Elektronkový zesilovač s 6L6 GC

11.09.2020

Zesilovačů sem postavil už opravdu mnoho, většina z nich se nedochovala a ani k nim nemám žádnou dokumentaci. Do tohoto článku zařadím můj největší projekt zesilovače. Zesilovač jsem stavěl jako maturitní projekt v mých 18ti-19ti letech.

První zesilovač o kterém bych chtěl psát, je můj elektronkový zesilovač s 4x 6L6 GC. Zde budu používat odborné termíny a článek bude pravděpodobně rozsáhlejšího charakteru a důraz bude kladen taktéž na teorii vzhledem k tomu že to byla moje maturitní práce, většinu budu čerpat zde. Také chci upozornit že schémata a výkresy nejsou zrovna nejlepší, pokud chcete stavět elektronkový zesilovač použijte jiné schéma, ale pro čerpání informací článek stačí.

Tento článek se bude zabývat návrhem, realizací, oživením a změřením elektronkového zesilovače s minimální hodnotou maximálního výkonu 2x25W. Jako první bych chtěl říct, že projekt má své nedostatky, kterých jsem si vědom a v budoucnu se je pokusím napravit, ale vzhledem k časové náročnosti stavby bych ho považoval za úspěšný, ale ne dokončený. Hlavním účelem bylo využít gramofon a reproduktorové bedny, s obojím si zesilovač velice dobře rozumí.

Také chci říct, že stavba elektronkového zesilovače je velmi finančně náročná a před stavbou je dobré si vše velmi dobře promyslet, aby peníze nepřišli nazmar. Například je lepší investovat do nových elektronek, než kupovat již použité jako to je v mém případě, díky tomuto mému kroku zesilovač bohužel nedosahuje kvalit, jakých by mohl s novými elektronkami. S použitými elektronkami se vyskytlo hned několik problémů, například jedna občas nechce začít žhavit a je nutné s ní zaviklat, pravděpodobně má špatný kontakt v patici elektronky, snažil jsem se tento problém vyřešit prohřátím patice elektronky, ale bohužel bez výsledku (13.9.2020 - patice se mi nakonec podařila prohřát silnější pájkou a elektronka žhaví). Dalším problémem byla citlivost elektronky na otřesy, která se naštěstí sama vyřešila časem. Při vyšším vybuzení elektronky svítí modře viz. úvodní fotografie, bývá to známkou špatného vakua. Taktéž by nebylo od věci si zesilovač první otestovat a až potom začít s výrobou šasi. Dalším problémem je velká váha a velikost, která mi dělala velké problémy při přepravě zesilovače. Hlavním zdrojem informací pro stavbu zesilovače, byli hlavně zahraniční stránky.

Zvolené řešení

Zdrojem signálu je zařízení s linkovým výstupem, jako počítač, mp3 přehrávač, gramofon a jiné. Pro předzesílení signálu je použita trioda ECC83. Jako vstupní konektor jsem zvolil jack 6,3mm z důvodu kompatibility s gramofonem, pro připojení počítače používám redukci na jack 3,5mm.

Každý kanál má separovanou CRC filtraci pro zamezení případného prolínání kanálů. Filtrační kapacita je značně naddimenzovaná z důvodu předchozí zkušenosti se šířením 100hz brumu přes napájecí část. Pro usměrnění napájecího napětí je použit můstkový usměrňovač, což je poměrně nevýhodou, vzhledem k proudovému nárazu, který vzniká nabíjením filtračních kondenzátorů při zapnutí napájení. Z bezpečnostních důvodů jsou ke kondenzátorům připojeny vybíjecí odpory.

Pro napájení je použit toroidní transformátor s vývody pro žhavení 6,3 V a anodového napětí 343 V, které po následném usměrnění a filtraci stoupne na 445 V. Další částí napájení je regulovatelný zdroj záporného přepětí -30 V až -60 V pro nastavení pracovního bodu koncových elektronek.

Pro vybuzení koncových elektronek je použit obraceč fáze s elektronkou ECC83, který má za účel rozdělit signál na dvě stejné části, s tím že jedna je invertovaná.

Zesilovač je doplněn o dvě magická oka EM84, které vizualizují vybuzení výstupních transformátorů. S nastavitelnou citlivostí.

Triody mají jako zdroj žhavicího napětí usměrněné napětí 6,3 V z důvodu redukce brumu, koncové elektronky jsou žhaveny střídavě, mezi žhavící vývody je zaveden odbočovací potenciometr pro dosažení co nejmenší hodnoty brumu.

Pro nastavení hlasitosti slouží dvaceti polohový odporový lineární přepínač, který bylo nutno přepájet horkovzdušnou pájkou pro správnou funkci, z důvodu že původně měl expotencionální voltampérovou charakteristiku, která nevyhovovala mým účelům. Výhodou přepínače je, že při změně hlasitosti nejde slyšet šum.

