HK-16A เพาเวอร์แอมป์เสียงดีที่คุณสร้างเองได้
     โดย Mr.K

      โครงงานชิ้นนี้เป็นพาเวอร์แอมป์ Class AB ในรูปแบบกำลังสูงระดับปานกลาง 400 วัตต์ ที่ 4โอห์ม เพียงพอต่อการนำไปใช้งานได้อย่างกว้างขวาง ฟังในบ้านก็ดี นอกบ้านก็ได้ ที่สำคัญ มีวงจร และลาย PCB ให้เพื่อนๆได้ทดลองทำเล่นกันสนุกๆ โดยคอนเซ็ปต์โครงงานชิ้นนี้จะตอบโจทย์สำหรับผู้ที่ชอบจัดปาตี้ หรือร้องคาราโอเกะนอกบ้านเป็นประจำด้วยกำลังที่สูงพอตัว จึงสามารถใช้งานได้หลากหลาย แต่ก็ยังสามารถนำเพาเวอร์แอมป์ตัวนี้ไปใช้ฟังเพลงภายในบ้านได้ตามปกติ และให้คุณภาพเสียงที่ดีเยี่ยมไม่แพ้แอมป์แบรนด์ดังราคาแพงแน่นอน 

      ชื่อ HK-16A เป็นวงจรที่ต่อยอดมาจากเพาเวอร์แอมป์ Harman-kardon ในชื่อรุ่น The Citation Sixteen ผลิตในปี 1976 วงจรที่ถอดแบบออกมาในรูปที่2 จากเดิม Citation Sixteen ภาคเอาต์พุตเป็นวงจรชนิด Quasi Complementary แต่ในโครงงานนี้ออกแบบใหม่ให้วงจรเป็นแบบ  Pure Complementary  เพื่อให้เราๆท่านๆหาเอาต์พุตทรานซิสเตอร์ใส่ง่ายๆ หาเบอร์แทนและเลือกเล่นได้โดยไม่จำกัด เครื่องต้นแบบใช้ 2SC5200 และ 2SA1943 ยอดนิยม รวมถึงออป-แอมป์ในโครงงานเลือกใช้ TL072 เพราะราคาถูกและหาซื้อได้ง่ายแต่สำหรับท่านที่มีงบไม่จำกัด สามารถใช้เบอร์อื่นที่คุณสมบัติดีกว่าเช่น OPA2134 จากการทดลองก็ไปกันได้ดีกับวงจรนี้ การเลือกออป-แอมป์สำหรับวงจรนี้ ให้พิจารณาที่ Output Offset บางเบอร์ไม่เหมาะสมที่จะใช้กับ HK-16 เมื่อใส่ลงไปแทนที่อาจให้ค่า DC Output Offset ที่สูงเกิน +/-50mV ซึ่งไม่เป็นผลดีต่อการทำงานของวงจรนัก ดังนั้นต้องระวังในจุดนี้กันด้วยครับ

 รูปที่ 1 โมดูลเพาเวอร์แอมป์ HK-16A 

     
    คุณสมบัติของ HK-16A
     -แรงดันไฟเลี้ยงใช้งาน +/-75Vdc 
     -กำลังเอาต์พุตที่โหลด 8 โอห์ม 250W 
     -กำลังเอาต์พุตที่โหลด 4 โอห์ม 400W 
    -อัตราขยาย +26dB /+33dB
    -การตอบสนองความถี่ 10Hz-100KHz +/-0.5dB (ผลจากการซิมมูเลชั่น)
    -ความเพิ้ยน THD @1kHz < 0.01% (ผลจากการซิมมูเลชั่น)
    -เอาต์พุตออฟเซ็ท ต่ำกว่า 50mV

