파원 앰프 - 파워앰프와 프리앰프 포함 자작 게시판 입니다.
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P.S :  일부 내용에서  계산의 오류가 있어 내용수정 했습니다.(9/26 수정)

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공제한 RCA 파워앰프 회로도, 부품리스트, 부품배치도 입니다.

회로는 그리 특별한 회로는 아니고 일반적인 파워앰프 회로 구성입니다. 공개된 회로를 재구성 한 것입니다.

 

제나름대로  해석을 해서 간단히 회로 설명을 하면,

초단 differentail(차동) 증푹단은 Q1, Q2로 구성됩니다.  Q1의 베이스가 입력신호를 받고, Q2의 베이스는 출력의 NFB(Negative Feed Back)을 받게 되어 있으며

차동증폭기의 역할은 이 두 입력의 차이 전압을 증폭합니다.  같은 입력전압(comman mode 전압)이 들어오면 출력은 변하지 않고 오로지 두입력의 차이전압(diferentail  mode 전압)만을 증폭한다고 보시면 됩니다. 증폭된 전압은 두 트랜지스터의 콜렉터에 나타납니다.  공통에미터 증폭이므로 콜렉터는 반전된 신호가 출력됩니다.  Q1의 베이스 전류가 증가하면 Q1의 콜렉터 전압은 내려가고 Q2의 콜렉터 전압은 올라갑니다. 반대로 Q1의 베이스 전류가 감소하면 Q1의 콜렉터 전압은 올라가고 Q2의 콜렉터 전압은 내려갑니다.

또한,   Q2의 베이스 전류가 증가하면 Q2의 콜렉터 전압은 내려가고 Q1의 콜렉터 전압은 올라갑니다. 그럼 Q1, Q2의 전류가 같이 증가하거나 같이 내려가면 콜렉터의 전압은 거의(?) 변하지 않습니다. 이것이 차동증폭기의 동작이죠. 전압 증폭단은 여러단으로  open loop 게인을 매우 크게 설계합니다.  open loop gain 계산은 다소 복잡하므로 생략합니다.

차동증폭기의 두입력의 전압차이가 베이스전류의 차이로 되고 이것은 크게 증폭되어 출력단에 큰 전압차이로 나타납니다.  이와같이 open loop gain이 크면 두 입력은 비교기로서 동작한다고 볼수 있으며 Q1의 입력전압이 Q2의 입력 전압보다 높으면 출력전압을 +전원으로  올라가고, 반대의 경우는 -전원으로 내려간다고 보시면 됩니다.

출력에서 감쇠기를 거쳐 피드백을  걸면,  출력단의 전압이 감쇠기를 거쳐서  Q2의 베이스에 피드백 되어 출력단의 전압이 변하는 반대방향으로  작용합니다. Q1의 전압 증가하면  출력전압 상승하고, 출력단에서 감쇠기를 통하여 Q2의 베이스 전압 상승하므로, 결국 두베이스 전압이 같을 때까지 출력 전압은 상승합니다.  이것이 바로 OPAMP에서 말하는 가상단락 입니다.  증폭기가 정상동작하면 두 차동증폭기의 입력 전압은 같게 됩니다. 즉, Q2의 베이스쪽 전압이 Q1의 베에스전압(입력전압)과 같도록 출력전압을 내보내는 것이 되고,  피드백의 감쇠비를 예를 들어 1/10로 한다면 두입력의 전압이 같기 위해서는 출력전압은 입력전압의 10배가 되어야 겠지요. 감쇠기의 감쇠비의 역수가  피드백을 걸었을 때 앰프의 closed loop gian 게인이 됩니다

현재 파워앰프의 closed loop 게인은 1 + R8/R9 = 33.14배가 됩니다.  파워앰프의 게인을 조정하고 싶으면 R8과 R9의 비율을 조정하면 됩니다( 앰프의 안정도는 체크할 필요가 있음)

이 두 트랜지스터는 서로 매칭이 잘되는 것이 중요합니다. hfe 매칭이 서로 안되면 출력 offset 전압(출력의 DC 전압)이 증가하고 비선형성이 증가하여 왜율이 증가합니다.

