LM3875.rtf

Mieszkający w Kanadzie Peter Daniel, (zresztą Polak z pochodzenia) wiele eksperymentował budując wzmacniacze na typowych, scalonych wzmacniaczach mocy. Jego filozofia sprowadza się do tego, że można zbudować świetny wzmacniacz stosując łatwo dostępne scalone układy mocy, jednakże przy zastosowaniu bardzo dobrej jakości pozostałych elementów elektronicznych. Jego wzmacniacz oparty na fabrycznej zresztą aplikacji National Semiconductor układów serii LM 3875 . Uzupełniony kilkoma elementami posiada bardzo dobre parametry tak elektryczne jak i odsłuchowe. Budowany wzmacniacz nazwał GainClone, opublikował w Internecie... i zaczęło się wielkie klonowanie.

Zachęcony entuzjastycznymi opiniami "klonujących" na polskiej grupie dyskusyjnej "Audiostereo" zbudowałem kilka wersji tego wzmacniacza.

Schemat
Jeżeli masz na swoim komputerze Acrobat Reader, zobacz tutaj. Otworzy się arkusz z danymi układu scalonego LM 3875 zapisany w formacie pdf.
Zobaczmy na schemat. Jest to fabryczna aplikacja układu scalonego wzmacniacza mocy LM 3875. Układ ten, to popularny wzmacniacz mocy, który stosowany jest w setkach tysięcy a może milionach wzmacniaczy, zestawów typu mini wieża czy nawet bumbox i niczym specjalnym się nie wyróżnia. Chociaż nie - gdy patrzymy na schemat widzimy, że aby zbudować kompletny wzmacniacz wystarczy kilka zaledwie elementów (nie licząc zasilacza). Prostota wręcz doskonała - dwa kondensatory, trzy rezystory, potencjometr do tego jeszcze zasilanie i mamy wzmacniacz o niezłych parametrach: moc do 56W, szerokie pasmo przenoszenia, niskie zniekształcenia. Oczywiście, by wzmacniacz był bardziej funkcjonalny można dodać jeszcze przedwzmacniacz, selektor wejść, czy nawet sterowanie pilotem. Ale dla wielu konstruktorów wersja minimalna w zupełności wystarcza.
Zapytacie więc, co takiego jest w aplikacji proponowanej przez Petera, że wszyscy kopiuj± jego pomysł i wielu z nich jest wręcz zachwyconych wzmacniaczem. Cóż, w zasadzie nic więcej, oprócz bardzo dobrych elementów "towarzyszących".

Elementy wzmacniacza

Aby wzmacniacz "zagrał" jak trzeba, musi być wykonany starannie, a wszystkie elementy muszą być wyselekcjonowane.
Układ scalony
Układy scalone, to jak wspomniałem LM 3875, najlepiej wersji "TF" (czyli LM 3875TF), które mają izolowaną blaszkę radiatora wewnętrznego tak, że możemy go przykręcić bezpośrednio do zewnętrznego radiatora. Oczywiście LM 3875T (bez izolacji) też się nada, musimy jednak stosować podkładkę izolującą tak pod układ scalony, jak i pod śrubkę którą przykręcimy go do radiatora, bowiem radiator należy połączyć z masą wzmacniacza.
Zakup: aukcje, sklepy internetowe, sklep z częściami elektronicznymi.

