RX-100 Power Amplifier
โดย Mr.K
วงจรเพาเวอร์แอมป์แต่ละรูปแบบล้วนมีข้อดีข้อด้อยและให้บุคลิกสียงที่แตกต่างกัน หลายท่านที่ชื่นชอบในการ DIY วงจรเพาเวอร์แอมป์ก็อยากจะรู้ถึงคุณภาพเสียงที่เปลี่ยนไปตามลักษณะการออกแบบวงจรชนิดที่เรียกว่าหากมีวงจรรูปแบบใหม่ๆก็ต้องทดลองสร้างขึ้นมาเพื่อเปรียบเทียบกับวงจรแบบเดิมไม่ผิดหวังแน่นอนสำหรับโครงงานนี้ เพราะนอกจากจะออกแบบวงจรได้ไม่ซ้ำใครแล้วยังสร้างง่ายใช้อุปกรณ์น้อยราคา ประหยัดและให้คุณภาพเสียงดีอีกด้วย
รูปที่1 ต้นแบบRX-100
ขออนุญาตกล่าวถึงที่มาเทคนิควิธีการออกแบบวงจรของโครงงานนี้กันก่อนนะครับ โครงงานนี้จะจำลองผลการทำงานของวงจรโดยใช้โปรแกรม OrCAD ซึ่งเป็นโปรแกรมสำหรับวิเคราะห์การทำงานวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทำให้เกิดความ สะดวกเป็นอย่างมากที่จะทำให้เรารู้ผลการทำงานของวงจรก่อนที่จะนำมาประกอบเป็นชิ้นงานจริงโดยเฉพาะวงจรเพาเวอร์แอมป์ในการซิมมูเลชั่นนั้นเราจะวาดวงจรโดยเซทค่าอุปกรณ์ให้ใกล้เคียงอุปกรณ์ที่ใช้ในวงจรจริงมากที่สุด และทำการปรับปรุง-แก้ไขวงจรจนผลการซิมมูเลชั่นคุณสมบัติด้านต่างๆของวงจรออกมาเป็นที่น่าพอใจเราจึงนำวงจรที่ได้เข้าสู่ขั้นตอนออกแบบชิ้นงานจริง ในรูปที่2 ขณะใช้โปรแกรม OrCAD ซิมมูเลชั่นวงจรเพาเวอร์แอมป์ในรุ่น RX-400 ซึ่งเป็นวงจรในซีรี่ส์เดียวกันกับโครงงานนี้เพียงแต่มีจำนวนเอาต์พุตทรานซิสเตอร์มากกว่าถึง 4 คู่ เพื่อวิเคราะห์ผลการทำงาน
รูปที่2 โปรแกรม OrCAD ที่ใช้วิเคราะห์ผลการทำงาน
จากรูปที่3 ผลการซิมมูเลชั่นวงจรเพาเวอร์แอมป์รุ่น RX-400 เป็นการตอบสนองทางความถี่สามารถทำได้ดีเยี่ยมตั้งแต่ 5Hz จนถึง 100 kHz เลยทีเดียวซึ่งผลการตอบสนองความถี่ที่ทำได้ดีขนาดนี้มีไม่บ่อยนักที่จะพบเห็นในวงจรเพาเวอร์แอมป์วงจรแบบธรรมดาทั่วๆไป แต่จะมีในเพาเวอร์แอมป์ระดับ Hi-End ที่ออกแบบมาอย่างดีเท่านั้นที่จะทำผลตอบสนองความถี่ได้ดีถึงขั้นนี้ได้นั่นหมายถึงหากวงจรนี้ทำงานได้เหมือนผลจากการซิมมูเลชั่นแล้วคุณสมบัติของ RX-100 ก็ไม่น้อยหน้าไปกว่าเพาเวอร์แอมป์ระดับ Hi-End เลยทีเดียว แต่อย่างไรก็ตามผลการซิมมูเลชั่นก็คือผลในทางทฤษฎีเราอาจจะทำให้ผลลัพธ์ออกมาได้ใกล้เคียงหรืออาจจะทำวงจรจริงไม่สำเร็จเลยก็ได้ขึ้นอยู่กับรายละเอียดปลีกย่อยอื่นๆในการออกแบบชิ้นงานจริงในทางปฏิบัติอีกครั้ง
รูปที่3 ผลการซิมมูเลชั่นการตอบสนองความถี่วงจรเพาเวอร์แอมป์ RX-Series
