AMPLIFICADOR V-AG


INTRODUCCIÓN

Tras la experiencia del headphone amp, sobre el sonido y caracterísiticas de un tim-free supersimétrico y de alta velocidad, venía de manera obligada la implementación en amplificador de potencia.

Está pensado para ampliicar los agudos en mi sistema triamplificado, por lo que la potencia no es un requisito, debido al bajo contenido en agudos de la música, que normalmente está 20dB y más por debajo de los graves, lo que es que con éste amplificador, el del woofer debería tener 250W para igualarlo en capacidades, y también ocurre que los tweeter son más eficientes que los woofer, pongamos 2-3dB, lo que hace que requieran la mitad de potencia que el woofer para dar un mismo SPL (ahora el ampli del woofer debería tener 500W)

Tiene 25W @ 8Ohm, 33W @ 6 Ohm, 50W @ a 4 Ohm y 75W @ 2 Ohm. En realidad tiene más potencia, pero estos son los límites que asegurna su correcto funcionamiento.

Utilizar una tensión de alimentación relativamente baja,+-18V permite usar transistores más delicados y más precisos, del estilo del BD639 en vez de los típicos BD139 o MJ340.

También permite polarizarlo en clase A sin pasar demasiado calor.

Decidí usar un servo de DC para evitar los problemas de offsets, deriva térmica, etc, que a un tweeter no pueden venirle nada bien.

También utiliza una entrada balanceada XLR (no era lógico seguir con el RCA y hacer un diseño con bajo ruido)

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TOPOLOGÍA.

Es la versión de potencia del headphone amp, su topología es realmente idéntica, variando los valores de los componente y poco más.

Al igual que en el headphone, su topología es simétrica, la que hace que se cancelen los armónicos de orden par. Más información aqui.

 

Para simlpificar la nomenclatura, a los componentes del lado N se le ha añadido la letra N y a los del lado P, la P, INDEPENDIENTEMENTE de si son NPN o PNP.

Son dos etapas de ganancia en voltaje, y una etapa de salida.

Etapa de entrada

Está compuesta por dos etapas diferenciales con fuente de corriente, degeneración de emisor, carga pasiva y modo cascodo.

Aquí la degeneración de emisor es muy excesiva, se ha utilizado 1kOhm, por la experiencia de la tonalidad del sonido con esta configuración.

Las fuentes de corriente empleadas son más limpias de lo habitual, ésto se consigue con Rbqin, cin, Rbqip y Cip. Forman un filtro paso bajo que elimina gran parte del ruido blanco que crean los Zener. Esto luego hace que el diseño tenga un fondo de ruido menor y una mejor figura de ruido.

Etapa de ganancia en voltaje:

Es una etapa en clase A con modo cascodo y degeneración de emisor. La gran peculiaridad es la carga, aparte de que su carga es una fuente de corriente, una carga activa, pero esta fuente de corriente es una fuente de corriente controlada por el lado contrario. Esta etapa es el forcejeo entre las dos fuentes de corriente, la del lado N y la del P.

Se ha degenerado la carga con RLN y RLP, de 220kOhm.

La etapa de potencia ya montada.

La compensación en frecuencia es también bastante curiosa, no la he visto empelada nunca y el resultado a efectos de sonido es mejor que el supertípico condensador de Miller.

Aquí el polo dominante se crea en la carga, no entre una etapa y otra, lo que hace que se pierda control y que cualquier problema de carga se acreciente. En la configuración convencional de condensador de Miller, los problemas vienen porque a la etapa de entrada no le resulta ni fácil ni cómodo cargar con ese condensador, y por supuesto la etapa de amplificación en voltaje también sufre sus efectos. De ésta manera sólo los sufre una etapa. Más control y más velocidad.

La frecuenica a la que está compensado es 32kHz, y la ganancia en lazo abierto es aproximadamente 56dB. En lazo cerrado la ganancia son 26dB. 30dB de realimentación a cualquier frecuencia audible.

