掌握DZ LOWTIM的各項變數之二文/張國平 |
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延續前一篇的探討，我們整理討論區常見的問題，尤其是對於裝機作業馬上會遇到的問題，諸如：買不到原線路晶體，該去買哪些晶體來代用；或是裝機完畢，電路卻發生不穩定的現象……。我們目前就針對這幾個大方向來繼續探討。
該怎麼找代用的晶體最前面的輸入差動級部分，原來DZ是採用了Motorola的MPS8099/8599，這對晶體的幾個主要基本規格為： （表二）
以這樣的規格為基礎，要找代用晶體並不難，常見小信號放大用晶體幾乎都可以代換，這裡列舉了幾種電料行常見的晶體規格，供您參考。如（表三）所示： （表三）
基本上這些晶體用在輸入差動級，並不會有什麼問題。特別需要注意的是晶體的接腳位置：美製晶體來說（MPS8099/8599），文字面朝自己是EBC；歐洲編號的晶體（BC546/556），文字面朝自己是CBE；日製晶體（2SC2240/A970），文字面朝自己是ECB。 第二級的電壓放大級，這裡DZ的LOWTIM還是使用MPS8099/8599，我們來深入瞭解一下用在這個地方的晶體需要有什麼樣的條件。在當初規劃LOWTIM電路架構的時候，預計是以T270A變壓器供應電源，27V-0-27V的交流電壓經過整流濾波之後可得到+/-38V的直流電壓。在電壓放大級這一組晶體的耐壓值就必須至少為正負供應電壓的總和，也就是為76V以上。 在上一篇我們談到Q5、Q6、Q7、Q8如何設定偏流及電阻，如（圖六）所示：在靜態的時候Q5、Q6、Q7、Q8四枚晶體的CE兩端電壓都近似於+/-VCC，是不是這樣的耐壓就夠了呢？仔細思考一下，當全功率輸出的時候，如果在輸出端得到+/-35VP的電壓。再換個角度想，如果這一瞬間，輸出端是+35V，那麼這就代表Q5、Q6的CE兩端電壓近似於零，而Q7、Q8的CE兩端電壓除了原來的34.9V，還加上輸出端的這+35V，總和將近70V；反之，輸出端是-35V，那麼這就代表Q8、Q7的CE兩端電壓近似於零，而Q5、Q6的CE兩端電壓除了原來的34.9V，還需承受輸出端的-35V，總和也是近70V。所以，這就是我們建議，用DZ的零件包裝出來LOWTIM，所外加的電源電壓最好不要超過+/-40V的原因。
我們再來看看Q5、Q6、Q7、Q8這四枚晶體，在這裡會有多少功率消耗。Q5、Q7流過大約1.9mA，CE兩端電壓在靜態的時候為35V左右，由這兩個線索求出靜態功率消耗大約為： P = I ×V = 1.9mA ×35V = 66.5mW Q6、Q8兩枚晶體的偏流大約4.3mA，CE兩端電壓在靜態的時候同為35V左右，求出靜態功率消耗大約為： P = I ×V = 4.3mA ×35V = 150.5mW 這樣的功率消耗應該算不高，MPS8099/8599的PD(MAX)為625mW，在實際製作測試中，僅發出微溫。但是別忘了，這是靜態的數值，在動態的滿功率輸出瞬間消耗，會高達靜態的兩倍。參照前面的表三，日製小訊號晶體的PD(MAX)都只有300mW，可能有點危險，最好還是選用PD(MAX)稍高的晶體，多一點安全餘域。 受限於MPS8099/8599的耐壓及PD(MAX)，只能將電源供應電壓限制在+/-40V內，以策安全。若希望在不做太多變動下，提升電源供應電壓至+/-50V，將輸出功率提升增加到100W/8Ω，就必須更換Q5、Q6、Q7、Q8這四枚晶體。我們整理了幾種在這個位置適用的晶體規格，或是比較容易在市面上購得的晶體，供您參考。如（表四）所示： （表四）