Kondensatory.
Peter Daniel proponuje stosowanie tylko trzech typów kondensatorów elektrolitycznych, które zostały wypróbowane praktycznie i które daj± najlepsze efekty. Oczywiście możesz eksperymentować z innymi typami i sam ocenić czy efekt będzie Ci odpowiadał.
1. Kondensatiory "Black Gate STD" firmy Rubicon, 1000 mikroF/50V,
2. Knadensatory Panasonic serii "FC" 1500-2200 mikroF/50V,
3. Kondenatory Nichicon "Muse KZ" 1500-2200 mikroF/50V.
Napięcie pracy kondensatorów może być nieco inne, ale nie może być MNIEJSZE niż napięcie zasilania wzmacniacza.
Ponieważ, jak zauważyłeś, kondensatory mają BARDZO małą pojemność (jak na wzmacniacz 50W), to aby odpowiednio odfiltrować zakłócenia muszą być doskonałej jakości. Powyższe spełniają te wymagania.
Niektórzy konstruktorzy twierdzą, iż kondensatory różnych firm dają rożne odczucia w jakości dźwięku, kto ma chęć na eksperymenty może kupić rożne i porównywać je ze sobą.
Kondensatory o większych pojemnościach (np. 2200 uF) powodują, że wzmacniacz ma nieco większy bas, ale kosztem jego jakości. Możesz sprawdzić czy te obserwacje są prawdziwe.

Rezystory

Rezystory także powinny być bardzo dobrej jakości, takich firm jak Caddock, Rikken, Allan Bradley, Halcro, Beyschlagg czy innych uznanych marek. Z  dobrym skutkiem stosowane są rezystory precyzyjne firmy Elpod z Krakowa, niekoniecznie o małej tolerancji (wystarczy 1%), lecz lepiej jest gdy będą miały lepszy współczynnik temperaturowy.
Rezystory węglowe mają opinię bardziej "przeźroczystych". Ważne, by układzie sprzężenia zwrotnego zastosować dobrej jakości rezystory.
Niektórzy twierdzą, iż rezystory mają dość istotny wpływ na jakość dźwięku. Możesz stosować podczas prób różne rezystory i porównywać efekty.
Rezystory znanych firm mają dość wysoką cenę 1-5 zł/szt, (i wyższą) ale mimo wszystko, jeśli weźmiemy pod uwagę że jest ich tylko 8 szt. (w obu kanałach), to koszt nie jest duży w stosunku do całkowitych kosztów budowy wzmacniacza.
Kupisz je na aukcjach lub w sklepach  internetowych, czasem w dobrym sklepie elektronicznym. 

Potencjometr
Potencjometr o oporze 25-50k, o charakterystyce logarytmicznej. Potencjometry liniowe też się sprawdzają (mają nawet lepszą równowagę kanałów - mniejszy rozrzut) pod warunkiem że akceptujesz szybki przyrost głośności na początku  i trudności precyzyjnego ustawienia podczas cichego słuchania..

We wzmacniaczu proponowane jest zastosowanie potencjometrów firmy Noble, Piher lub znanych już chyba wszystkim audiofilom potencjometrów firmy Alps (np. seria "niebieska", "czarna" czy inna). 
Można też wypróbować potencjometry Telpod czy nawet z Dalekiego Wschodu. Należy jednak liczyć się z tym, iż mają różne charakterystyki kanałów, czasem większe szumy. Pozostaje zakup większej ilości i cierpliwe sprawdzanie omomierzem ich charakterystyk tak, by dobrać najbardziej zbliżone.
Jeżeli ktoś ma chęć i umiejętności może zbudować sterowanie głośnością za pomocą pilota.
Niektórzy stosują droższe, ale bardzo dobre rozwiązanie regulacji głośności za pomocą dzielników rezystorowych (attenuator), załączanych albo przekaźnikami, albo wielopozycyjnymi przełącznikami (np. 2x18-pozycji).
Zakup: aukcje internetowe, niektóre sklepy internetowe, czasem giełda czy sklep z elektroniką.  

Diody prostownicze.
Jako diody prostownicze polecane są diody szybkie MUR 860 (prąd - 8A). Dobrze sprawują się też diody MUR 460 (o  mniejszym prądzie - 4A) a także BYV 29. 
Potrzeba ich 8 szt. w przypadku wspólnego zasilania obydwu kanałów, lub 16 gdy chcemy oddzielnie zasilać każdy kanał.