Návrh zapojení

Zapojení je vlastní, pouze jsem použil koncový stupeň ze zesilovače Fender Super Sonic 60. To znamená že koncový stupeň je schopný dodávat až 60 W bez zkreslení.

Budič pro koncové elektronky je dvoj trioda, která je zapojena jako obraceč signálu v jedné části a jako sledovač signálu v té druhé, díky společnému katodovému odporu pro obě poloviny je proudové zesílení stejné pro obě elektronky, bylo nutno upravit anodové odpory, aby bylo dosaženo stejného napětí na obou anodách a díky tomu byl signál napěťově symetrický.

Jako předzesilovač slouží elementární zapojení dle katalogu podle požadovaného zisku. Pro dosažení menšího zkreslení je použita zpětná vazba, která je připojena ke katodovému odporu předzesilovací triody, díky zpětné vazbě je zesilovač taktéž stabilnější a méně náchylný na rozkmitání.

Každá mřížka má svůj vstupní odpor, díky tomu je zesilovač odolnější vůči šumu a rušení a v případě poruchy by odpor mohl omezit mřížkový proud a tím zamezit případnému zničení elektronky. Jako vazební kondenzátory pro koncový stupeň jsou použity kvalitní vysokonapěťové svitkové kondenzátory. Odpory jsou téměř všechny výkonové a mírně naddimenzované (při vyšší teplotě pasivních prvků vzniká šum). Pouze mřížkové odpory jsou 0.25W kde výkonový odpor není potřeba (kromě koncového stupně kde mřížkový proud je vyšší). A jak již bylo zmíněno výše, při problému, kde by mohlo dojít vlivem vyššího mřížkového proudu ke zničení elektronky tak 0.25W odpor omezí proud a může se zachovat jako tavná pojistka. Řešení to pravděpodobné není úplně ideální, ale hojně se u elektronkových zesilovačů používá.

Ve schématu jsou drobné chyby, zesilovač sem stavěl podle sebe s tím že jsem čerpal informace a né všechny změny by v něm mohli být uvedeny. např. není zde schéma zapojení magického oka EM84. Chybí pojistiky atd.

Blokové schéma.

Napájecí část.

Schéma jednoho kanálu zesilovače.

Popis funkce

Zesilovač jako celek složí pouze k zesílení signálu, signál jde do předzesilovače, kde získá požadované parametry pro správnou funkci fázového invertoru, kde je rozdělen na dvě části, kterými se budí koncové elektronky, signál z každé elektronky se potom spojuje ve výstupním transformátoru, který je nutný z důvodu, že funguje jako indukční vazba mezi koncovým stupněm a reproduktorem. Dále také složí jako impedanční převodník, který přizpůsobuje vysokoimpedační výstup koncového stupně s nízkou impedancí reproduktoru.

Magická oka EM84 na stranách zesilovače reagují na záporné napětí, proto je zde použita dioda, aby elektroda magického oka byla záporně napájená, změnou napětí se mění vychýlení elektronů uvnitř elektronky, které dopadají na luminofosforenční vrstvu a emitují fotony. Koncové elektronky pracují ve třídě AB, která je jakýmsi kompromisem mezi třídou A a B. Kde pracovní bod je zvolen do dolní části převodní charakteristiky. Zesilovacím prvkem teče nepatrný klidový proud. Jedna půlvlna částečně chybí, jak je vidět na obrázku, proto se používá ve dvojčinném zapojení.

Návrh desky plošných spojů

Z důvodu náchylnosti elektronkových zesilovačů konstruovaných na deskách ke kmitání, sem zvolil bezpečnější řešení pájení součástek na mosazné pájecí očka. Kde bylo nutno při rozkmitání zesilovače změnit polohu součástek. Ze zkušenosti je vhodné dodržovat správné zemění, to znamená použít separovaný zemní vodič pro signál a pro výkonovou část, a to zejména u předzesilovače, kde delší vodič o pár centimetrů dokáže udělat hodně problémů.

Celková konstrukce přístroje

Zesilovač je zkonstruovaný z hliníkového plechu o tloušťce 1,5mm, který bylo nutné ohnout do požadovaného tvaru a vyvrtat díry pro patice, vstupní konektor, vypínač, přepínač a díru pro uchycení napájecího transformátoru. Pro výstupní transformátory a napájecí transformátor jsem vytvořil v zadní části šasi vyvýšený prostor, aby transformátory byli zaplechovány. Vzhledem k plánovanému umístění zesilovače do prostoru ve skříňce nejsou boční části nutné.

Základní nosná část je tvořena čtyřmi hliníkovými profily, které jsou sestaveny tak aby po bocích kopírovali vnitřní část hliníkového šasi. V každém profilu je závit pro šroub M5. Hliníkové profily jsou opracovány na soustruhu z důvodu dobrého lícování.

Spodní část tvoří hliníkový plech. Jsou v něm vyvrtány díry pro přišroubování profilů, výstupních transformátorů. Díry pro přišroubování stínicích plechových krytů transformátorů, které zatím nebyli využity z důvodu časové náročnosti tvorby krytů. Ke spodní části jsou přidělány taktéž gumové nožičky.