最末端的電流放大級，DZ的LOWTIM中是以Motorola的TIP122/127搭配Toahiba的2SC5200/A1943組成達靈頓電流放大器。從PCB上裝配的零件看來，會讓人誤以為這樣的電路是兩級達靈頓的設計，事實上TIP122/127內部已是達靈頓的設計，這樣的方式有簡化電路的優點，加上外部的2SC5200/A1943功率晶體，形成有力的三級達零頓電流放大器，相對的減輕了電壓放大級的負擔。 TIP122/127在一般電料行應該很容易購得。當然您也可以在這裡使用一般的晶體，整體的線路架構就變成兩級達靈頓的形式，對前一級來說負擔會重一些，如此也失去了原來的美意。對音色會造成什麼樣的改變？這就需要您親自試聽才知道了。 在這裡列出可以使用在Q9、Q10的晶體，供您參考。如（表五）所示：我們還是建議您選用達靈頓晶體在這個位置（即Hfe比較高者，超過1000）。 （表五）
功率晶體對音色的影響也很大，有廠機衷情歐美製晶體，也有廠機愛用日製晶體。這裡選用Toshiba出品的功率晶體2SC5200/2SA1943，塑料包裝平面型的晶體。這種晶體的優點很多：同一批號的Hfe相差並不大，而且都較類似規格的鐵殼晶體高。在機構固定方面也相當方便，容易與PCB直接結合，省去連接線的麻煩；但是也有其缺點，相較於鐵殼晶體，〝耐燒〞性似乎差了點（曾經親眼看到散熱片已經由黑色熱到變金色，晶體本身卻完全安好）。 我們也是整理出常見於音響擴大機裡使用的功率晶體，列出規格表，供您尋找晶體時做為參考。如（表六）所示： （表六）
在推動晶體Q9、Q10與功率晶體Q11、Q12的選用原則，基本上類似於電壓放大級的晶體，耐壓至少要80V左右以上會比較安全。一般在學校做實驗課常見的鐵殼晶體2N3055/MJ2955，價錢雖然很便宜，但耐壓只有60V，在這裡還是不太適用。如果將低一些電源電壓，犧牲一點功率，那麼2N3055/MJ2955還是可以用在這個電路上。2N3055/MJ2955的各項基本規格如附（表七）所示：
（表七）
功率晶體的散熱片很重要！在晶體的datasheet中記載的PD(MAX)是指散熱片在無限大狀態下，可以承受的集極散逸功率。盡量找散熱面積大的散熱片，才能確保晶體工作的安全。在功率晶體跟散熱片的結合上，需注意絕緣，使用絕緣矽膠片可以不必塗散熱油，若是使用雲母片就一定要塗散熱油，才能將晶體的熱量確實的傳遞到散熱片上。 我們希望的是，您在收到DZ的LOWTIM PCB之後，能花費少少的代價，動動腦想想變通的方法，就能夠以手邊現有的零件去堆砌出屬於您自己的LOWTIM後級擴大機。 該用什麼樣的變壓器在規劃之初，預計要讓LOWTIM至少有60W/8Ω以上的輸出功率，由這個線索來找變壓器用。參考「小天使」後級放大器中的推倒，供應的電源電壓至少應為+/-31V左右，我們多提高了20%的電壓供應： VCC（實際供應電源電壓）= 31 ×120% = 37.2V 為什麼要提高20%的供應電壓？這是比較保守的作法，因為電力公司送來的市電，並不保證都是穩定的保持在110VAC，如果在工業區附近，或是用電的尖峰時間，市電往往都低於110VAC。再者，變壓器的工作效率也不一定是100%，尤其是一般電料行常見的便宜EI變壓器，光是空載的時候就發出微溫，加上負載後變壓器本身發出的溫度就經可以燙手，在大功率輸出的時候，次級圈電壓下降的程度更是嚴重。 