Transformator zasilający
Jest to jeden z bardziej istotnych elementów wzmacniacza. Musi mieć dużą moc i wydajność prądową, dobrze jest, gdy jest wykonany jako transformator "do układów audio".
Proponowany jest transformator toroidalny o mocy minimum 250W (lepiej 300W, a nawet 400W) o napięciach wyjściowych - w zależności od wersji - 2x19V, 2x22V lub 2x24V. 
Ponieważ wzmacniacz ten ma mieć wysoką jakość dźwięku, natomiast niekoniecznie musi mieć dużą moc (mocne piece do codziennego "tłuczenia" kupimy na aukcji internetowej nawet za kilkadziesiąt złotych), więc można go zasilać niższymi napięciami. Optymalne napięcie transformatora to2x22V, chociaż niektórzy stosują, jak wspomniałem 19 lub 24V. Ja wypróbowałem 22V i 24V. Ten zasilany 24 V ma nieco większą moc i dynamikę, ale jak twierdzą niektórzy, mniejszą "magię" dźwięku. Co kto woli, według mnie różnice jeśli są, to niezbyt duże.
Ponadto, podczas zamawiania transformatora zasilającego warto poprosić o wykonanie ekranów: elektrostatycznego pomiędzy uzwojeniami z wyprowadzeniem w celu uziemienia i ekranu magnetycznego. Opcja "do celów audio" powoduje, że producent zastosuje odpowiednią indukcyjność uzwojenia pierwotnego, czasem lepszy rdzeń.. Można tez poprosić o zalanie środka transformatora żywicą w celu ustabilizowania uzwojeń. Oczywiście, wszystkie te opcje wpływają znacząco na cenę transformatora, która będzie oscylować, w zależności od producenta  i naszych wymagań w granicach 100-200zł.
Transformatory toroidalne o większej mocy mają nieprzyjemną cechę - otóż podczas włączania, od czasu do czasu zdarza się że "wypadają" bezpieczniki we wzmacniaczu, a często też w domowej skrzynce zasilającej. Z mojej praktyki wynika, że transformator o mocy 300W bardzo rzadko powoduje spalenie bezpiecznika, owszem zdarza się to, ale raz na kilkaset włączeń. Zapewne zależy też to od producenta, bo jak słyszałem niektórzy narzekają  nawet na 250-watowe transformatory.
Stosuje się różne metody zapobiegania temu, ale najprostszym jest zakup bezpieczników na zapas i jeśli się to zdarza raz na kilka miesięcy, to wydatek 20 groszy na bezpiecznik nie zrujnuje naszego budżetu.

Obudowa i inne elementy.

Obudowa powinna być solidna, dobrze gdy wykonana jest z metalu, który ekranuje wzmacniacz przed wpływami pól elektromagnetycznych. 
Staranne wykończenie obudowy podnosi wartość naszego wzmacniacza, także w oczach znajomych czy rodziny. Niestety, dobra obudowa bywa najdroższą częścią wzmacniacza. Można kupić ją gotową - standardowe obudowy, często bardzo ładnie wykonane oferuj± niektóre sklepy internetowe. Ceny też są spore, 200-600 zł. Można także  zamówić w warsztacie ślusarskim, jeżeli będzie starannie wykończona to cena też  zapewne nie będzie niska.
Jeżeli masz umiejętności i odpowiednie narzędzia, możesz pokusić się o zbudowanie obudowy samemu. Koszt będzie zapewne będzie o wiele niższy. Być może największa trudność jaką spotkasz, to zakup niewielkich ilości blachy aluminiowej czy innej, odpowiednich płaskowników itp. Po prostu nie każdy sklep z takimi materiałami sprzedaje odpowiednio małe arkusze blachy.
Można też użyć obudowy ze starego wzmacniacza, kupionego za grosze na aukcji, chociaż potem pozostaje problem z otworami w obudowie, które znajdują się z reguły w nieodpowiednich miejscach.
Oprócz obudowy potrzebne będą też gniazda głośnikowe (najlepiej solidne, mogą być pozłacane), gniazda wejściowe typu "cinch",  przełącznik kanałów (podwójny), kable połączeniowe, wyłącznik sieciowy, różne śruby i inne elementy montażowe. 

