spoj pro dva kanály. Přidal jsem místo pro dvě další LED, které signalizují přítomnost kladného i záporného napájecího napětí. Jediná chyba plošného spoje jsou dost malé plošky. Eagle je má ve výchozím stavu bohužel dost miniaturní.
| počet | označení | hodnota |
|---|---|---|
| 2x | Q1, Q3 | BC639 |
| 2x | Q2, Q4 | BC640 |
| 6x | D1-D6 | 1N4148 |
| 2x | LED1, LED2 | LED 2mm ploché čelo, červená |
| 2x | LED3, LED4 | LED 2mm ploché čelo, zelená |
| 2x | C1, C2 | 10uF/100V |
| 4x | R1, R2, R8, R9 | 12k |
| 4x | R3, R4, R10, R11 | 16k |
| 4x | R5, R6, R12, R13 | 1k5 2W |
| 2x | R7, R14 | 220R |
| 2x | R15, R16 | 22k |
Nejdříve je potřeba vyzkoušet zdrojovou část. Pojistky F2-F5 necháme vyndané a zkontrolujeme pro jistotu zapojení usměrňovače a polaritu kondenzátorů. Případná chyba by mohla být fatální. Pokud je vše v pořádku, mělo by se na kondenzátorech obou větví napětí kolem 51V. Přesná velikost napětí závisí na použitém transformátoru a napětí v síti. Po odpojení bude napětí na kondenzátorech držet dlouhou dobu. Vybít je můžeme přes rezistor asi 100R 2W. Může se stát, že při zapnutí shoří pojistka F1 i když je vše v pořádku. V mém případě je nabíjecí proud po zapnutí tak velký, že jsem musel na primární straně trafa osadit do série termistor NTC, který jsem vzal ze starého PC zdroje, kde plnil stejnou funkci. Lepší by bylo použít obvod "soft start", který se skládá z rezistoru v sérii na primární straně trafa, který je po pár sekundách přemostěn zpožďovacím obvodem pomocí relé do zkratu. Nenašel jsem ovšem zapojení, které by se mi líbilo.
Pokud zdroj funguje správně, můžeme přistoupit k otestování zesilovače. Trimr P1 se nastaví do krajní polohy s maximálním odporem. Do pojistkových pouzder pro jeden kanál osadíme rezistory 100R 1/4W. S odpojeným výstupem a vstupem zesilovač zapneme. Na 100R rezistoru bychom měli naměřit maximálně 2.5V, což odpovídá proudu 25mA. Jestli je vše v pořádku, počkáme až se zdroj po vypnutí vybije a místo rezistorů osadíme pojistky. Můžeme pro začátek menší. Já měl přehozené dva dráty k výkonovým tranzistorům na jednom kanále, takže se mi začalo s odporů kouřit a pěkně smrděly. Opravdu se vyplatí vše dvakrát kontrolovat, ale i tak se může stát chyba.
Nyní musíme nastavit klidový proud. Místo pojistky F2 dáme ampérmetr a trimrem P1 točíme tak, až nastavíme proud 100mA. Jak se zesilovač zahřívá, tak se proud mění. Upravujeme hodnotu proudu, až se ustálí, což může být asi po 15 minutách. Stejný postup opakujeme pro druhý kanál.
S odpojeným vstupem můžeme také změřit DC offset na výstupu a ukáže se, jak pečlivě jsme párovali součástky. V mém případě jsem naměřil 19mV na levém a 22mV na pravém kanále.
Nyní je možno přistoupit na ostré testy a připojit reproduktory a zdroj signálu. Já jsem to testoval připojením vstupu zesilovače přímo na výstup zvukové karty. Je potřeba stáhnout hlasitost a opatrně přidávat, protože zesilovač je dost výkonný na to, aby zničil menší reproduktor. Discmanem se mi ovšem zesilovač vybudit naplno nepodařilo.
Mým cílem bylo postavit špičkový koncový zesilovač, což se mi podařilo. Má dostatečnou výkonovou rezervu pro dynamiku v nahrávce a neslyšitelný brum, či šum. Ještě mi zbývá vyřešit kvalitní zdroj signálu, protože výstup ze zvukové karty Soundblaster Live obsahuje dost rušení z počítače. Pravděpodobně si postavím kvalitní D/A převodník z USB, nebo SPDIFu. Možná jako součást předzesilovače, který bude ještě obsahovat přepínač vstupů a regulátor hlasitosti. Jeden návod je třeba zde: http://www.dddac.de/.
English
Česky