กลับมาที่เรื่องของโครงงานนี้กันต่อครับ RX-100 เป็นผลผลิตรุ่นน้องจากรุ่นพี่อย่าง RX-400 ซึ่งเป็นรุ่นที่ให้กำลังเอาต์พุตที่สูงกว่า โดยออกแบบมาให้รองรับกำลังเอาต์พุตระดับ 100Wrms ที่โหลด 8 โอห์มซึ่งเพียงพอต่อการใช้งานภายในบ้าน ข้อดีอีกอย่างของวงจรนี้คือเราสามารถทดลองเปลี่ยนไอซี ออป-แอมป์ เพื่อเปลี่ยนแนวเสียงตามต้องการได้อีกด้วย มาดูคุณสมบัติของ RX-100 คร่าวๆกันก่อน
คุณสมบัติของ RX-100
กำลังเอาต์พุต..................................100Wrms at 8Ohm (ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟเลี้ยง)
แรงดันไฟเลี้ยงใช้งาน.....................+/-45 ถึง +/-90Vdc
อินพุตอิมพีแดนซ์..........................22 กิโลโอห์ม
อัตราขยาย........................................32 เดซิเบล
จาก รูปที่4วงจรเพาเวอร์แอมป์รุ่น RX-100 มีไอซี ออป-แอมป์ทำหน้าที่เป็นวงจรขยายสัญญาณในภาคแรกส่วนวงจรขยายสัญญาณในภาคขยาย ที่ 2 ใช้วงจรทรานซิสเตอร์คอมม่อนอีมิเตอร์ต่อในลักษณะ คาสโค้ดใช้ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กเบอร์ 2N3904 และ 2N3906 ทำหน้าที่ขยายสัญญาณ โดยมี่ทรานซิสเตอร์เบอร์ MJE340 และ MJE350 ทำหน้าที่รักษาแรงดันVCE ให้คงที่ทำให้ภาคขยายที่2มีความเป็นลิเนียร์สูงส่วน ภาคไดรเวอร์ใช้ทรานซิสเตอร์เบอร์ MJE15032 และ MJE15033 เป็นทรานซิสเตอร์ไดรเวอร์ที่จายกระแสได้สูงถึง 8A ภาคไดรเวอร์ต่อแบบดาร์ลิงตันกับเอาต์พุตทรานซิสเตอร์เพื่อเพิ่มอัตราขยายในเครื่องต้นแบบใช้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตเบอร์ 2SC5200 และ 2SA1943 ซึ่งมีราคาไม่แพงส่วนท่านที่ต้องการที่จะใช้เอาต์พุตทรานซิสเตอร์เบอร์อื่นๆ ก็สามารถเปลี่ยนเบอร์ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตได้ตามงบประมาณ
รูปที่4 วงจรเพาเวอร์แอมป์รุ่น RX-100
การทำงานของวงจร
เริ่มจาสัญญาณเสียงจากอินพุตจะถูกส่งผ่าน C1 ค่า 10uF และ R1 ค่า 470 โอห์ม ป้องกันไม่ให้แรงดัน DC เข้ามาในระบบและเป็นตัวกำหนดแบนวิธด้านความถี่ต่ำที่เข้ามาในวงจรด้วย ส่วน R3 เป็นส่วนที่กำหนดอิมพีแดนซ์ทางอินพุต C7 ค่า 470pF กำหนดแบนวิธด้านความถี่สูงป้องกันสัญญาณรบกวนความถี่สูง ซึ่งเป็นวงจรพื้นฐานของภาคอินพุตของเพาเวอร์แอมป์ทั่วไป สัญญาณเสียงจะถูกป้อนให้กับขา Non-Inverting ของ ออป-แอมป์ เบอร์ NE5534 โดยมี C6 ค่า 100pF เป็นตัวป้อนกลับความถี่สูงไม่ให้ ออป-แอมป์ขยายสัญญาณความถี่สูงเกินไปป้องกันการเกิดออสซิลเลท สัญญาณที่ออกจากออป-แอมป์ ผ่าน R11 ค่า 100 โอห์มจะถูกส่งให้กับจรจรขยายสัญญาณภาคที่ 2 ซึ่งมี D3,D4,R7,R8,R12 และRT1 