5532 Opamplifier - Deel 1: ontwerp, filosofie en schema's

Bij dezen het eerste artikel van Elektor, dat via de Zelfbouw Special op HiFi.nl een aantal van haar publicaties online aan zal gaan bieden. Je leest er hier meer over, dus houd onze Zelfbouw Special in de gaten voor meer achtergrondstukken.

De populairste dual opamp in de audiowereld is de (NE)5532. Door voldoende 5532's parallel te schakelen, kan een interessante vermogensversterker gebouwd worden, laten we eens beginnen met 32 stuks. Dit lijkt misschien wat radicaal, maar het werkt in feite erg goed. Zo kan een heel eenvoudige versterker gemaakt worden die niet alleen de uitstekende lineariteit van de 5532 erft, maar ook de onderdrukking van voedingsspanningsvariaties en de ingebouwde bescherming tegen overbelasting.

Niet echt een gloednieuw ontwerp, maar de dubbele operationele versterker (opamp) (NE)5532 heeft heel wat in zijn mars: een lage vervorming, goede eigenschappen om belastingen aan te sturen en opvallende goede ruiseigenschappen.

Het is nog maar kort geleden dat er betere opamps voor audiodoeleinden op de markt kwamen. Hoewel deze voortreffelijke resultaten kunnen geven, is de prijs daar ook naar. De goedkoopste kost tien maal zo veel als de 5532 die opvallend goedkoop is – het is in feite een van de goedkoopste opamps omdat hij zo uitgebreid gebruikt wordt voor audiotoepassingen.

Een beperking van opamps bij het aansturen van luidsprekers is dat de spanningszwaai aan de uitgang beperkt is ten opzichte van een conventionele vermogensversterker. Een enkelvoudige reeks van 5532's levert ongeveer 15 Weff in een belasting van 8 Ohm. Dit kan flink opgevoerd worden door twee versterkers in een brugschakeling te gebruiken, waarbij een versterker het geïnverteerde ingangssignaal krijgt, zodat het spanningsverschil tussen de uitgangen van de versterkers verdubbeld wordt. Het uitgangsvermogen wordt hierdoor verviervoudigd, zodat er ongeveer 60 Weff in 8 Ohm mogelijk is, genoeg voor de meeste thuissituaties.

De andere opamp-grenswaarde is de maximale uitgangsstroom die bepaald wordt door de interne bescherming tegen overbelasting. Een enkele 5532-sectie (een helft van de dubbel uitgevoerde chip) kan 500 Ohm aansturen over de volledige uitgangszwaai, hoewel het aan te bevelen is om niet zo ver te gaan om de vervorming laag te houden. Voor 4 Ohm moeten er twee maal zo veel opamps gebruikt worden om de dubbele stroom te kunnen leveren. Dat geldt ook voor een brugschakeling met 8 Ohm op de uitgang.

Content beschikbaar gesteld door Elektor

Het systeem is zo ontworpen dat het zowel enkelvoudig als in brugschakeling gebruikt kan worden; het basisontwerp dat hier beschreven wordt, is een stereoversterker met slechts drie printen. De versterkerprinten kunnen zonder problemen parallel geschakeld worden en er is gezorgd voor een mogelijkheid om meerdere printen parallel te schakelen voor het aansturen van luidsprekers met een lage impedantie. Bescherming tegen overbelasting is een basiseigenschap van de opamps. Relais aan de uitgang zorgen voor on/off-muting en beschermen de luidsprekers tegen DC-fouten.

Rondgang door het ontwerp

In het schema in figuur 1 is één kanaal van de complete versterker te zien. Dit bestaat uit asymmetrische en symmetrische lijningangen en de vermogensversterker zelf, die verdeeld is in een versterkertrap van 22,7 dB en een reeks parallel geschakelde uitgangsopamps geconfigureerd als spanningsvolgers, waardoor de maximale negatieve terugkoppeling wordt verkregen met een overeenkomstige minimale vervorming. Laten we de verschillende deelschakelingen eens nader onder de loep nemen.