Czas na konkrety
Jak wspomniałem, wykonałem kilka wzmacniaczy, które różniły się szczegółami konstrukcyjnymi. Krótko omówię trzy wersje. 

Wersja I
Jest to układ najprostszy, ze wspólnym zasilaczem dla obu kanałów.
Oto schemat:

Przykładowa płytka (oba kanały)

Rezystor R oraz dioda elektroluminescencyjna D sygnalizują pracę wzmacniacza. Wartość R należy dobrać doświadczalnie, tak by dioda D świeciła odpowiednio jasno, lecz prąd nie przekraczał prądu dopuszczalnego (zwykle max. 20 mA).
Oprawy bezpieczników B  (do druku) można zastąpić zworą, ale u mnie bezpieczniki kilkakrotnie uratowały LM-y przed spaleniem podczas prób, kiedy to przypadkiem doprowadziłem wzmacniacz  do wzbudzenia. Bywają oprawy bezpieczników o dwóch rozstawach wyprowadzeń - 15 i 20 mm, stąd taki układ ścieżek.
Do zacisków CON1 doprowadzamy zasilanie z transformatora.
Wyjścia uzwojeń odpowiednio fazujemy tak, by napięcia zmienne sumowały się.
Na schemacie początki uzwojeń zaznaczone są czarną kropką
Diody prostownicze - zwróć uwagę na odpowiednią polaryzację diod podczas lutowania (anoda zaznaczona kreską). Na płytce rozstaw otworów (raster) ma 15 mm, łatwo montuje się MUR 460, BYV29. U diod MUR 860 należy odpowiednio wygiąć nóżki, jako że raster u tych diod to 5 mm.
Raster otworów pod rezystory wynosi 15 mm. Zastosowałem rezystory precyzyjne (0,5%) firmy Elpod z Krakowa.
Kondensatory C2, C3 - typu Panasonic FC. Kondensatory Black Gate są większe i mają większy raster, w związku z tym należałoby przeprojektować nieco płytkę.
Kondensator C1, dobrej jakości, najlepiej bipolarny,  zabezpiecza układ przed pojawieniem się napięcia stałego na wyjściu wzmacniacza w przypadku, gdy źródło (np. odtwarzacz CD) podawałby napięcie stałe na wejście wzmacniacza. Gdy jesteśmy pewni naszego odtwarzacza, C1 można zastąpić zworą. 
Rezystor R1 zabezpiecza wzmacniacz przed wzbudzaniem się, niektórzy konstruktorzy także zastępują go zworą. Tak C1, jak i R1 znajdują się w torze sygnału, stąd ich usuniecie może poprawić jakość dźwięku.
Radiator. 
Ponieważ przy umiarkowanej głośności wzmacniacz wydziela stosunkowo niewiele ciepła, stąd do chłodzenia LM-ów nie potrzeba potężnych radiatorów. Ja zastosowałem jeden, wspólny dla obu kanałów radiator, popularny "grzebyk" o długości 134 mm. LM-y przykręciłem wkrętami, stosując dla lepszego odprowadzenia ciepła, pastę silikonową.

Wersja II (aktualna)
Układ dual-mono ze wspólnym transformatorem  i dodatkowymi kondensatorami odsprzęgającymi.
Po wielu próbach stwierdziłem, że być może lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie drugiego mostka prostowniczego i zbudowanie układu dual-mono, stosując jednak pojedynczy transformator zasilający. Poprawiło to nieco separację kanałów, a przede wszystkim w obu kanałach przydźwięk i szumy są prawie niesłyszalne. Odsunięcie zasilacza od wrażliwego układu wejściowego ma  dodatni wpływ na pracę wzmacniacza. Obecnie jest to mój "sprzęt referencyjny". Schemat niewiele się zmienił, "doszły" tylko kondensatory odsprzęgające (C2, C3, C4, C5). Inna jest natomiast płytka drukowana.