La etapa de salida

Es una etapa estándar push-pull. La compensación térmica vital en un clase A. El deslizamiento térmico haría que en 10 minutos estuviese echando humo.

Las únicas pruebas (que funcionasen) que le he hecho por el momento son a oído y con el Spice. Con ganancia 34dB y tweeters de 92dB, con la entrada al aire no se escucha ningún ruido a más de 5 cm del tweter, y sobre distorsión, lo que he probado hacía que distorsionase mi oído y el altavoz antes que él. El offset de continua son +-2mV, para facilitar el trabajo del tweeter, y el ancho de banda en lazo abierto es de 32kHz, un TIM free, y se aprecia la diferencia. En lazo cerrado puede llegar a 1MHz, pero no lo he comprobado. De todas formas lleva filtro contra radiofrecuencia a 100kHz.

 

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FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

La etapa de amplificación en voltaje lleva una alimentación de 30V regulados. Con un doblador de onda se consiguen sacar unos 40-50V de los 18-25 iniciales, lo que evita tener que utilizar otro transformador.

Esto de regular la alimentación y utilizar voltajes mayores del de la etapa de salida hace que el nivel de ruido sea menor, y que se pueda aprovechar mejor la alimentación.

Utilizar 10-11V más de la tensión de la etapa de salida permite que los transistores trabajen con una tensión Vce de alrededor de 5V, que es mejor que con 2-3V que es lo habitual. Esto reduce algo muy importante: las capacidades parásitas. el ancho de banda de un transistor con Vce=5V es menor que el del mismo con Vce=20V. Además suelen ser más lineales así.

Consta de tres salidas: +-15V regulados, para el servo de DC, +-29V, para las etapas de ganancia en voltaje y +-18V, para las etapas de salida.

El transformador es un toroidal de 250VA y 18+18V en el secundario. La resistenia DC de ambos bobinados es sumamente baja, en el secundario son 3 Ohm. Comparando con los transformadores convencionales se aprecia la diferencia. Esto hace también que los picos de coriente demandada al arracar sean también mayores que con uno convencional

Los +-29V se consiguen con un doblador de voltaje, y regulador lineal de las series 78xx y 79xx, los de 24V concretamente, y en la pata de referencia, en vez de conectarla a tierra, se pone en medio un diodo Zener, de 5V6. Así la tensión de salida es de 29.6 V. Los 6mA que utiliza el regulador polarizan al Zener de maravilla. Las simulaciones del Spice mostraban que cn capacidades tan altas, los diodos del dolador podían soportar picos de corriente de 2A, por lo que decidí poner diodos de 3ARMS.

El módulo de fuente de alimentación.

El puente rectificador elegido es uno de 25A. Va montado fuera de la pcb porque lleva conectores fast-on y se puede montar sobre un disipador. Es bueno sobredimensionar el puente rectificador. Cuanta más corriente soporta, menos pérdidas de tensión produce. A baja potencia, puede suponer 0,1V, pero con corrientes de 5A puede suponer 1V. Es normal, no ultrafast ni Shottky. No entiedo para qué se usan diodos ultrafast en un rectificador de 50Hz, introducen EMI consducida y a 50 Hz las pérdidas son absolutamente despreciables tanto en uno normal como en un ultrafast. Otra cosa es en una fuente conmutada a 100kHz, ahi es vital.

 

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SERVO DE DC

Una de las funcionalidades añadidas a este amplificdor fue un servo de continua. Su misión es corregir el offset de continua a la salida del amplificador.

Corregir éste offset tiene efectos muy beneficiosos como que se facilita el trabajo de los altavoces. Normalmente, mientras el offset de DC a la salida sea menos de 0,1V (12.5mW) no pasa nada, no se va a quemar. Incluso con 1V, 0.125W , si el altavoz se mueve y se ventila la bobina tampoco pasa nada. Pero resulta que esta circulación de corriente desplaza el cono, deja de estar en su posición óptima de reposo y la zona del campo magnético donde está la bobina es menos lineal, porque se aleja del centro. Esto hace que crezca la distorsión armónica de orden par.