De asymmetrische ingang

Deze bestaat simpelweg uit een HF-filter met R1, C1 en een lekweerstand R2 en is direct doorverbonden met de versterkertrap als JP1 in positie 'unbalanced' staat.

De symmetrische ingang
Deze versterker is een innovatief ontwerp dat zeer weinig ruis geeft. De gebruikelijke gebalanceerde ingangstrap met vier weerstanden van 10k en een 5532 heeft veel slechtere ruiseigenschappen dan een eenvoudige asymmetrische ingang en geeft ook meer ruis dan de meeste vermogensversterkers; 

de uitgangsruis is ongeveer -104 dBu. Deze symmetrische versterker gebruikt een dubbele symmetrische trap (IC5A, IC5B) die gedeeltelijk zorgt voor het uitdoven van de niet-gecorreleerde ruis van elke versterker, wat een ruisvermindering oplevert van 3 dB en de CMRR verbetert;

de weerstanden zijn ook veel kleiner dan gebruikelijk (820 O in plaats van 10k), waardoor er minder Johnson-ruis is. Dit kan alleen omdat er wordt gestuurd vanuit de unity-gain buffers IC4A en IC4B, waardoor de ingangsimpedanties ook weer veel groter kunnen zijn dan normaal, wat weer voorkomt dat externe apparatuur te veel wordt belast. Ook de CMRR wordt hierdoor verder verbeterd. Het ruisvermogen aan de uitgang is minder dan -112 dBu, 8 dB beter dan met gebruikelijke technieken.

De versterkingstrap

De ingangsversterker is een ander innovatief ontwerp, dat zeer lage vervorming bereikt door de versterking over drie trappen te verdelen. 22,7 dB kan gemakkelijk gerealiseerd worden met één opamp, maar 5532's zijn niet helemaal vrij van vervorming en de THD zou behoorlijk groot kunnen worden.

De eerste trap (IC1a, IC1b) geeft 10,7 dB versterking; de twee uitgangen worden gecombineerd met R8 en R9 voor een ruisvermindering van 3 dB. De tweede trap (IC2a) levert met 6 dB een lagere versterking om de negatieve terugkoppeling zo groot mogelijk te kunnen maken vanwege het grote signaalniveau. IC2b is een unity-gain buffer die voorkomt dat de ingangsimpedantie van 1k van de laatste versterkertrap (IC3b) de uitgang van IC2a te veel belast, waardoor vervorming zou kunnen optreden. IC2b heeft minder last van belasting omdat er maximaal wordt tegengekoppeld. IC3b ten slotte geeft de resterende 6 dB versterking; deze wordt in shunt-feedback mode gebruikt om de common-mode vervorming te vermijden die anders zou ontstaan door de grote signaalniveaus hier. Hij heeft een 'zero-impedance'- uitgang met HF-terugkoppeling via C8, maar LF-terugkoppeling via R13, zodat overspraak tot een minimum wordt beperkt terwijl het geheel stabiel blijft bij een capacitieve belasting. De uitgang van K3 heeft een tegengestelde fase en kan gebruikt worden in brug-modus.

IC3a is een unity-gain inverterende trap die de fase van het signaal weer in orde maakt. De uitgang is ook weer uitgevoerd als 'zero-impedance'.

De vermogensversterker
De vermogensversterker bestaat uit tweeëndertig 5532 dual opamps (dus 64 opampsecties) geschakeld als spanningsvolgers met de uitgangen verbonden via stroomverdeelweerstanden van 1 Ohm. Deze zitten buiten de negatieve terugkoppelingslus van de 5532, en dan rijst de vraag wat voor effect deze weerstanden hebben op de uitgangsimpedantie van de versterker. Een lage uitgangsimpedantie is altijd een goede zaak, maar niet vanwege de dempingsfactor die grotendeels niet van belang is, omdat de weerstand van de spreekspoel van de luidspreker altijd bepalend is voor de weerstand van de schakeling. De dempingsfactor wordt gedefinieerd als de impedantie van de belasting gedeeld door de uitgangsimpedantie;

We hebben 64 weerstanden van 1 Ohm parallel geschakeld wat een totale uitgangsimpedantie oplevert van 0,0156 Ohm. Dat geeft een theoretische dempingsfactor van 8 / 0,0156 = 512, zeer goed naar elke maatstaf. De bedrading naar de luidsprekerconnectors heeft meer weerstand!