                             รูปที่2 วงจรเพาเวอร์แอมป์ HK-16A

     การทำงานของวงจร  
      วงจรนี้ใช้ออป-แอมป์ทำหน้าที่เป็นภาค Diferential Amp นั่นคือ U1A สัญญาณเสียงจะถูกส่งผ่าน C1,R1,R5 ที่ทำหน้าที่เป็นวงจรกรองความพี่ต่ำ หรือ LPF ในส่วนแรกซึ่งเป็นวงจรพื้นฐานทางด้านอินพุตของเพาเวอร์แอมป์เกือบทุกวงจรต้องมี ตัวที่ทำหน้าที่กำหนดอิมพีแดนซ์ทางอินพุตคือ R1 และอิมพีแดนซ์ที่ความถี่สูงจะกำหนดด้วย C2,R5 สัญญาณจะส่งเข้าไปยังขา Non-Inverting ของออป-แอมป์ โดยมี C6 ทำหน้าที่ป้อนกลับทางลบเพื่อลดอัตราขยายความถี่สูงของออปแอมป์  ไฟเลี้ยง +/-15Vdc ของออปแอมป์จะใช้วงจรเร็กูเลเตอร์แบบขนานโดยใช้ซีเนอร์ไดโอดประกอบไปด้วย D1,D2,R8,R9 และมี C7,C8 ช่วยลดอิมพิแดนซ์ความถี่สูงสัญญาณออกจากออปแอมป์จะเป็นสัญญาณเสียงที่ถูกชดเชยความเพี้ยน มี C7 เป็นตัวกรองเอาต์พุตของออปแอมป์ด้านความถี่สูงหากมีเกินความจำเป็นจะถูกบายพาสลงกราวด์ สัญญาณจะถูกส่งต่อให้ Q1,Q2 ซึ่งทำหน้าที่แยกเฟสสัญญาณออกเพื่อส่งไปยังภาคขยายแรงดัน D3,D4,C9,C1,R10,R11 ทำหน้าที่จัดไบอัสกระแสที่เหมาะสมที่จะส่งสัญญาณไปยังภาคขยายแรงดัน VAS คือ Q7 และ Q9 ส่วน Q3,Q5 ทำหน้าที่เป็น Current Limit  C14,C15 ทำหน้าที่ชดเชยเพื่อลดอัตราขยายที่ความที่สูงของภาคขยาย VAS นี้ไม่ให้สูงจนเกินไปเพื่อป้องกันการออสซิลเลท Q10,C11,R18,R19,R20 ทำหน้าที่เป็นวงจรไบอัสควบคุมสภาวะกระแสสงบของวงจร โดยต้องนำ Q10 ไปติดตั้งไว้ที่ Main Heatsink เพื่อเป็นตัวรับอุณหภูมิของเอาต์พุตทรานซิสเตอร์มาชดเชยกระแสสงบให้ไม่เกิดการวิ่งหนีอุณหภูมิจากคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ BJT ซึ่งสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก ต่อมาเป้นภาคไดร์วเวอร์ประกอบไปด้วย Q11,Q8,Q12,Q13 ซึ่งต่อเป็นภาคไดร์วเวอร์ที่ต่อลักษณะดาร์ลิงตันเพื่อเพิ่มอัตราขยาย และเพิ่มอิมพีแดนซ์ทางด้านอินพุตให้สูงพอ ภาคไดร์วเวอร์ใน HK-16 จะไบอัสกระแสไว้ค่อนข้างสูงซึ่งจะทำให้เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำ จึงมีกระแสเพียงพอที่จะขับทรานซิสเตอร์เอาต์พุตจำนวน 4 คู่ได้อย่างเหลือเฟือ ภาคเอาต์พุตของ HK-16 ประกอบไปด้วย Q14,Q15,Q16,Q17,Q18,Q19,Q20,Q21 ซึ่งเป็นเอาต์พุตแบบ Common Collecter ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำและขับกระแสได้ดี D9,D10 เป็น Damping Diode ป้องกันกระแสไฟฟ้าไหลย้อนกลับจากการเคลื่อนไหวของลำโพง C19,R39,L1,R40 ทำหน้าที่เป็นโซเบลเน็ทเวิร์คป้องกันการเหนี่ยวนำความถี่สูงจากความยาวของสายลำโพงมากวนเพาเวอร์แอมป์ป้องกันการออสซิลเลทจากภายนอก  C18,C20,C21,C22 เป็นตัวเก็บประจุดีคัปปลิ้งและไบแคป ช่วยรักษาอิมพีแดนซ์ของภาคจ่ายไฟให้คงที่จากสายไพที่ยาวเดินมาจากเพาเวอร์ซัพพลายเข้ามาในบอร์ด D5,D6,D7,D8,Q4,Q6,C12,C13,R21,R22,R25,R26 เป็นวงจร V-I Limiter ป้องกันภาคเอาต์พุตไม่ให้จ่ายกระแสสูงเกินพื้นที่ปลอดภัย สุดท้ายคือส่วนของวงจรป้อนกลับทางลบเพื่อกำหนดอัตราขยาย ได้แก่ R7,R6,C5 โดยวงจรนี้คิดอัตราขยายโดย R7/R6 คือ 12K/560= 21.4 เท่า หรือประมาณ 26dB  