Además en un tweeter, dado su reducidísimo desplazamiento, esto hay que tenerlo muy en cuenta. Normalmente lleva un condensador de filtrado que elimina la continua, pero en este caso no, el acoplo con el tweeter es directo, y no se puede permitir un offset.

El circuito es una etapa integradora.

Se coloca entre la salida (para sensar DC) y la entrada - del amplificador.

Una etapa integradora simpre tiende a cero. Si además usamos condensadore con bajo leackage y un operacional con parámetros de intrumentación (baja input bias current, baja deriva térmica, bajo offset de voltaje)... podremos obtener cifras adecuadas.


A la derecha se muestra el detalle del ciruito.

Se trata de un filtro paso bajo formado por Rser1 y Cser1. De aquí ya pasa a lo que propiamente se considera como una etapa integradora.Se puede observar que es inversora.

En este tipo de etapas no se pueden usar condensadores electrolíticos porque la corriente de pérdidas causa errores serios, los condensadores sólo pueden ser plásticos.

Esto obliga también a usar resistencias bastante altas, para poder trabajar a frecuencias menos de de 1Hz y que el servo no sea intrusivo en la música. El problema de estas resistencias es la corriente de entrada del operacional, que aunque ideamente es cero, en la realidad no lo es, y aunque sea baja, las resistencias son altas y se pueden crear errores de 0,1V tranquilamente.

Se debe elegir un operacional que tenga muy baja esa corriente. Por los parámetros requeridos, el tipo de operacional elegido es el de intrumentación. El OP07 es pefectamente válido, también se pueden usar versiones más avanzadas como el OP77, o con entrada JFET, pero no hay cambios significativos. Si se desea hacer un ajuste fino, se debe usar el potenciómetro de corrección del offset entre las patas 1 y 8 del OP07, y así el offset puede ser menos de 1mV.

Con este circuito, habitualmente está entre +-2mV, que suponen 25 nanoW de potencia en el tweeter. No parece mucho.

Una últmima nota importante: CFBp1 es un electrolítico, tiene 100uF, pero debe ser bipolar, ya que no sabemos si el offset va a ser positivo o negativo. Como este tipo de condensadores es difícil de encontrar y lo único que hay en las tiendas son los de filtros para altavoces, que aguantan 100VDC y son caros y grandes, se puede montar con uno normal, pero es necesario comprobar primero en la dirección que debe ir. Tampoco puedo asegurar que el offset no varíe de positovo a negativo con el tiempo, porque entre otras cosas no ha habido tiempo para comprobarlo.

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CONSTRUCCIÓN

La experiencia del V-UR indicaba una cosa clara: Hacer pocas PCBs. Se cumplió (son 4), una para la fuente, otra para cada etapa y una con los circuitos de protección y soft start.

Otra cosa importante fue el uso extensivo de conectores para alimentación. Esto evita que sacar una pieza implique soldar o desoldar. mientras halla un condensador después del conector, y ese conector sopote 4 veces más de los amperios necesarios no hay problema. En el caso de la señal esto no se puede aplicar tan fácilmente, no hay condensador que lo arregle, por lo que se sigue con cable de punto a punto.

El caso es que también intenté reducir el número de cables y usar cables de varios conductores en su interior, con cable de transmisión de datos, pero la maraña de cables no se redujo de manera tan eficiente como el número de PCBs.

Al igual que en el V-UR, la colocación de los componentes se tuvo muy en cuenta. La fuente de alimentación y sobre todo el transformador se han alejado lo máximo que permite una caja de 42cm de ancho, llena hasta arriba. Como el mejor cable es que no halla cable, también se ha seguido con la técnica de reducir el tamaño del cable dentro de la caja. Concretamente hay 7cm de cable de señal.

Una técnica nueva fue usar portafusibles de aire, que a su vez hacen de conector.

