VHF-N --> VHF-VAS

Ciao Alex,
congratulazione per i progetti che porti avanti e che metti a disposizione di tutti. Davvero grazie!

Ho preso una tua PCB per il VHF-N nonostante abbia già (aggiornata a VHF-N, salvo la corrente di riposo che ho lasciato a 60mA) una VHF-1.d. Piloto una HD-650. Ma ho intenzione di provare anche altre cuffie...in futuro.

Veniamo al titolo dell'oggetto: sono alla ricerca di un VAS per pilotare un buffer a stato solido e con l'insieme creare un amplificatore finale. Il buffer a stato solido ce l'ho già ed è la tripletta darlington con bias a diodi e bjt finali nr. 5 in parallelo.

Purtroppo con le cuffie non c'entra... ma con il VHF_N si :) ho infatti pensato: perché non chiedere ad Alex se con poche modifiche l'eccezionale sia circuitalmente che sonicamente stadio amplificatore del VHF-N può essere portato ad avere un guadagno di circa 20-25 volte in tensione e ad erogare almeno 40 volt rms (il buffer di corrente può infatti erogare più di 200w su 8ohm) con una bassa distorsione (diciamo THD 0,1% max a 40volt rms su 10K Ohm di Zload) e basso rumore, ottima banda passante etc. etc.?

Daltronde se un domani vorrai progettare un amplificatore a stato solido avrai pur bisogno di un VAS... :) senza contare che già adesso così com'e' il VHF-N è anche un perfetto e prestante preamplificatore a stato solido con caratteristiche eccezionali (no cond. d'accoppiamento etc. etc.) !!

Al momento x gli esperimenti ho a disposizione una tensione continua duale di circa +- 75 volt, che posso anche ridurre se necessario p.es. a 60 o 65 volt.

Spero Alex che tu non voglia mandarmi a quel paese: se lo farai lo capirò, non ti preoccupare...

E' inutile dire che le competenze tecniche che ho sono quelle dello sperimentatore e non certo quelle del progettista (a stato solido poi)....

Ti mando un saluto cordiale e tutta la mia stima per la passione che metti nelle cose che fai anche per noi appassionati di musica e di elettronica.

Andrea

Ciao Andrea, la tua idea, ovvero quella di usare il circuito del VHF-N come VAS (stadio di amplificazione in tensione) o come preamplificatore per pilotare un finale di potenza, è senz'altro una buona idea.

Domani ne parliamo.

Vediamo quali sono i vantaggi di usare il circuito del VHF-N (che per questo scopo può essere assemblato sulla stessa scheda già disegnata per lui) come stadio VAS o preamplificatore. Bisogna precisare che qui il termine VAS è improprio, in quanto tale sigla (che significa Voltage Amplifier Stage), viene usata per indicare il singolo circuito all'interno di un amplificatore che si occupa appunto di generare il necessario fattore di amplificazione in tensione, e quindi il necessario swing che serve allo stadio finale per sviluppare la potenza di targa sul carico di 8 ohm.

Da un punto di vista topologico quindi il VHF-N utilizzato in questo modo diverrebbe a tutti gli effetti un preamplificatore, mantenendo tutte le caratteristiche di un finale per cuffia, garantendo quindi prestazioni eccellenti con qualunque impedenza di ingresso presentata da qualsivoglia stadio finale, anche il più ostico.

La completa insensibilità al carico del VHF-N, dovuta anche all'assenza di controreazione totale, fa sì che le influenze del carico applicato al finale non si propaghino al resto dell'amplificatore, e che l'unica forma di distorsione eventualmente presente ai morsetti dell'altoparlante, con il carico applicato, sia soltanto quella generata dal finale stesso.

Un'accoppiata composta da VHF-N + finale di potenza è quindi potenzialmente di grande interesse, ed è per questo che in questo thread affronteremo le modifiche da apportare al circuito per poterlo utilizzare come preamplificatore.

Stasera cominceremo a fare le prime valutazioni in merito al gain e alla tensione di alimentazione necessari per sviluppare una determinata potenza sui morsetti di uscita dello stadio finale di potenza.

Ve la butto lì........
Anzichè modificare il VHF-N e rientrare nel "circolo vizioso" delle modifiche, perchè non tenere al caldo l'idea per un futuro (ipotetico) preamplificatore VHF-P? Con la sua PCB, il comando ingressi a relè, il volume a resistenze e tutto l'ambaradan del caso?

E poi.......un progetto per volta! Visto che VHF-1 e VH-N sono arrivati al capolinea, c'è il VHF-2 che merita di essere terminato

Sono d'accordo ovviamente. Non si tratta di fare una modifica sulla scheda del VHF-N, quanto piuttosto di usare tale scheda come piattaforma di sperimentazione. E nemmeno si tratta di un progetto vero e proprio, anche se in futuro potrebbe diventarlo.