在所有晶體都可以承受的範圍內，施加稍高的電源供應電壓，可以確保足夠的功率輸出。在試製LOWTIM的雛形機，多是拿DZ的大饅頭（T270A）來供應，整流濾波後的電源電壓大約+/-38V，剛好適用。若是您自行要尋找適用的電源變壓器，可以類似規格參考選購，變壓器次級圈電壓以不超過28-0-28為原則，電流請至少選購超過3A的產品，這樣剛好一聲道的LOWTIM合用。 如何接整流濾波電路您花費了許多心思蒐集零件，裝好了DZ的LOWTIM，是不是找來變壓器，連接上去就好了？那鐵定會裝出一堆問題，在電源變壓器之後還沒加上整流濾波電路，是不可以直接加到LOWTIM上的。 為什麼要整流濾波？市電的傳送是交流電的方式，以台灣地區為例，規格為110VAC/60Hz。大饅頭變壓器轉換出來的27-0-27仍是60Hz交流電，這樣狀態的電源是不能直接接到放大器上，之間還需加上整流濾波電路，才能將交流電轉成直流電供應給放大器電路。
基本的整流濾波電路，如（圖七）所示：從變壓器的次級圈取出，接到橋式整流器上，這時候先不要接上濾波電容，用示波器觀測橋式整流器的〝+〞與〝-〞對GND之間，就會出現類似圖中所示的波形。這時候橋式整流器已經將交流電轉換為直流電，但是這時候的直流是不穩定的，電壓值仍然會隨著時間軸變化，還是不能直接接到放大器上。 要解決這個問題，就是加上濾波電路，即在（圖七）中的C+與C-所組成電路。注意脈動直流的波形，在兩個波峰之間，會有能量的缺口。濾波電容在這裡的用意，就是填補這個缺口，當電源能量有空缺的時候，濾波電容的能量能夠馬上銜接這個空缺，確保電源的穩定。濾波電容大多使用電解電容（某些管機的濾波電容使用金屬皮膜電容，$$昂貴），大顆電解電容的高頻響應多半不佳，建議裝配的時候在電解電容兩端需加上0.1uF的小電容提升高頻響應。用示波器觀測濾波電容後的波形，就是平穩的直流電了。圖中的S+及S-，是方便實驗的時候觀測波形變化用的，在正常使用的時候，是直接接在一起的。 剛裝配好的後級放大器模組，在上電之前，最好是加上限流電阻。在不確定電路是否可以正常工作，貿然的上電是非常危險的，萬一在這時候功率晶體的Bais是調在最大狀態，上電前又沒有確實檢查到這個錯誤，電阻不冒煙，晶體不斃命都難。在測試的時候接上限流電阻，一方面保命，一方面容易取得放大器目前的耗電狀態。假設在10歐姆電阻兩端量到2V的直流電壓，即代表放大器吃掉： I = V / R = 2 / 10Ω = 200mA 這麼多的電流。在調整Bais VR的時候，也可以這裡為基準，校調全機的靜態電流，調整完畢後將保險絲裝上，非常方便。 要怎麼提高輸出功率簡單的說，稍稍提升電源供應電壓，就可以得到較高的輸出功率。但是在提升電源電壓之前，有諸多該注意的地方：記得前面在挑選電晶體的時候提到過，晶體的耐壓與PD(MAX)都是重要的參考指標，如果為了提升輸出功率，還沒搞清楚狀況就糊里糊塗的加高電源電壓，是很容易發生燒晶體的憾事。 除了晶體的規格挑選，要提高電源電壓與輸出功率，還需注意功率晶體的散熱。以2SC5200/A1943這對晶體來說，輔以良好的散熱裝置，應該輕易的可做到100W輸出功率的後級擴大機（電源電壓為+/-50V，詳細計算方式請參考「小天使」後級放大器）。如果還要更高的功率，就需要以多對功率晶體併聯的方式輸出，平均分攤掉龐大的輸出電流，保證每一對晶體的負擔不會太沈重。多對晶體併聯的時候也有一些該注意的地方，繼續我們會有詳盡的討論，待續…… |