Este ha sido el primer diseño que no ha cabido literalmente en un sólo entrenador, aunque parece ser el primero de una larga serie.

Realmente fueron muy bien, todo funcionó mejor de los esperado y a la primera, sin freir nada. No es habitual en un diseño con tantos componentes.

La pruebas en entrenador

Las pruebas con el altavoz de prueba (el peor altavoz del planeta, si se fríe no importa) ya fueron bastante reveladoras. Resulta curioso cómo con un altavoz tan malo se pueden llegar oir cosas que en los bueno no había oído.

Y estaba polarizado en clase AB con 30mA, porque los disipadores de prueba no aguntarían. Bueno, el disipador sí lo aguantaría, el transistor sería el que no.

El caos de cerca.

 

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CABLES.

 

Los cables usados pra la alimentación de la etapa de ganancia en voltaje y la el servo de DC son cable de transmisión de datos de 4 conductores + malla y de 26AWG (0,22mm^2). La pantalla evita que se cuele ruido incluso por los cables de la alimentación.

Además es la mejor manera de tener todos los cables unidos en una misma funda.

Para la alimentación de potencia, cable de 1.5mm^2 de instalación fija interior, trenzado.

Vista general de todos los cables con la etapa al fondo.

Para la señal, cable de micrófono de bajo ruido, con aislante de espuma de teflón. Es bueno, pero no me gusta porque no soporta tan bien la temperatura como su primo el teflón, y en cada soldadura se machaca bastante y se quedan mucho cobre al descubierto, lo que implica que se oxidará. Con un poco de barniz o pegamento de contacto se evita. Es un cable con dos conductores trenzados.

En todo caso siempre se ha intentado mantener cada cable lo más corto posible, el mejor remedio contra los efectos perniciosos.

Conectores XLR y bornas de 40 Amperios, niqueladas.

Los conectores son XLR, ya que el amplificador tiene entrada balanceada. Su CMRR no está calculado pero al cortocircuitar las entradas sólo se oye leemente una señal aguda, incluso con 0dBV de entrada. Nos hace estimar que en graves supera los 60dB.

Los conectores de los altavoces son unas bornas estándar de 40 amperios niqueladas. Estimo que son suficientemente buenas, que lo importante es que la resistencia del contacto sea muy baja, lo que implica que la unión debe estar limpia, debe tener un gran área y debe estar libre de óxido. Los conectores banana no tienen un gran área de conexionado, las partes que estan en verdadero contacto son escasas dentro de él. Mis últimas experiencias con conectores bañados en oro baratos me revelaron que el oro con el que se hace el baño tiene un espeso ínfimo, porque se oxida y huele a cobre al calentarlo. Así que en caso de usar conectores bañdos en oro, deben ser buenos, si no en dos años se pieden sus propiedades.

Se ve que no se han usado cables caros.. en lo único que realmente merece gastarse el dinero es en superconductores, o en plata, y eso SI es caro.

 

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DISIPADORES.

Los construí de la misma manera que los del V-UR, pero con el añadido de pintarlos de negro con spray mate.

En principio siempre he creido que pintarlo de negro sería contraproducente, en el fondo es una capa de "algo" que está por medio, debe tener una resitencia térmica. Pero funciona. Y funciona de una manera tan obvia como que bajaba 10ºC la temperatura del disipador.

En las tablas de materiales en disipadores, la diferencia entre un aluminio anodizado normal y uno negro es sustanciosa y sustancial.

Detalle del disipador

La explicación está en que el negro absorve calor, y se transforma en temperatura, y la diferencia de temperaturas entre el exterior del disipador y el aire es mayor con la superficie pintada de negro. Como la transferencia de calor se basa en una diferencia de temperatura, asi la disipación del calor es más eficiente.

Tras los cálculos y las deliberaciones, entendí de primera mano porqué no hay ningún clase A en el mercado, y todo lo que "digan" que es clase A es simplemente una mentira.

