5532 OpAmplifier - Deel 2: Opbouw, brugschakeling en testresultaten
Eerder plaatsten we Deel 1 uit dit tweeluik in onze eerste stappen artikelen van Elektor online te publiceren (zie dit bericht voor meer informatie), vandaag het afsluitende vervolg.
In dit tweede en laatste deel (klik hier voor deel 1) gaan we echt aan de slag met twee maal 32 NE5532-opamps parallel geschakeld voor een high-end audio-eindversterker met uitzonderlijke eigenschappen voor wat betreft vervorming en geluidskwaliteit. Verder worden verschillende uitbreidingsmogelijkheden besproken: brugschakeling voor een groter uitgangsvermogen en aanpassing van de versterker voor 4-ohm-belastingen.
Als u soms denkt dat het parallel schakelen van een paar dozijn NE5532-opamps een merkwaardige manier is om een kwaliteits audioversterker te ontwerpen en dat dit weer typisch iets is voor Elektor, dan heeft u waarschijnlijk gelijk. Het ontwerp van vorige maand ontlokte veel reacties van onze lezers, vooral van de audiofielen. Deze maand gaan we aan de slag door het 5532-opampproject daadwerkelijk in elkaar te zetten en aan de tand te voelen.
Content beschikbaar gesteld door Elektor
Opbouw-versterkerprint
De versterker zelf is ondergebracht op een dubbelzijdige doorgemetalliseerde print, zie figuur 1. Er zijn twee van deze printen nodig voor een stereo versterker. De door Elektor geleverde printen vormen een uitstekende basis om het project tot een goed einde te brengen. Nu we het toch hebben over kwaliteit, dit is een kwaliteitsversterker. Gebruikt u een mengelmoes van onderdelen en neemt u het met de opbouw niet zo nauw, dan is het eindresultaat onvoorspelbaar. Meer over het selecteren van de beste NE5532 in het kader.
De opbouw op de print van 205 x 84 mm zou geen problemen moeten opleveren, want er worden alleen maar standaard componenten met aansluitdraden gebruikt. Als u nauwgezet en netjes werkt, dan kunt u een goed werkende versterker verwachten, net zoals Ton Giesberts van het Elektor- lab die alle hier getoonde printen heeft opgebouwd en getest. Er zijn echter wel wat opmerkingen te maken.
De meeste weerstanden worden rechtop gemonteerd. Probeer de draden consequent twee maal te buigen om rechte hoeken te verkrijgen. Met halve cirkels wordt aangegeven waar de weerstanden op de print staan. Als er rechthoeken staan, moeten de weerstanden plat op de print gemonteerd worden.
In principe is het het beste om alle opamps rechtstreeks op de print te monteren, maar dat maakt foutzoeken naderhand wel heel lastig (zie deel 1). Daarom werd het prototype opgebouwd met 8-voudige DIL-printvoetjes met gedraaide contacten voor alle opamps. Het is heel belangrijk om voetjes van een goede kwaliteit te gebruiken – laat u niet in de verleiding brengen om goedkope exemplaren met veercontacten te gebruiken, dat is verkeerde zuinigheid.
De grootste onderdelen op de print zijn condensator C2, spoel L1, relais RE1 en de printkroonsteentjes voor het aansluiten van de luidspreker en de voeding. De spoel bestaat uit 10 windingen geëmailleerd koperdraad van 1 mm doorsnede, met een interne diameter van 20 mm. De windingen moeten gelijkmatig worden verdeeld om een totale lengte te krijgen die op de print past. Monteer de spoel eerst, zet dan R106 op een hoogte van 5...10 mm boven de print, zodanig dat hij nergens tegen L1 aan komt.