되도록 2% 이내로 hfe가 서로 같게 하는 것이 좋습니다. 또한 열결합하여 온도도 같게 하는 것이 좋습니다. 캔타입이라 케이스가 콜렉터 접속이라 열결합은 쉽지 않을 듯 합니다.

차동 증폭기 Q1,Q2의 바이어스 전류는 Q3가 정전류로 공급합니다. Q1,Q2의 에미터 전류의 합은 고정되었다고 할 수 있으며 어느한 쪽 트랜지스터의 에미터(콜렉터)전류가 증가하면 다른 트랜지스터의 에미터(콜렉터) 전류가 감소하는 구조입니다. Q3가 공급하는 전류는  0.6V / R5 = 4mA  가 됩니다.  Q3의 발열은 대략 -VEE * 4mA = 0.25W 정도로 방열은 해야 할 것으로 보입니다. 2N3440을 사용하신다면 방열판을 달아야 하고, TO-92의 트랜지스터는 좀 무리이고  대치를 쓴다면 TO-126 타입의 내압 100V이상의 TR이면 될 것 같습니다.

Q1과 Q2의 발열은 이보다 절반이 될 것 같고요 대치로 2N5551 정도로 사용은 가능할 것 같습니다.

 

Q4와 Q5 역시 차동 증폭기로 되어 있으며 초단의 출력 신호를 증폭합니다. R4과 R6에는 대략 1.1V 정도 전압이 걸리고 R7에 흐르는 전류는 ( 1.1V-0.6V )/ 15옴 = 33mA 인데요..

Q7에 흐르는 전류는 0.6V/R10 = 18mA 이고, Q5에 18mA가 흐르면 Q4에는 33mA - 18mA  = 15mA가 흐릅니다! .  Q4와 Q5의 전류 편차가 약간 발생합니다.. 

발열은 Q4가 0.95W 이고,  Q5와 Q7은1.1W 정도로 계산 됩니다. 당연히 방열판 붙여야 합니다. TO-5 의 2N3440/2N5416 을 사용한다면 Q4는 방열판을 붙여야 할 것으로 예상됩니다.  TO-220 타입의 TR을 대치로 사용한다면 2SA1930/2SC5171 정도가 좋을 것 같고요,  방열판에 부착할 수 있도록 PCB를 아트웍했습니다

 

Q6은 출력단  바이어스 및 온도보상용으로  아이들링 전류 조정은 R13으로 조정합니다. 초기에는 저항값을 최대로 하여 저항값 낮추면서 조정합니다.  적정값은 준콤플리먼터리 출력이라 출력석의 에미터 저항의 전압강하가 26mV가 되도록 조정하는 것은 안 맞을 수 있겠네요. 튜닝하면서 결정하겠습니다.  이건 NPN의 방열판에 부착이 용이한  TO-126 타입의 적당한 것이면 충분합니다. 반드시 출력석의 방열판에 부착하여야 합니다.

 

Q10, Q12는 드라이버 트랜지스터이고 출력석과 달링턴으로 접속되어 있습니다.  요즘 나오는 앰프와 다르게 준콤플리먼터리로 구성되어 있습니다. 과거에는 PNP 고출력 파워트랜지스터를 만들기 어려웠을 때 주로 많이 사용한 방식입니다. NPN 드라이버 +  NPN 출력은 등가적으로 NPN 트랜지스터가 되고,  PNP 드라이버 + NPN 출력석은 등가적으로 PNP 트랜지스터가 되며 이건 로컬 피드백 루프가 만들어져서 출력임피던스는 매우 낮게 됩니다.  상하 대칭 구조가 되지 않는데 짝수 고조파가 증가와 cross over 왜곡 측면에서는 불리하지만 오디오라는 것이 꼭 이론적인 것이 전부는 아니듯이

이것이 RCA 앰프의 소리가 좋게 하는 것 일 수도 있습니다.