Lo scopo del thread è solo quello di dare un'indicazione a coloro che vogliano usare il circuito del VHF-N come preamplificatore, cosa per la quale non è necessario fare grosse modifiche (il circuito rimane esattamente uguale), in quanto è sufficiente modificare i valori di alcuni componenti.

Sostanzialmente, si tratta di affrontare un aumento del gain - in base alla potenza massima che deve erogare il finale -, l'adeguamento della tensione di alimentazione, la sostituzione di quei transistor con modelli idonei a sostenere una tensione più alta, e infine una oculata ridefinizione della corrente di riposo dello stadio di uscita del preamplificatore, che ovviamente non dovrebbe più sostenere la corrente necessaria per le cuffie, ma quella molto più bassa per pilotare lo stadio di ingresso di un finale di potenza.

Ciao

Grazie Alex!!

Lo scopo (per me e per gli sperimentatori interessati) è proprio quello che tu descrivi; nessuno chiede (ci mancherebbe) un progetto nuovo per un utilizzo che comunque immagino rimarrebbe un po' di nicchia.

Sono però sicuro che le tue preziosi indicazioni aiuteranno un po' tutti a capire, con maggiore dettaglio, il funzionamento del circuito del VHF.

Grazie ancora,

Andrea

Il calcolo del gain

Supponendo che il finale da collegare al VHF-VAS sia da 100 W RMS su 8 ohm, vediamo quale deve essere il gain del preamplificatore in modo da garantire lo swing massimo necessario in tensione all'ingresso del finale.

Si parte dal presupposto che il finale abbia un guadagno prossimo all'unità, che per un classico emitter-follower è di circa 0,97 volte.

P = 100 W (su 8 ohm)

da cui ricaviamo la corrente che circola nel carico

I = SQR ( P / R ) quindi

I = SQR ( 100 / 8 )

e poichè V = R * I, abbiamo

V = SQR ( 100 / 8 ) * 8 = 28,28 V RMS

Quindi per erogare 100 W su un carico di 8 ohm, lo stadio finale deve sviluppare uno swing in tensione ai morsetti, a carico collegato, di 28,28 Volt RMS.

Per i prossimi calcoli però ci serve il valore di picco, per cui

Vp = 28,28 * 1,41 = 39,87 V

Considerando di collegare il preamplificatore ad una moderna sorgente digitale come un dac, la cui uscita è sui 2 V RMS, cioè 2,82 Vp, il calcolo del gain necessario è facile:

G = 39,87 / 2,82 = 14,14

Ma bisogna tenere presente che non tutti i programmi sono registrati allo zero dB, per cui per non avere la manopola del volume eccessivamente ruotata verso destra, dobbiamo considerare un gain superiore a quello teorico. Un aumento del 20% dovrebbe essere sufficiente, il che vuol dire portare il gain a 16,97, valore che possiamo tranquillamente arrotondare a 17.

Poichè il guadagno del finale è inferiore a 1, circa 0,97, correggiamo il valore di gain ottenuto:

G = 17 * 1,03 = 17,51 che possiamo arrotondare a 18.

Ora vediamo dove si deve mettere le mani sullo schema per impostare il gain.

Per il canale sinistro, si deve agire sulle resistenze R7 e R8. Il gain è dato da R7 / R8 + 1. Se si mantiene il valore di R8 a 10 Kohm, R7 dovrebbe quindi essere di circa 180 Kohm, che però è un po' troppo alto. Per motivi di rapporto S/N conviene abbassare R8, portandolo a 4,7 Kohm. Quindi

R7 = G * R8 = 18 * 4,7 = 84,6 Kohm, che possiamo arrotondare al valore standard di 82 Kohm.

L'aumento del gain comporta però una serie di conseguenze, tra le quali quella che dovremo disaccoppiare il potenziometro all'ingresso con un condensatore. Tra l'altro, il condensatore all'ingresso è altamente consigliato, per evitare che l'eventuale presenza di corrente continua all'ingresso (magari per una guast della sorgente) possa essere amplificata e danneggiare così i diffusori. Ciò ci consente anche di bilanciare meglio il differenziale di ingresso.

Nel prossimo post vedremo in dettaglio lo stadio di ingresso, e faremo alcune considerazioni relative alla necessità o meno del servo-dc.

Ciao Alex,

ti prego di valutare, qualora dovesse cambiare qualcosa a livello circuito/componenti, anche la possibilità che non sia posto alcun potenziometro all'ingresso, cioè che il VHF sia uno stadio di guadagno in tensione per un finale puro a cui, a sua volta, sarà collegato un preamplificatore.

Era solo per non chiedertelo dopo :)

Grazie!

Andrea

La tensione di alimentazione

Dal calcolo del gain, abbiamo visto che lo swing massimo di tensione a potenza piena di 100 W RMS sarà di 39,87 Volt di picco. Diciamo 40 Volt.