    PCB
    PCB ของ HK-16A จะออกแบบมาด้วยโครงสร้างที่ให้ติดตั้งง่ายในแท่นที่มีฮีตซิงค์ด้านข้าง การออกแบบลายทองแดงในส่วนของระบบกราวด์จะเป็น Star Ground และแยกส่วนของ Signal Return หรือ SGND ออกจากกราวด์ชุดอื่นๆด้วยอุปกรณ์ Ground Break เพื่อให้วงจรมีสัญญาณรบกวนต่ำสุด และแก้ปัญหากราวด์ลูป


     

รูปที่3 PCB วงจรเพาเวอร์แอมป์ HK-16A

    ลาย PCB ภาคจ่ายไฟอย่างง่ายๆสำหรับ HK-16 แสแดงดังรูปด้านล่าง RL=22K 2W, CAP=10,000uF 80V

     รูปที่4 ลาย PCB ภาคจ่ายไฟวงจรเพาเวอร์แอมป์ HK-16A

    การสร้าง 
    ก่อนอื่นจัดทำ PCB ก่อนเลย หรือสั่งซื้อได้ที่เว็บของเรา ซื้อ PCB คลิ๊กที่นี่ 
เมื่อได้ PCB มาแล้วลงเมือประกอบอุปกรณ์ให้ตรงตามที่ PCB สกรีนไว้ ซึ่งถ้าลงอุปกรณ์ไม่ผิดและฝีเมือบัดกรีดีๆรับรองว่าท่านจะได้ฟังเสียงจากโครงงานนี้แน่นอน ขั้นตอนการประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ สำคัญตรงที่ต้องพยายามอย่าให้เกิดความผิดพลาด เพราะตอนซ่อมจะกินเวลาและสูญเสียเงินซึ่งไม่คุ้มเลย ดังนั้นขั้นตอนประกอบต้องมีความรอบคอบไว้ดีที่สุดครับ

รูปที่5 PCB ที่มีจำหน่าย

รูปที่6 แนวทางการเดินสายไฟภายในแท่น

    การปรับแต่ง
     เมื่อประกอบวงจรเสร็จแล้วยึดทรานซิสเตอร์ไบอัส ทรานซิสเตอร์ไดร์ว และทรานซิสเตอร์เอาต์พุตลงฮิตซิงค์ โดยการรองด้วยไมก้าหรือแผ่นซาร์คอนแล้วใช้โอห์มมิเตอร์ตรวจเช็คว่าตัวถังของทรานซิสเตอร์ไม่ลัดวงจรลงฮีตซิงค์  หลังจากนั้นควรจะทดสอบวงจรก่อนที่จะประกอบลงแท่น ขั้นตอนทดสอบ ทำได้โดยใช้แหล่งจ่ายไฟที่เตรียมไว้ อาจเป็นภาคจ่ายไฟแรงดันเอาต์พุตต่ำกว่าแรงดันใช้งานซักเล็กน้อย หรือภาคจ่ายไฟที่จะใช้กับโครงงานนี้เลยก็ได้ นำหลอดไฟ 100W ต่ออนุกรมไว้ทางขด Primary ของหม้อแปลงดังรูปที่7 จากนั้นนำแรงดัน DC ของแหล่งจ่ายไฟต่อเข้าในวงจรขยายของเรา