 

드라이버석, 출력석, 온도보상 TR은  몰드형으로 방열판에 붙일 수 있도록 했으며 서울 금속의 SU B73 의 방열판을 사용시면 됩니다.

몰드형으로 하실경우 출력석은 2SC5200 이나 기타 다른 것도 괜찮고요, 드라이버석은 2SA1930/2SC5171 나 2SA1011/2SC2344, MJE15030/MJE15031도 괜찮을 것 같습니다.

TO-3의 캔타입 출력석을 사용하려면  서울 금속의 SU A1을 사용하고 전선으로 트랜지스터에 배선해야 합니다.

 

Q8과 Q9는 출력 쇼트보호 회로로 출력 전압에 따라 전류제한이 가변되도록 되어 있습니다. 출력전압의 절대값이 증가하면 전류 제한 값도 같이 증가하도록 설계 되어 있습니다. 

쇼트보호회로 TR의 내압은 높지 않아도 됩니다.

 

부품리스트를 첨부합니다. 튜닝하면서 약간의 변경이 있을 수 있습니다. 

원소자의 부품을 구하기가 어렵습니다.  구하기 어려운것은 구하기 쉬운 것의 대치품도 표시햇습니다

제 생각에는 소자보다 회로의 구성이 소리를 더 좌우할 것 같습니다.

 PCB의 배치도도 첨부합니다.

이제 PCB가 나오면 조립해서 특성측정하고 튜닝값 공유하도록 하겠습니다.  

 

 

 

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    이복열 2012.09.09 17:12

    정리해서 올리시는라고 수고가 많으십니다.

    하스에서도 파워앰프 자작이 활성화 되기를 기원합니다.

    다만 스픽이 너무 비싸서...ㅎㅎㅎ...

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    김태형 2012.09.09 18:04

    능동부품은 모두 주문했다고 생각했는데 역시 또 빼먹은게 있네요. 

    2n2222a/2907a 하고 2n3585/6211 .. 알려주신 대치품이 있으니 그것으로 진행해야겠습니다. 

    상세한 동작설명까지 곁들여주셔서 너무 감사드립니다. AC55V 트랜스는 처분하고 AC40V트랜스가 

    오기를 기다리고 있습니다. 

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    윤광수 2012.09.09 18:46

    수고가 많으십니다.

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    김태형 2012.09.10 09:01

    아.. 오디오용으로 잘 사용되는 소신호, VAS, 드라이버, 출력석을 분류하고 특성 비교해놓은 자료를 얼마전에 찾았습니다. 

    요번 파워 진행하시면서 부품 수급 잘 안되시는 분들 참고하시기 바랍니다. 

    http://users.tpg.com.au/gerskine/greg/PNP%20Small%20Signal%20Transistors.htm

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    윤서진 2012.09.10 11:36

    김도익님.

    2단째에 구성에 대한 김도익님의 해석은 어떤지 궁금합니다. Q4의 컬렉터가 왜 바로 그라운드로 향했느지? 극단적으로는 네임파워처럼 Q4를 사용하지 않아도 되는데....

     

     

    여담이지만, 회로를 극소수만 알고있는 몇년전 자작 30년 했다는 분에게 왜 그런지 질의하려고 관련회로 스캔해서 문의했더니,

     답은 없고

     정확한 원본이 뭐냐 묻길레 별생각없이 가그쳐 주었더니만, 마치 자신만이 알고 있는 회로인냥, 누군가를 비난하기 위한 수단으로 쓰는데 정말 뭐뭐뭐  하네요.