L'alimentazione dovrà quindi essere superiore a questo valore. Per avere un certo margine, e garantire una bassa distorsione anche vicino al clipping, si può scegliere un'alimentazione di 45 V per ramo (90 V totali).

La corrente di bias

Lo stadio di uscita del VHF-VAS dovrà erogare una certa corrente sul carico, e per sapere l'entità di questa corrente bisogna fare ipotesi sull'impedenza del carico stesso. Dal momento che il carico sarà l'ingresso di uno stadio finale, e che non possiamo conoscere a priori le caratteristiche di ciò che verrà collegato, per il calcolo della corrente di riposo dobbiamo metterci nella condizione peggiore ipotizzabile.

L'impedenza di ingresso di un finale di potenza può variare di molto da finale a finale, ma in genere non è mai inferiore ai 5 Kohm.

Dal momento che lo swing massimo è di 40 V, su un carico di 5 Kohm la corrente che dovrà erogare il VHF-VAS è di

I = V / R = 40 / 5000 = 0,008 A

cioè 8 mA. E' quindi chiaro che la corrente di bias dello stadio di uscita dovrà essere superiore a questo valore. Si potrebbe quindi scegliere un valore di 10 mA.

Per capire se sarà necessario adottare dei dissipatori per i transistor di uscita, dobbiamo calcolare la potenza da questi dissipata. In particolare, ci interessano Q22 e Q7, in quanto Q6 ha la Vce impostata a circa 5 V dallo zener D2, e quindi la sua dissipazione a quel livello di corrente sarà piuttosto limitata.

Q22 vedrà invece una Vce che sarà data dalla tensione del ramo di alimentazione meno quella ai capi di Q6, quindi

VQ22 = V+ - VQ6 = 45 - 5 = 40 V

La potenza dissipata da Q22 sarà quindi

PQ22 = V * I = 40 * 0,01 = 0,4 W

Un valore sufficientemente basso da consentirci di mantenere Q22 (che è in case TO126) in aria.

Su Q7 invece si localizzarà una Vce che sarà data dal ramo di alimentazione meno la differenza di potenziale localizzata su R11, che però è molto bassa e possiamo trascurare. Considerando l'intero ramo su Q7 si ha quindi

PQ7 = 45 * 0,01 = 0,45 W

Un valore che non si discosta molto da quello di Q22. Entrambi i transistor possono quindi essere sprovvisti di dissipatore.

Per impostare la corrente di riposo a 10 mA, dobbiamo agire su R11:

R11 = V / I = Vbe(Q8) / 0,01 = 0,6 / 0,01 = 60 ohm

Per il valore di R11 possiamo adottare il valore standard di 56 ohm. Questo farà sì che la corrente di riposo sarà leggermente più alta, esattamente 0,6 / 56 = 10,7 mA, per cui tale valore va più che bene.

Nel prossimo post vedremo quali componenti devono essere sostituiti e perchè.

Riprendo questo thread che ho lasciato a metà (mi succede troppo spesso ultimamente, vedi ad esempio il thread "Le meraviglie del triodo"). 

Ho riletto quanto scritto fin qui, e devo dire che siamo a buon punto con un ipotetico VHF-N che fa da VAS. Più di anno fa, avevo chiuso con "ed ora vediamo quali componenti devono essere sostituiti e perchè". 

Però forse è più utile continuare con ciò che non serve più. In particolare, si può eliminare il circuito di protezione a rele', in quanto la protezione dovrà essere in serie all'uscita del finale, e dovrà usare un rele' idoneo a sopportare una corrente molto maggiore rispetto a quella circolante in una cuffia. Quindi spariscono U1A, il 78L12, il rele', e tutta la componentistica di contorno.

Anche il servo-dc deve subire delle modifiche, perchè se aumentiamo i rail di alimentazione a 40 Volt, gli operazionali si brucerebbero immediatamente. Dobbiamo quindi provvedere ad abbassare la tensione che arriva ai loro piedini di alimentazione, e per questo si possono usare dei normali 78/79L15. Inoltre, i capi di R19 e R51 attualmente collegati a quella che è l'uscita cuffia, andranno invece connessi all'uscita del finale.

Sempre per l'aumentata alimentazione, devono essere sostituiti tutti i BC550/560, i quali sopportano fino a 80 V di Vce. I BC550 possono essere sostituiti con i 2SC2240, mentre i BC560 con i 2SA970, che hanno una Vce max di 120 V. 

Sempre per lo stesso motivo devono sparire i 2SD882, che hanno una Vce max di soli 30 V. Al loro posto si devono usare dei TO126 con una Vce max di almeno 100 V. 

(segue)

Ciao ALex,
per ora solo grazie per aver deciso di proseguire questo thread!

Andrea

Si si bello bello ... interessa molto anche me ..... ho un grande Power follower che non aspetta altro.