Na rysunku płytki widzimy jeszcze diodę elektroluminescencyjną D, sygnalizującą pracę wzmacniacza i rezystor R, którego wartość należy dobrać tak (3-8k/0,25W), by prąd nie przekraczał wartości dopuszczalnej dla danej diody (10-20mA), no i jasność świecenia była odpowiednia (diody białe czy niebieskie świecą oślepiająco). W prawym kanale nie ma diody i rezystora.
Masy obu  kanałów należy połączyć GRUBĄ zworą. Należy też uziemić radiator, a płytki połączyć grubszym przewodem z  obudową wzmacniacza.
Aby zasilać oba kanały z jednego transformatora, należy dokonać odpowiednich połączeń grubszymi przewodami pomiędzy zaciskami CON1/CON2 drugiego kanału. 

Wesja II-bis
Układ dual-mono, już z dwoma transformatorami  o mocy 250W każdy, o napięciu, 2x24V.
Użyte też zostały drogie kondensatory Black Gate, Nichicon oraz rezystory Riken i Caddock.
Gra nieco inaczej niż wersja II, wrażenia opiszę poniżej.

Wersja III - zasilany akumulatorami
LM 3875 może być zasilany napięciem +/- 20-85V. Jak widać jest to szeroki zakres. Ponieważ wzmacniacz pracuje w dość oszczędnej klasie AB, można spróbować zasilać go za pomocą 4 akumulatorów żelowych. Jakie to ma zalety? Przede wszystkim odpadną kłopoty z brumami i szumami, nie jest potrzebny drogi transformator i diody prostownicze i kondensatory. Natomiast musimy zakupić akumulatory i do tego zbudować ładowarkę akumulatorów. Koszt wzmacniacza będzie porównywalny, ponieważ 4 akumulatory żelowe o pojemności 7Ah/12V kosztują mniej więcej tyle samo co transformator zasilający, a zbudowanie ładowarki jest niewiele droższe niż koszt16 diod prostowniczych i 4 kondensatorów filtrujących
Czy efekt był wart starań -  tym napiszę później.  

Jak widać schemat jest prosty, cztery akumulatory połączone szeregowo zasilają oba kanały wzmacniacza. Płytka ma  małe wyzmiary (70x115 mm), radiator też jest niewielki (chociaż się grzeje, można dać większy), wspólny dla obu układów scalonych. 
Obecnie używam wersję bardziej zintegrowaną i całkowicie symetryczną, a płytka naprawdę ma niewielkie rozmiary - 110x40 mm.

Zapytacie zapewne - jak długo można grać na akumulatorach, bez ładowania?
Otóż, z zaskoczeniem stwierdziłem, że około 2-4 dni. Grałem ze średnią głośnością, wystarczającą do nagłośnienia pokoju o powierzchni 20m2przez kilka (3-5) godzin dziennie. Oczywiście wszystko zależy od jakości akumulatora, głośności, czasu użytkowania wzmacniacza itp. Ponieważ akumulatory pracują w trybie buforowym, czyli gdy wyłączamy wzmacniacz są przełączane w tryb ładowania,  na drugi dzień są świeżo naładowane. O ich eksploatacji napiszę nieco więcej poniżej.

Akumulatory
Jak wspomniałem, do zasilania potrzebne są cztery akumulatory żelowe o pojemności 7 Ah i napięciu pracy 12V. Łączymy je szeregowo, tak aby otrzymać napięcie zasilania +/- 24V. Gdy akumulatory są świeżo naładowane napięcie wynosi ok. +/- 27V, podczas pracy rozładowują się powoli. Mogą być rozładowane do granicznego, a jeszcze bezpiecznego dla nich napięcia +/- 21V (10,5V na każdym z nich).
Akumulatory żelowe są stosunkowo niedrogie i łatwo dostępne. Można je kupić na aukcjach internetowych (najtaniej), w sklepach elektrycznych, elektronicznych a nawet motoryzacyjnych. 
Są to akumulatory ołowiowe, kwasowe (jak w samochod...