Zadní část je tvořena plechem, do kterého byli vyvrtány díry pro výstupní konektory a napájecí konektor. Díry pro výstupní konektory bylo nutné opatřit gumovými podložkami z důvodu přílišné tloušťky plechu, tak aby nedošlo ke zkratu mezi výstupem a šasi.

Povrchová úprava byla nutná vzhledem ke stavu hliníkového plechu tvořícímu šasi, bylo nutné vybrousit rýhy a zesilovač nalakovat, bohužel rýhy na plechu byli příliš hluboké a při určitém úhlu pohledu jdou vidět. Taktéž sem nepoužil bezbarvý lak z již zmíněného důvodu, aby byla možná budoucí oprava, proto je povrch náchylný na škrábance.

Oživení přístroje

Nejdůležitější věcí je se nedotýkat živých části z důvodu napájení zesilovače vysokým napětí, proto je při oživování nutné být velmi opatrný, aby nedošlo k úrazu elektrickým proudem.

Při oživování je nutné zkontrolovat přepětí mřížek koncových elektronek, bez něj může dojít k destrukci elektronky. Tímto přepětím se nastavuje pracovní bod elektronek, který je udán převodní charakteristikou, v praxi se měří klidový katodový proud. Také je důležité mít na výstupu zátěž. Nutno podotknout že při oživování sem mnohokrát měnil zapojení, a to hlavně fázového invertoru, který neustále limitoval a stále limituje z pravděpodobného důvodu opotřebení elektronek. Jako první sem měřil napájecí napětí, které se liší před usměrňovačem a za ním v různých částech, každý prvek blokového schématu má většinou jiné napájecí napětí, to je velmi nutné brát v potaz, taktéž při postupném oživování se může napětí vlivem zatížení měnit. Při oživování sem používal osciloskop, díky kterému jde vidět co se v zesilovači děje v signálové části. Postupoval sem od vstupního signálu, a měřil za jednotlivými blokovými prvky.

Naměřené parametry

Výstupní impedance: 4Ω a 8Ω

Výstupní výkon: 2x 25W

Napájecí napětí: 230V / 50 Hz

Brum: 40mV

Závěr, zhodnocení dosažených výsledků

Závěrem bych chtěl říct, že zesilovač plní hned několik hlavních záměrů. Mám konečně využití pro výborné bedny a gramofon, něco nového jsem se naučil, a hlavně mám ze zesilovače radost.

Pořád jde slyšet bohužel brum, nebyli použity stíněné vodiče a kryty transformátorů jako bylo plánované.

Zesilovač sem zatím neměl moc čas otestovat, ale s vhodnou reprosoustavou jde při orchestrálních skladbách mráz po zádech. Velmi záleží na hudebním stylu, protože v některých zesilovač značně vyniká. Jsem nadmíru spokojený s tím, jak zesilovač přenáší basy.

Hlavním nedostatkem je paradoxně výkon, který by s použitými součástkami měl dosahovat až 60W na kanál. Není tomu tak z důvodu přetrvávající limitace u fázového invertoru, s limitací jsem měl ze začátku problémy se dostat na 10W výkonu, několikrát předělávaným schématem, změnou katodového odporu, na kterém se vytváří mřížkové přepětí a napájecího napětí triody jsem se nakonec dostal na požadovanou hodnotu 25W na kanál. Přesným důvodem limitace si nejsem doteď jistý. Nejpravděpodobnější důvod je nevhodná volba elektronky v budícím stupni. Elektronka již není schopna dodávat katodový proud a díky tomu začne limitovat. Ideálním řešením by bylo použít jiné elektronky, např. ECC81, která je schopná dodat téměř 10x vyšší katodový proud než ECC83. V budoucnu tento nedostatek rozhodně vyřeším. Elektronku se mi nepodařilo v daném času pro kompletaci zesilovače sehnat.

Dalším nedostatkem je pár vizuálních vad, které jsem již nestihnul opravit. Hlavním důvodem neúplnosti projektu je neočekávané zdržení při oživovaní, kdy se vyskytoval problém za problémem.

Na fotce lze vidět limitaci invertujícího a neinvertujícího budícího stupně, měřenou na osciloskopu, při zvýšení napětí začne invertující výstup limitovat na obou stranách až téměř do obdélníkového signálu.

13.09.2020 - Zesilovač stále hraje, zjistil jsem že 25W mi bohatě stačí, nemám zatím ani výkonnější bedny. brum stále přetrvává, ale zvykl jsem si. Občas přemýšlím že celé šasi předělám a zesilovač přestavím. Konstrukce není zcela ideální. Rozhodně nejde o žádné Hi-fi. Z důvodu že sem spěchal kvůli maturitě je zařízení celkem odfláknuté.

Článek jsem napsal abych pomohl konstruktérům čerpat inspiraci, neslouží jako návod.