In tegenstelling tot wat op de print staat afgebeeld, kunnen de condensatoren C24, C25, C26 en C27 beter niet worden gemonteerd. In plaats daarvan wordt dan een enkele elco van 63 V/1000 µF rechtstreeks gemonteerd op connector K16/ K17, zie het bedradingsschema. Let daarbij op de polariteit en voorzie de aansluitdraden van een stukje isolatiekous. Het moet een elco zijn met een lage ESR. Deze aanpassing bleek de vervorming bij ongeveer 20 kHz in het oorspronkelijke ontwerp flink te verminderen. De specificaties van vorige maand zijn die van deze gemodificeerde versie.
De vier hoeken van de versterkerprint hebben gaten voor afstandsbussen – wij gebruikten 10 mm lange exemplaren.
Als de versterkerprint helemaal is opgebouwd, dan is een grondige visuele inspectie nodig voor het eerste gebruik. Zitten alle onderdelen met een polariteit in de juiste richting? Zijn alle soldeerverbindingen onberispelijk? De versterkerprint is in figuur 1 nogmaals afgebeeld.
Opbouw - voedingsprint
Dit is ook een gewone print met uitsluitend standaard onderdelen, ze moet dus gemakkelijk te bouwen en aan de praat te krijgen zijn. De bevestiging van de koelplaten van de spanningregelaars vergt wat mechanisch werk.
De twee bruggelijkrichters B1 en B2 moeten voorzien worden van 2 mm dikke aluminium plaatjes van 70 x 35 mm, die tegen de vlakke kant geschroefd worden. De twee spanningregelaars IC1 en IC2 zijn samen bevestigd op een groot zwart aluminium koellichaam, dit is ook afgebeeld op de componentenopdruk. Het koellichaam wordt op de print vastgeschroefd met drie M4-boutjes, hiervoor moeten aan de onderzijde gaten geboord en getapt worden. Er is voorzien in ventilatieopeningen in de print onder het koellichaam om de koeling te verbeteren.
Figuur 1: Foto van een van de opgebouwde prototypen. Zo zou d door u opgebouwde print er ook uit moeten zien! Denk eraan dat consendatoren C24 ... C27 niet gemonteerd moeten worden.
Figuur 2: De voedingsprint is conventioneel wat betreft de constructie en opbouw, maar zorg ervoor dat de koelplaat en de spanningsregelaars goed gemonteerd gaat worden. De hier getoonde kunststof koffer wordt niet aanbevolen als permanente behuizing voor de versterker.
Figuur 3: Het bedradingsschema van de OpAmplifier. Dit geldt voor de versie van de 2 x 15 Watt, 8 Ohm. De ringkerntransformator en de zekering zijn afhankelijk van de gewenste configuratie. Verbindingen waar veel stroom doorheen gaat en de luidsprekeraansluitingen zijn met dikkere lijnen getekend.
Variant 1: Uitbreiding van het ontwerp voor 4-ohm-luidsprekersHet is een inherente eigenschap van de 5532-eindversterker dat de uitgangsstroom begrensd wordt door de interne stroombeveiliging van de gebruikte opamps. Als er meer stroom nodig is voor de belasting, dan moeten er dus meer opamps parallel geschakeld worden. Het basisontwerp is bedoeld voor het aansturen van luidsprekers van 8 Ohm met een redelijke veiligheidsmarge, maar de standaard versie wordt het zeker niet aanbevolen voor een belasting van 4 Ohm. Om de 5532-versterker uit te breiden voor een belasting van 4 Ohm is het noodzakelijk om het aantal parallel geschakelde opamps te verdubbelen. Dat is gemakkelijker dan het klinkt, want in het ontwerp is al de mogelijkheid ingebouwd om een of meer versterkerprinten parallel te schakelen. Connector K4 (zie het schema dat we vorige maand publiceerden) wordt gebruikt als uitgang van de hoofdversterker-print; deze is verbonden met de uitgang van IC3A. Die uitgang heeft dus een heel lage impedantie (gemeten: 0,24 Ohm bij 1 kHz) en hij is immuun voor HF-instabiliteit veroorzaakt door kabelcapaciteit. Er kan een willekeurig lange kabel gebruikt worden. De uitgang van K4 stuurt een identieke vermogensprint waarop alle uitgangs-opamps zijn geplaatst maar de hele ingangstrap (IC1...IC5) is weggelaten. De equivalente connector K4 op deze print wordt gebruikt als ingang en deze stuurt de uitgangs-opamps op exact dezelfde manier aan als de hoofd-versterkerprint. De connectors K14 en K15 worden gebruikt om de uitgangen van de twee versterkerprints te koppelen. Let er op dat deze koppeling voor uitgangsrelais RE1 zit, zodat de beveiligingsschakeling voor de luidsprekers ook zijn werk kan blijven doen. Hoewel deze aanpassing voor 4-Ohm-belastingen relatief eenvoudig is, moeten we er wel rekening mee houden dat de eisen voor de voeding nu ook verdubbeld worden. Er is een grotere voedingstransformator nodig, zwaardere gelijkrichters, grotere buffercondensatoren en zwaardere spanningsregelaars. Om al deze redenen is de 4-Ohm-ohm versie hier meer als een optie voor experimenteren beschreven. |
Figuur 4: De OpAmplifier werd stevig aan de tand gevoeld met onze AP system 2 Analyser.