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    김도익 2012.09.10 20:13

    Q4를 사용하여 차동증폭기를 구성한 것입니다.  물론 Q1이나  Q2의  출력 하나만 사용해서  single-ended  로서 사용해도 되지만  차동 두신호를 최대한 사용하는 것이 왜율측면에서 유리합니다.  차동증폭기는  트랜지스터의 비선형적인 특성(exponential 비선형 특성)을 서로 제거한 구조입니다.  또한   이렇게 differential로 구동하면 두배의 신호의 입력으로서  구동할 수 있으니 일단 유리합니다. Q4 의 콜렉터 출력을 GND에 붙여 죽이지 않고,  커런트 미러를 사용하여 Q4의 전류를 카피하여 Q4의 콜렉터 전류가  Q7로 나타나게 하여    push-pull 로 구동한 예가  골드문트 파워앰프 회로에서  있습니다. 즉, Q5와 Q7의 동작을 서로 반대극성으로 동작하도록 push pull로 구성한 예이고  더욱 open loop gain을 키울 수 있습니다. 자세한 설명은 문헌에 나와 있습니다.  필요하시면 이메일 주소를 알려드리면 자료를 보내드리지요.. 이건 최신 기술도 아니고 60년대 나온 기술이고 일반적인 OPAMP에서 잘써먹고 있는 기술입니다.. 기술서적을 볼 수록  이런 것을 아이디어를 낸 옛 엔지니어 사람들에 대한 존경이 갑니다.    

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    윤서진 2012.09.13 12:27

    이곳 주인장님이 좀 보기 민망하신지 댓글에 약간의 수정을 하셨나보네요. 덕분에 개껌 씹는 소리가 즐겁게 들리네요.

    약오르니?  부러우면 지는게 아니고 흥분하면 지는거야...

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    윤서진 2012.09.10 22:00

    답변 감사합니다.

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    김도익 2012.09.11 04:36

    첨부에 PDF 화일의 회로도, 엑셀파일 부품리스트 추가 했습니다. 최종회로도는 아니고  튜닝 조정을 하면서 일부 RC 값은 추후 변경될 수 있습니다.

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    권재구 2012.09.11 06:29

    몇자.. q3, q7 간격이 좁아보입니다. 작은 타입의 방열판이라도 저정도면 간섭이 있을것같습니다. 

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    이길범 2012.09.11 08:04

    중형TR을 절연처리 하지 않는다면 거리가 문제가 될 수 있어 보입니다만, 절연처리 하면

    문제될 건 없어 보입니다.

     

    그것보다는 방열판 장착되는 영역의 TOP면에 패턴이 일부 애매하게 걸치는 것이 문제로

    보입니다. PCB형태상 케이싱 하더라도 외부로 노출되는 형태가 되기 쉬운데, 이런 경우

    방열판은 무조건 GND에 접속시켜두는 것이 상대적으로 안전합니다.

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    김도익 2012.09.11 20:45

    재구님.. 좋은 지적입니다.. Q7을 방열판을 달아야 할 것 같은데요

    TO-5 에 방열판 사용시   Q3와 닿을 수 있겠네요.. 다행히 방법은 있습니다

    TO-5 타입의 트랜지스터를  TO-5의 자리에는  콜렉터만 사용하고   TO-220자리의  베이스와 에미터를 사용하면 간격을 멀리할수 있을 것 같습니다   

     

    그리고, 길범님께서 지적하신대로 Q7의 TO-220 자리의 베이스 왼쪽 옆의 via가 방열판에 닿을 수 있겠군요. 먼저 테이프로 Via에 붙인후 방열판을 장착해야 할 것 같습니다 

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    이길범 2012.09.12 00:53

    부득이하게 방열판 밀착부 아래로 패턴이 지나가야 할 때(가능한 회피하는 것이 좋겠지만) 트릭중 하나로 당연히 SR은 덮어주고

    추가로 실크도 밀착 영역을 덮어서 이중으로 해주기도 합니다. (그렇다고 까지지 말란 법은 없습니다만.. 노파심에 한겹 더 씌우는)


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