Con lo que tenía y los experimentos me daba que para poner 2A de polarización, lo necesario para que estuviese en clase A dentro de los 25W, el disipador estaría a 70ºC, y en prinipio todo lo aguantaría, pero sería forzar, y un amplificador debe ir ligeramente sobrado para cumplir otro de los objetivos de diseño que es que debe durar 10-15 años sin tener que cambiar ni siquiera un electrolítico. Tampoco cumple los postulados de mi teoría "el transistor caliente"(próxima edición), por lo que decidí bajar la clase y que se quedara a 55ºC, lo que son 1,3A.

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CAJA.

 

Decididamente esta fue la última caja que hice de este tipo. Montar la parte electrónica, con todas las pruebas y correcciones supuso 3 días. Montarlo todo dentro de la caja, 3 semanas. La próxima caja será muy diferente.

Está realizada de la misma manera que la del V-UR, y por fuera son idénticos, salvo el led azul, en éste es de 3mm en vez de 5.

Por detrás...

Para mejorar la ventilación y que cupiesen las piezas se rebajaron las perfiles de acero con la caladora, pero no fue suficiente. Además es muy pesado de cortar, es tremendamente duro y 30cm puden suponer más de 2 minutos.

Por lo menos ahora que ya está montada, el resultado es bastante bueno. Se calienta lo mismo que el V-UR siendo que disipa más potencia, y a pesar de todo se pueden tocar los disipadores con la mano (<55º), lo cual es muy positivo.

... por delante ...

También la plancha de abajo se sustituyó por otra. En esta se dejó todo el disipado sin proteger, para que la circulación de aire fuese todavía mejor. Hay que recordar que se puede generar mucho calor y que no conviene acumularlo.

En la foto se puede apreciar el condensador MKT de 8u2 en la alimentación de ambos transistores, diréctamente unido a sus cápsulas mediante un cable.

..y por dentro.

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SOFT START Y PROTECCIÓN

Curiosamente no hace ningún mínimo pop ni nada brusco al encenderse. Sólo algo que suena como un soplido muy suave. Para amplificar rango completo se podría dejar tal y como está.

El circuito utilizado es una versión anterior al modelo que suelo emplear actualmente. No lleva proteción contra cortocircuitos para que nada pueda interferir en el sonido.

Se basan en redes RC que producen retrasos. En esta versión se hizo con un potenciómetro, así el tiempo que tarda en encenderse y apagarse es variable. Con otra red RC se produce en encendido del relé que permite el paso de la señal a los altavoces. Una mala planificación obliga a que este circuito lleve alimentación propia.

Detalle del soft start

 

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OTRAS TÉCNICAS Y EL PROCESO

Se ha seguido la técnica de soldar las resistencias en superficie, pero esta vez se ha eliminado incluso el agujero. Es una PCB con 150 taladros, si se hubiesen hecho los de las resistencias hubiesen sido 60 más. En la versión definitiva de la PCB (no es la de las fotos aunque es la que tengo en mi amplificador) van con resistencias SMD en encapsulado 1206, se suelda fácil, cuando se coge práctica es mejor que una normal.

Resistencias soldadas en superficie.

Además las resistencias SMD miden 2mm menos. Esto se puede entender que en 30 resitencias ahorras 6cm de logitud en el camino de la señal.

Como en cualquier PCB con componentes a dos caras es muy recomendable soldar primero los de abajo, los SMD, y luego seguir con la técnica habitual, empezar por los componentes más pequeños y terminar por los grandes.

Es lógico tener cuidado con los componentes que quedan por debajo de otros. Es el caso especial de los condensaodores electrolíticos, tienen una área muy grande.

Se empieza por lo pequeño

Las tierras y las alimentaciónes tienen estructura de estrella. Hay tres tierras que no se unen ni siquiera en la PCB sino directamente en la fuente. Éstas son: la tierra del servo de DC (es a la que va la señal de entrada también), la tierra de potencia y la tierra de la etapa de ganancia en voltaje.