a. THD & noise vs uitgangsvermogen.
b. Vervorming vs uitgangsvermogen (1 kHz, B - 22 kHz).
c. FFT-meting bij 1 kHz/1W/8 Ohm.
De LT1083CP's wordt op het koellichaam bevestigd met behulp van isolatieplaatjes. Er moeten nog twee gaten geboord worden voor de M3-boutjes die de regelaars stevig op de koelplaat vasthouden. Bepaal nauwkeurig de plaats van de gaten voor de regelaars. De aansluitdraden van de regelaars worden van een bochtje voorzien om thermische spanningen op te vangen. Pas nadat de koelplaat en de twee LT1083-regelaars zijn vastgezet, worden de pootjes van deze IC's gesoldeerd.
In figuur 2 is de voedingsprint naast de versterkerprinten te zien, ingebouwd in een koffertje voor demogebruik. Net zoals bij de versterkerprint worden voor het vastzetten van de print in de behuizing afstandsbussen gebruikt. De voedingsprint kan al even worden getest door de secundaire draden van de ringkerntrafo tijdelijk aan te sluiten en dan te meten of de juiste spanningen van ±18 V ±0,7 V op de uitgangen aanwezig zijn.
De complete versterker
De versterker kan het beste worden ingebouwd in een metalen kast. Let daarbij goed op de elektrische veiligheid, vooral met betrekking tot de aarding en de netspanningvoerende bedrading. De grootte en vorm van de behuizing hangt af van het aantal versterkerprinten en de bijbehorende voeding, zie de kaders over Brugschakeling en Aanpassing voor 4 ohm. Denk er aan dat er flink wat warmte wordt geproduceerd in de versterkerbehuizing, zowel door het koellichaam als de NE5532 IC's. Al die milliwatts bij elkaar wordt best veel!