รูปที่7 วิธีทดสอบเพาเวอร์แอมป์

  ลำดับขั้นตอนทดสอบ
    -ใช้ไขควงปรับ POT  IDLE Adj. ทวนเข็มให้ต่ำสุด เป็นการปรับกระแสสงบของวงจรไว้ต่ำสุด
    - นำ DC โวลต์มิเตอร์ต่อไว้ที่ขั้วเอาต์พุตเพื่ออ่านค่าแรงดันเอาต์พุต
    - เปิดสวิตซ์ จ่ายไฟเลี้ยงเข้าวงจรและสังเกตแสงสว่างของหลอดไส้หลังจากชาร์จตัวเก็บประจุเต็มหลอดจะค่อยๆหรี่ลงจนดับไป
    - อ่านค่าแรงดัน DC ที่ต่อไว้ก่อนหน้า ต้องอ่านได้ต่ำกว่า +/-100mV  
    - หลังจากนั้นจ่ายสัญญาณดนตรี และ ต่อลำโพงเพื่อฟังเสียงดนตรี ต้องไม่แหบหรือเพี้ยนจนผิดสังเกต
    - จากนั้น ใส่ฟิวส์ขนาด 5A แทนหลอดไฟ
    - ทดลองเปิดฟังเสียงดัง-สลับเบา สังเกตความร้อนของฮีตซิงค์และตั้งค่ากระแสสงบตามที่ท่านพอใจ
    - หลังจากทดสอบและตั้งค่ากระแสสงบเป็นที่น่าพอใจแล้วโมดูลเพาเวอร์แอมป์ HK-16A ก็พร้อมลงแท่นต่อไป

   เคล็ดลับ  หากแรงดันเอาต์พุตออฟเซ็ทมีค่าสูงเกิน +/-50mV ให้ทดลองเปลี่ยน Op-Amp ตัวใหม่ลงใน Socket ซึ่งออป-แอมป์ แต่ละตัวจะให้เอาต์พุตออฟเซ็ทต่างกัน       ควรซื้อออป-แอมป์ มาเผื่อสำหรับวงจรนี้ซัก 5-6 ตัว แล้วคัดเลือกหาตัวที่ให้เอาต์พุตออฟเซ็ทต่ำที่สุด

   ผลการฟัง
   สำหรับผลการรับฟังเพื่อเป็นแนวทางสำหรับท่านที่อยากทดลองทำ เนื้อเสียงของ HK-16A จะมีความโดดเด่นในย่านความถี่ กลาง-สูง ถ้าปรับกระแสสงบได้พอเหมาะวงจรนี้จะให้น้ำเสียงที่สดใสดีมากเป็นเพราะวงจรนี้ผู้ออกแบบตั้งใจให้มันมีความเพี้ยนต่ำ ส่วนเสียงย่านต่ำจะให้ความกระชับฉับไวสมจริงไปได้ดีกับทั้งเพลงช้าและเร็ว ทำให้เพาเวอร์แอมป์ตัวนี้ใช้งานได้หลากหลาย เรื่องของบุคลิกเสียงสำหรับวงจรนี้ อาจจะเปลี่ยนไปตามอุปกรณ์ที่เลือกใช้ ท่านก็สามารถปรับปรุงได้ตามสไตล์ที่ท่านต้องการ ซึ่งวงจรนี้ก็สามารถอัปเกรดเล่นได้ไม่ยาก ทั้งการเปลี่ยนออป-แอมป์ ตัวเก็บประจุในภาคอินพุต หรือแม้กระทั่งทรานซิสเตอร์เอาต์พุต ขอให้ทุกท่านสนุกกับโครงงานนี้ครับ

 รายการอุปกรณ์