เป็นวงจรไบอัสและชดเชยอุณหภูมิโดยต้องนำ RT1 ซึ่งเป็น NTC ตัวต้านทานเปลี่ยนค่าตามอุณหภูมิติดตั้งไว้ฮีตซิงค์เดียวกันกับเพาเวอร์ ทรานซิสเตอร์ในส่วนของวงจรขยายสัญญาณในภาคที่ 2 นี้จะเป็นคอมม่อนอีมิเตอร์ แยกการทำงานออกเป็น 2 เฟสโดยเฟสสัญญาณ บวก (+) จะถูกทรานซิสเตอร์ Q1และQ2 เป็นตัวขยายสัญญาณ โดย Q1 ทำหน้าที่เป็นทรานซิสเตอร์คาสโคดคอยรักษาแรงดันให้ Vce ของ Q2 คงที่อยู่ที่ประมาณ 15V ส่วนสัญญาณในเฟสลบ(-) จะถูกขยายโดย Q3 และ Q4 กระแสคงที่ทีไหลในภาคขยายที่2นี้จะถูกตั้งไว้ประมาณ 5mA สัญญาณจะถูกส่งออกทางขา คอลเล็กเตอร์ซึ่งต่ออยู่กับตัวต้านทาน R15 ค่า 220 โอห์มมุมเฟสของสัญญาณที่ออกจากวงจรภาคนี้จะกลับไปจากเดิม 180 องศา ดังนั้นในภาคไดรเวอร์และเพาเวอร์เอาต์พุตจึงต้องเป็นคอมม่อนอีมิเตอร์สัญญาณ จึงจะลับมาเป็นมุมเฟสที่ถูกต้องตามเดิม ในภาคไดรเวอร์และเอาต์พุตประกอบด้วย Q5 และ Q8 โดยจัดวงจรในแบบคลาส AB วงจรนี้ภาคไดรเวอร์ Q5และQ6 จะถูกตั้งกระแสสงบไว้ค่อนข้างสูง ซึ่งเป็นผลดีทำให้ความเพี้ยนรอยต่อลดลง แต่ทรานซิสเตอร์จะมีอุณหภูมิค่อนข้างสูงจึงควรติดทรานซิสเตอร์ไดรเวอร์ไว้ ที่ฮีตซิงค์หลัก ในภาคเอาต์พุตจะมีวงจรป้อนกลับความถี่สูงเพื่อป้องกันการเกิดออสซิลเลทโดย C18 และ R19 ซึ่งทำหน้าที่ป้อนกลับเฉพาะส่วนของภาคเอาต์พุตเท่านั้น ส่วนการป้อนกลับแบบลบเพื่อกำหนดอัตราขยายและความถี่โดยรวมของวงจรทั้งหมดคือ R4,R2,C2,C3 และ C8 โดยวงจรนี้จะถูกตั้งอัตราขยายโดย R4/R2 เท่ากับ 42 เท่า หรือ ประมาณ 32dB
ภาคจ่ายไฟ
วงจรภาคจ่ายเบื้องต้นไฟสำหรับ RX-100 ในแบบสตอริโอแสดงดังรูปที่5 โดยออกแบบไว้เพื่อเป็นแนวทางคร่าวๆนะครับเพราะเชื่อว่าหลายๆท่านอาจจะมีหม้อ แปลงหรือตัวเก็บประจุฟิลเตอร์อยู่ที่บ้านแล้วก็สามารถนำมาใช้ได้เช่นกันที่จริงแล้ววงจร RX-100 สามารถรองรับย่านแรงดันไฟเลี้ยงได้สูงถึง +/-90V แต่สำหรับโครงงานนี้หากใช้ไฟเลี้ยงสูงมากเกินไปก็อาจผิดวัตถุประสงค์ของโครงงานดังนั้นแนะนำให้ใช้แรงดันช่วง +/-45V ถึง +/-60V จะช่วยประหยัดขนาดฮีตซิงค์ และอุณหภูมิของเอาต์พุตทรานซิสเตอร์จะได้ไม่สูงจนเกินไป
รูปที่5 ภาคจ่ายไฟ
การสร้าง
การสร้างสำหรับผู้ที่มีประสบการณ์การต่อโครงงานเครื่องเสียงมาบ้างแล้วคงไม่มีปัญหามากนักก่อนอื่นต้องลงมือทำ PCB อาจจะทำองหรือจ้างร้านทำก็ตามแต่สะดวก แต่มีวิธีที่ผมอยากนำเสนอคือวิธีการทำ PCB โดยใช้ Dry Film ซึ่งค่อนข้างสะดวกและลาย PCB ที่ออกมามีความคมชัด ดังรูปที่ 6 เป็นลายPCBด้านล่างแบบ Negative สำหรับใช้ทำ PCB แบบ Dry Film