Variant 2: Uitbreiding voor brugschakelingTwee eindversterkers staan in een brugschakeling als ze aangestuurd worden met tegenfase-signalen en de belasting aansloten is tussen de uitgangen; de belasting is dus op geen enkele wijze met massa verbonden. Deze opzet verdubbelt de signaalspanning over de belasting, waardoor - tenminste in theorie - het uitgangsvermogen verviervoudigd wordt. Dit is een gemakkelijke en goedkope manier om van een stereo versterker een krachtiger mono versterker te maken. De meeste conventionele eindversterkers komen op geen enkele manier ook maar in de buurt van het viervoudige van het vermogen – in werkelijkheid is de toename van het uitgangsvermogen aanzienlijk minder omdat de voeding in elkaar stort en er extra spanningsverliezen zijn in de twee uitgangstrappen die in feite in serie staan. In de meeste gevallen krijg je ongeveer drie maal het vermogen in plaats van vier maal en het kan ook nog minder zijn. De 5532 vermogensversterker zal betere resultaten geven en wel om twee redenen – ten eerste is de voeding gestabiliseerd en deze zal dus niet erg in elkaar storten bij grote belasting. Ten tweede minimaliseert de parallelschakeling spanningsverliezen; zo staan alle 1-Ohm-uitgangsweerstanden parallel en is de effectieve weerstand daarvan dus heel klein. Een brugschakeling wordt zo genoemd omdat het schema van de vier uitgangstransistoren van een gewone versterker met de belasting er tussen in, zoals in figuur A, lijkt op de vier takken van een Wheatstone-brug. In het schema is de belasting van 8 Ohm gesplitst in twee helften van ieder 4 Ohm om te benadrukken dat de spanning in het midden nul is en wat betreft de stroom zien de uitgangen dus 4-Ohm-belastingen naar massa. De stroombehoefte is daarom verdubbeld, waardoor ook de verliezen in de uitgangstrappen toenemen. Een inverterende buffertrap met een versterking van éénmaal levert het tegenfase-signaal; er zijn ook andere manieren om dat te doen, maar dit is het gemakkelijkste omdat er gewoon een extra 5532-sectie bij komt en we hadden er toch al een heleboel. De eenvoudige shunt-feedback unit-gain trap doet het hier heel goed en op de print van de 5532-eindversterker zit een versie van deze schakeling. De weerstanden in de inverterende trap moeten een zo laag mogelijke waarde hebben om de Johnsonruisbijdrage minimaal te houden, maar natuurlijk mag de waarde niet zo klein zijn dat de opamp-vervorming vergroot wordt. Condensator C1 over terugkoppelweerstand R2 zorgt voor HF-stabiliteit – met de vermelde waarden in de schakeling ligt het -3-dB-kantelpunt op 5 MHz, de audiobandbreedte van de twee versterkers wordt dus op geen enkele wijze aangetast. Er wordt soms beweerd dat een brugschakeling altijd leidt tot minder vervorming over de belasting, omdat de push-pull-actie de vervormingsproducten elimineert. Dat is niet waar. Push-pull systemen kunnen alleen de even-orde vervormingsproducten opheffen, maar niet de oneven harmonischen. De 5532-eindversterker heeft dus ingebouwde faciliteiten voor een brugschakeling. De laatste trap in het ingangsgedeelte is de inverterende trap rond IC3A, die nodig is om de versterkeringang en de uitgang in fase te krijgen. Als we het signaal vóór deze trap aftakken, dan is het geïnverteerd ten opzichte van de versterkeruitgang en kan het dus gebruikt worden om een andere eindversterker in tegenfase aan te sturen; deze print kan dan opgebouwd worden zonder het hele ingangsgedeelte, net zoals bij de 4-Ohm-versie die hiervoor beschreven is. Dit geïnverteerde signaal is beschikbaar op connector K3. De luidspreker wordt aangesloten tussen de twee uitgangsaansluitingen van de versterkerprinten en de uitgangsmassa-aansluitingen worden niet gebruikt. Zoals hierboven uitgelegd betekent het aansturen van een belasting van 8 Ohm met twee eindversterkers in een brugschakeling dat elke versterker in feite een belasting van 4 ohm naar massa ziet, dus moet de uitgangstrap ook weer verdubbeld worden om ten volle profijt te trekken van de brugschakeling. Er zijn dus twee eindversterker-prints in de in-fase tak en twee in de tegen-fase tak. Dat is nogal wat, want het aantal uitgangsopamps is ook al verdubbeld voor de brugschakeling zelf en dan nog eens een verdubbeling om genoeg uitgangsstroom te kunnen leveren. De voeding moet eveneens behoorlijk worden uitgebreid. |
Houd er rekening mee dat alles achter de wisselstroomaansluitingen van de bruggelijkrichter grote stromen moet verwerken, gebruik dus korte dikke verbindingskabels. Verleng de draden van de trafo niet als dat maar enigszins mogelijk is. Het bedradingsschema van de versterker voor de 2 x 15 W 8-O-versie is in figuur 3 te zien. Gebruik voor de netaansluiting een Euro-connector met geïntegreerde zekeringhouder en dubbele netschakelaar.