De uitgangsopamps kunnen rechtstreeks op de print gesoldeerd worden om kosten te besparen en er is een betere warmteafvoer van de opamp-behuizing naar de printsporen. Het prototype in het Elektorlab echter werd opgebouwd met IC-voetjes van een goede kwaliteit.

Met zo veel opamps parallel geschakeld kan foutzoeken een lastige klus worden – als er een slechte opamp tussen zit, dan moet er heel wat uitgesoldeerd (of uitgetrokken) worden om die ene te vinden. De reeks opamps wordt daarom opgesplitst in vier secties van acht opamps, deze komen bij elkaar via jumpers K5–K12, zodat er gemiddeld maar vier opamps verwijderd hoeven te worden om een defecte te vinden. Gedurende mijn vele jaren van ervaring met de 5532 is het een zeer betrouwbare opamp gebleken en ik denk dan ook dat zulke fouten zeer zelden zullen zijn.

Uitgangsspoel L1 zorgt voor stabiliteit bij capacitieve belastingen en beschermingsdiodes D1 en D2 voorkomen schade bij spanningspieken als er stroombegrenzing optreedt bij reactieve belastingen.

Het uitgangsrelais met de besturing
Het uitgangs-mute-relais RE1 beschermt de luidsprekers tegen een fout in de gelijkspanningsinstelling en zorgt voor een langzaam in-, snel uit-schakeling zodat er geen signaalpieken op de luidsprekers komen bij het in- of uitschakelen. Het relais wordt bestuurd vanuit de voedingsprint. In figuur 2 zien we dat R17 bij het inschakelen C24 langzaam oplaadt voor een inschakelvertraging. In bedrijf is C21 geladen en T3 aan; als de wisselspanning wegvalt, ontlaadt C21 snel, T3 gaat uit en D8 zet T4-T5 open, waardoor C24 ontlaadt en de contacten van RE1 meteen open gaan. Zelfs een korte onderbreking van de wisselspanning geeft de volledige inschakelvertraging.

Normaliter zijn T4 en T5 uit en D15 niet-geleidend, maar als er iets mis is met de gelijkspanningsinstelling waarbij er een positieve of negatieve spanning via R13 of R14 komt, gaan T4-T5 aan en het relais meteen open om de luidsprekers te beschermen.

De voeding
De symmetrische spanning van ±18 V wordt geregeld met twee LT1083 TO3-P positieve stabilisators. Als een 5532 een van de voedingen kwijtraakt, komt de opamp in een abnormale toestand waarin extreem veel stroom gaat lopen. Dat zou uiteraard catastrofaal zijn met dit ontwerp, dus de voedingsunit heeft een wederzijdse shutdownfaciliteit die de andere voeding uitschakelt als de eerste het laat afweten. Als de positieve spanning in elkaar stort, gaat T2 aan en zet de negatieve voeding uit. Als de negatieve voeding uitvalt, dan gaat T1 aan en onderbreekt de positieve voeding.

De kosten
Dit project vraagt een flink aantal 5532's; 37 stuks in elk kanaal, maar dat wil nog niet zeggen dat de kosten bovenmatig worden.

Farnell levert 5532's van Fairchild al vanaf 27 cent wanneer ze per 100 gekocht worden. Die 25 stuks die u teveel hebt, kunt u ongetwijfeld nog wel ergens voor gebruiken

Wordt vervolgd
Volgende maand gaan we in op de constructie van de versterker op printplaten, wat meetresultaten en een overzicht van de uitdagingen voor diegenen onder u die de versterker willen aanpassen voor hogere uitgangsvermogens en/of een lagere uitgangsimpedantie. Deel 2 vind je hier.