รูปที่6 ลายลองแดงด้านล่าง
เมื่อได้ PCB มาแล้วก็ถึงเวลาลงอุปกรณ์แสดงในรูปที่7 การลงอุปกรณ์ก็เหมือนกับโครงงานอื่นๆเลือกลงอุปกรณ์ชนิดตั้งเตี้ยๆก่อนเช่น จั๊มพ์เปอร์ ตัวต้านทาน คอนเน็เตอร์ ตาไก่ ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก ตัวเก็บประจุ และสุดท้ายคือติดตั้งทรานซิสเตอร์ไดร์วและเพาเวอร์เอาต์พุต
รูปที่7 การลงอุปกรณ์
ส่วนตัวต้านทานชนิด NTC ค่า 100 โอห์ม จะต่อสายออกมาติดกับฮีตซิงค์ด้วยกาวซิลิโคนดังรูปที่ 8 เพื่อเชื่อมโยงความร้อนจากภาคเอาต์พุตไปควบคุมวงจรไบอัสเพื่อปรับค่ากระแสไบ อัสได้อย่างเหมาะสมป้องกันการเกิดการวิ่งหนีอุณหภูมิ
รูปที่8 การติดตั้ง NTC ชดเชยอุณหภูมิ
รูปที่9 การต่อใช้งานเบื้องต้น
รายการอุปกรณ์
ตัวต้านทาน
470Ω 1/4W.............................2
10Ω 1/4W.............................2
100Ω 1/4W.............................3
560Ω 1/4W.............................1
20kΩ 1/4W.............................1
15kΩ 1/4W.............................3
220Ω 1/2W.............................2
4.7Ω 1/2W.............................2
47Ω 1/2W...............................2
20kΩ 1/2W..............................2
22Ω 1W .................................2
10Ω 2W................................2
0.33Ω 3W...............................2
3.3kΩ 5W...............................2
NTC 100Ω..............................1
ตัวเก็บประจุ
0.1µF 63V โพลีเอสเตอร์ …………..….3
0.1µF 100V โพลีเอสเตอร์ …………….2
0.1µF 250V โพลีเอสเตอร์ …………….1
1nF 100V โพลีเอสเตอร์ ……………….3
22nF 100V โพลีเอสเตอร์ ………….….1
47pF 100V เซรามิก……………..……..2
56pF 500V เซรามิก……………..……..1
100pF 50V เซรามิก……………..……..1
470pF 100V เซรามิก…………….…....1
10µF 50V NP อิเล็กทรอไลต์….…..…1
220µF 25V อิเล็กทรอไลต์……….……2
470µF 16V อิเล็กทรอไลต์……….……1
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
NE5534……………………....……...1
2N3904……………………....………1
2N3906……………………....………1
MJE340……………………....………1
MJE350……………………....………1
MJE15032………………...…………1
MJE15033………………...…………1
2SC5200……………….…..…..……1
2SA1943………………...……..……1
1N4744..........................................2
1N4148.........................................2
อื่นๆ
Socket
ตาไก่
PCB เทอร์มินัล
ขดลวด
ฮีตซิงค์
ฯลฯ
>>ดาวน์โหลดไฟล์โครงงาน RX-100<<