Voor de 8-ohms 2 x 15 W versie van de OpAmplifier bevelen we een ringkerntrafo van 8,3 A aan, zoals is aangegeven in de tekening. Een nog zwaardere transformator is nodig voor de 4-ohm-versie en de brugversie van de versterker. Zoals met bijna alle audio-vermogensversterkers is het ook hier verstandig om niet te bezuinigen op de nettrafo.
Testresultaten
Het basisidee van de 5532-eindversterker is om een versterker te maken die dezelfde lage vervorming van de 5532-opamp heeft. Om deze eigenschappen ook te bereiken als er grote stromen van en naar de print gaan is echt een uitdaging en het vereist zeer zorgvuldige aandacht voor de plaatsing van de massapunten, voedingsleidingen en ontkoppelingen. Om deze reden raden we aan het Elektor-printontwerp te gebruiken – beter nog, de kant en klare printen van Elektor.
Het prototype werd doorgemeten met de Audio Precision System Two Cascade Plus 2722 Dual Domain analyser van het Elektor-lab en in de figuren 4a, b en c is het fraaie resultaat te zien. In figuur 4a is de harmonische vervorming plus ruis te zien als functie van de signaalfrequentie. U ziet hier de resultaten bij 1 watt (rood) en 8 watt (blauw) uitgangsvermogen bij een analyser- bandbreedte van 80 kHz. De grafiek in figuur 4b toont de vervorming als functie van het uitgangsvermogen bij 1 kHz en een analyser-bandbreedte van 22 kHz. Vanaf ongeveer 3 W komt de versterker wel heel dicht bij de ondergrens en ruisvloer van onze analyser! Bij circa 15 W wordt het clipping-punt bereikt. De curve in figuur 4c tenslotte is een FFT-plot voor 1 kHz/1 W in 8 Ohm. De grondfrequentie is hierbij onderdrukt. De tweede harmonische ligt extreem laag bij -121 dB en de derde harmonische komt net boven -115 dB.
Bij een analyser-bandbreedte van 22 kHz is de totale bijdrage van ruis en harmonischen ongeveer 0,0005%. Als de vervorming alleen gemeten wordt voor de twee grootste harmonischen, is het nog maar 0,0002%.
Conclusie
Voor niet-ingewijden vormt de Opamplifier als de behuizing dicht is gewoon een kwaliteits audioversterker, maar wel met indrukwekkende specificaties ten opzichte van de bouwkosten. Voor de elektronicus is het een bijzonder onconventionele aanpak om audiovermogen van een hoge kwaliteit uit zo'n doodgewoon IC als de NE5532 te persen, een IC dat normaal gesproken geassocieerd wordt met kleine signaalspanningen wat betreft de elektronica en centen wat betreft het financiële aspect!
De echte audiokwaliteiten zal de 5532-OpAmplifier uiteindelijk in de praktijk moeten leveren. Daarom is er een demoversie van de OpAmplifier in een stevige koffer gebouwd om hem gemakkelijk mee te kunnen nemen en te demonstreren.
Ten tijde van het schrijven van dit artikel gaat de versterker vanuit het Elektor-house op weg naar een reis rond de wereld langs verscheidene audiofielen en audioclubs voor luistertests. Hun reacties worden met veel belangstelling tegemoet gezien.