La malla del cable de entrada se conecta a tierra (directamente en la fuetne) mediante una resistencia de 33 Ohm, para evitar que circulen corrientes por la malla.

...y se sigue con lo grande

Por arriba se ven los electrolíticos, el relé de protección de los altavoces (con control optoacoplado para evitar ruidos) y el aspecto ordenado que produce usar conectores. Una gran diferencia con el anterior.

Por debajo se observa la densidad de componentes. Si hubiesen estado en la cara superior, el aéra de la PCB hubiese tenido que ser el doble, y la longitud de las pistas también.

Aspecto final

Se puede observar que las pistas que llevan potencia están convertidas en polígonos y además estañadas con una generosa capa de estaño plata (7%) Así las soldaduras no sufrirán con la temperatura (el SnAg funde a más de 250ºC) y ofrecerán una resitencia mínima a los 7.5 amperios que les puede llegar a mandar la fuente de alimentación. No está mal para un 25+25W.

Cara inferior.

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Y FINALMENTE...

Finalmente he decidido que debo cambiar de compact disc porque es terriblemente obvio que se queda corto. Ahora se oye (asi de obvio) la falta de dinámica, incluso cosas que prefiero no afirmar porque no tengo claro su origen. Hoy día el jitter no debería ni oirse, los DAC han avanzado mucho en eso, y los filtros PB también... pero se oye algo que tiene pinta de ruido digital. Es un Yamaha 393. En su precio es de lo mejor (aunque su precio son 180euros, no da mucho de sí), no tiene ninguna funcionalidad pero sus tripas tienen cosas como el NJM2114, un buen operacional de salida con cifras semejantes al BB OPA2134. Ahora me pesa que no tenga salida digital, debería hacer un DAC.

Tanto es así que lo dejé con 0,5A de polarización, no se aprecia diferencia y calienta menos.

Estoy preparando una corrección RIAA con preamplificador, en breve tendré una fuente de sonido mejor, y podré comentar su sonido. De momento voy descubriendo cosas nuevas, esos ruidillos de fondo van tomano forma y desvelan que son resiraciones, dedos pasando por las cuerdas, pasar partiruras y hasta pasos. Con un tweeter de 17 euros ligeramente modificado.

Las pruebas de osciloscopio no han mostrado NADA absolutamente. Ni distorsión, ni ruido, y las ondas cuadradas de 100kHz pasan como Pedro por su casa. Ni sobreoscilación ni limitación por slew-rate, y simplemente redondea un poco las esquinas, menos que el V-UG.

Las pruebas realizadas al Crescendo edición millenium en la revista Elektor revelan que tanto el ruido como la distorsión lineal, no lineal, IMD, TIM...son sumamente bajas, y los puntos flacos de ese amplificador están cubiertos en el V-AG (alimentación no regulada, ausencia de modo cascodo a la entrada, poca degeneración de emisor(47 y 33Ohm), fuentes de corriente "sucias", Digamos que por narices debe dar la misma o menos distorsion porque además los transistores de ganancia se usan con mayores márgenes de voltaje y más corriente, y son el mismo modelo... Opino que no consigo medir nada porque todos los parámetros quedan por dabajo de los humbrales de medición del osciloscopio.


NUEVO La nueva prueba de sonido (en realidad no se estaba probando el V-AG sino la fuente de sonido) revela que tiene una gran delicadeza en el extremo agudo. Nada que ver con el típico sonido de integrado monolítico al que estamos tan mal acostumbrados. La prueba revela que todo está en su sitio, ni sobra ni falta. Todavía no esta probado en profundidad, pero hay detalles que son obvios y que de el amplificador de pruebas peligrosas (semejante en calidad al altavoz de pruebas peligrosas) a este hay un mundo. Se ha superado al V-UR.

La dinámica, cosa que no había podido probar con el CD, también es muy buena. Ciertos sonidos penetran más en ti. Dede luego las diferencias con los convencionales son muy obvias.

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