Verschillende fabrikanten - welke 5532?Het is verwarrend, maar niet alle 5532-opamps zijn hetzelfde. Dit IC wordt gemaakt door een aantal fabrikanten en er zijn uitgesproken verschillen in technische eigenschappen. Is er in de ruiseigenschappen weinig variatie, des te meer verschillen zijn er in de vervormingspercentages tussen de verschillende fabrikaten. Ofschoon voorzover ons bekend alle versies van de 5532 dezelfde interne schakeling hebben, maken ze niet noodzakelijkerwijs gebruik van dezelfde maskers. Zelfs als dat wel het geval was, zijn er altijd nog onvermijdelijke productieverschillen tussen de fabrikanten. Omdat de vervormingspercentages van de versterker zo extreem laag zijn en deze worden bepaald door de gebruikte 5532-IC's, is het zinvol daar dan ook de beste componenten voor te nemen. In de loop van de ontwikkeling van dit project werden 5532's van verschillende leveranciers getest. De auteur heeft een zo breed mogelijke reeks samples gebruikt, van gloednieuwe exemplaren tot typen die al twintig jaar oud waren, en het was geruststellend om te zien dat elke component die we op de testbank hadden de goede lineariteit vertoonde die we van een 5532 konden verwachten. De informatie hier is niet alleen nuttig voor het project van de 5532-eindversterker, maar het zou ook heel waardevol kunnen zijn voor iedereen die 5532's gebruikt in toepassingen waar hoge kwaliteit belangrijk is. De belangrijkste leveranciers op dit moment zijn Texas Instruments, Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor (voorheen Motorola), NJR (New Japan Radio) en JRC (Japan Radio Company). Samples van TI, ON Semi en Fairchild werden vergeleken in het Elektor-lab door Ton Giesberts. Douglas Self deed THD-testen bij zes samples van Fairchild, JRC en Texas, plus een oude Signetics 5532 uit historische overwegingen. De testen in het Elektor-lab testen werden uitgevoerd aan een belangrijk onderdeel van de OpAmplifier: de driver-trap! Zie figuur A voor de schakeling en figuur B voor de vervormingscurves. Het bleek dat de Texas 5532's (groene lijn) duidelijk de mindere waren in alle testen. We moeten toegeven dat we hier zeer verbaasd over waren, omdat we altijd dachten dat TI-onderdelen de beste zijn, maar de metingen wezen anders uit. De vervorming bij 20 kHz lag tussen 0,001% tot 0,002%, met meer variaties dan bij Fairchild en ON Semi en ook op een hoger niveau. De meting bij lagere frequenties, beneden 10 kHz, komt dicht bij de meetgrens, en de vervorming is nog maar net zichtbaar in de ruis; dat is overigens ook zo bij alle andere componenten. Vergeleken met de IC's van andere fabrikanten is de THD van de TIexemplaren boven 20 kHz iets hoger, bij 30 kHz stijgt dat tot meer dan 3 maal. Dat zou eigenlijk geen effect moeten hebben, tenzij er een zeer sterk ultrasoon signaal is dat intermodulatie zou kunnen veroorzaken. Als dat het geval is, dan hebt u wel andere problemen dan het kiezen van de beste fabrikant van opamps... De meetresultaten tonen onmiskenbaar dat de 5532’s van Fairchild (blauwe lijn) de allerbeste zijn en echte audiofielen zouden deze onderdelen moeten kiezen, ook al is de prijs wat hoger en is de opdruk wat onhandig wat betreft de code op het IC. Kijk eens welke typen uw leverancier levert, dat kan heel nuttig zijn. Bij de Fairchild-IC's is geen vervorming zichtbaar boven het ruisniveau tot ongeveer 12 kHz en de vervorming bij 20 kHz ligt onder 0,0005%. |
Onderdelenlijst - 1
Onderdelenlijst Weerstanden: Condensatoren: Halfgeleiders: D1-D4,D7 = 1N4002 Diversen: K1,K2,K4 = 2-voudige printkroonsteen, steek 5 mm |
Onderdelenlijst - 2
Onderdelenlijst Versterkerprint (een kanaal) Weerstanden: Condensatoren: C1,C12,C14,C16...C19 = 100 p, 2,5%/160 V polystyreen, axiaal (LCR Components) Spoelen: L1 = 1,7 μH; 10 windingen met doorsnede van 20mm, geëmailleerd koperdraad 1 mm diam., effectieve lengte circa 20 mm Halfgeleiders: D1,D2 = 1N5402 Diversen: K1,K5...K12,K14,K15 = 2-pens pinheader, steek 0,1 inch |