Sähköstaattiset kuulokkeet akkukäyttöisellä vahvistimella

vahvistinosa - kuulokeosa

Varoitus! Tässä projektissa käytetään korkeita jännitteitä (jopa 1000 V), vaikka laite onkin paristotoiminen. Tämän takia rakentamaan ryhtyvän henkilön on tiedettävä mitä on tekemässä.

Koska alunperin halusin kuulokkeista kannettavat, piti niille suunnitella pieni paristokäyttöinen vahvistin. Lisäksi sen tulisi kuluttaa mahdollisimman vähän virtaa.

Aluksi piirtelin paperille melko tavallisia vahvistinkytkentöjä, mutta pian huomasin, että suurjännitetransistoreja on saatavilla erittäin huonosti. Komplementaarisia transistoripareja löytyi vain noin 300 volttiin saakka. Tässä tarvittiin noin 1000 V jännitekestoa, joten piti suunnitella vahvistin joka tarvitsisi vain NPN-tyyppisiä suurjännitetransistoreja.

Lopullinen kytkentä muistuttaa toiminnaltaan putkivahvistimista tuttua SRPP-vahvistinta (How The SRPP Works).

Tosin päädyin tähän periaatteeseen toista kautta. Seuraava kuva on John Linsley Hoodin A-luokkaisen vahvistimen periaate. Hei, pelkästään NPN-transistoreja! Tämä ei kuitenkaan toiminut hyvin haluamillani erittäin pienillä lepovirroilla. Muokkasin kytkentää siirtämällä Tr3:n emitterin maahan ja ohjaamalla Tr1:tä ja Tr3:a yhdessä (ks. lyijykynähahmotelmani). Tämä kytkentä toimi jo lupaavasti, mutta riittävän pienen lepovirran sain vasta poistamalla vasemmanpuoleisen transistorin kokomaan. Ylempi transistori ottakoon sitten ohjauksensa alemman kollektorilta.

Testaillessa ajoin vain kuuloke-elementin toista staattoriverkkoa nopeuttaakseni testailua. Kunnollisissa sähköstaattisissa kuulokkeissa kuitenkin ohjataan elementin kumpaakin staattoria symmetrisesti keskenään vastakkaisessa vaiheessa.

Lopulta testailun tuloksena oli seuraava kytkentä:

Kuvassa on yhden vahvistinkanavan kytkentäkaavio. Ylempi osio on kääntävä vahvistin ja alempi ei-kääntävä. Etuasteena on tavallinen differentiaalivahvistin, josta on kuitenkin vakiovirtageneraattori korvattu vastuksilla R6 ja R17 tilanpuutteen vuoksi. Etuaste toimii suoraan akkujännitteellä.

Lähtöaste muodostuu transistoreista T3 ja T4 (vastaavasti T7 ja T8). Tavallinen punainen ledi D1 antaa T4:lle etujännitteen, sillä ledin kynnysjännite on 1,6 V. Tällöin R12:n yli jää noin 1 V. Diodi D2 suojaa T4:n kanta-emitteri-liitosta liian suurelta vastakkaiselta jännitteeltä ylikuormitettaessa vahvistinta. Laitoin siihenkin ledin, koska se antaa mukavan valosignaalin kun kanta menee 1,6 V negatiivisemmaksi kuin emitteri. Ääni ei silti vielä säröydy vaikka D2 välähtääkin, mutta silloin viimeistään on varmaa, että T4 ei johda koko aikaa.

Käytännössä tämä vahvistin ei pysty syöttämään täyttä lähtöjännitettä diskanttiäänillä, koska kuulokkeen kapasitiivisesta kuormasta johtuen korkeilla taajuuksilla tarvittaisiin melko paljon virtaa. Tavallisella musiikilla tämä ei ole suuri haitta, sillä suurimmat tasot ovat bassoilla ja keskiäänillä. Bassoilla lähtöjännitteen huiput hipovat maata ja käyttöjännitettä. Keskiäänillä tehot alkavat pikkuhiljaa laskea diskanttia kohti.

Vastusten R11, R13, R22 ja R24 on kestettävä 1000 V jännite. Vastusten R3, R4, R14 ja R15 jännitteensiedoksi riittää 500 V. Muut vastukset voivat olla tavallisia, itse käytin pienikokoisia 1/8 W metallikalvovastuksia.

Virtalähde olikin vaikeampi tehtävä. Tässäkin oli tavoitteena pieni koko, joten tutkin pääasiassa yksinkertaisia yhden tai parin transistorin värähtelijöitä kuten kameroiden salamalaitteita. Toinen tavoite oli voida käyttää valmista muuntajaa. Hyötysuhdetta en tahtonut saada hyväksi. Se on nytkin vain välillä 50 - 60 % riippuen käyttöjännitteestä (joskus mittasin 'jopa' 70 % pienemmällä kuormalla). Laite kuluttaa virtaa noin 0,4 A (0,37 A kun 4,4 V ja 0,47 A kun 5,2 V). Etuasteet kuluttaa yhteensä alle 10 mA, joten lähes kaikki teho kuluu hakkurissa ja pääteasteissa.

Kuvan hakkurikytkentä on tarkoitettu oikealle ja vasemmalle vahvistinkanavalle yhteiseksi.

L1 on tavallinen vastuksen kokoinen pienoiskuristin. Kaaviossa oleva muuntaja Tr1 on SP-elektroniikan 9 V strobovalon hakkurimuuntaja.

T2 on IRFZ44N-mosfetti koska minulla sattui olemaan muutama sellainen. Sillä on melko suuri virrankesto mutta, koska se ei ole kallis, se kelpaa. Suurivirtaisuudesta johtuen pieniä virtoja käytettäessä riittää selvästi normaalia pienemmät hilajännitteet. Fetissä on hilan ylijännitesuojaus sisäänrakennettuna kuin myös suojadiodi vääränsuuntaista jännitettä vastaan.

R1, D1, D2 ja R2 asettavat fetin hilalle sellaisen esijännitteen, että värähtely alkaa kytkettäessä virrat päälle. Ne myös pitävät pulssin johtavan vaiheen kohtuullisen lyhyenä vaikka paristojännite olisi korkea.

Vastus R3 estää hakkurin käynnistymisen hallitsemattoman korkeilla loistaajuuksilla, joilla muuntaja ei tahdo siirtää tehoa.

Glim-lamppu GL1 on asennettu poikkeuksellisella tavalla. Jotta se ei veisi paljoa virtaa, se on kytketty kapasitiivisesti lasikuorensa läpi. Glim-lampun molemmat johtimet on yhdistetty hakkurimuuntajan korkeajännitenastaan ja lampun ympärille on kietaistu suikale alumiinifoliota, joka kytketään maahan. Huomasin Glim-lampun syttyvän tällä tavalla, kun pidin sellaista sormissa ja kosketin sillä hakkuriin. Olisin voinut tietysti laittaa avallisen ledin vastuksineen paristojännitepuolelle, mutta tällä tavalla lampusta näkee, toimiiko hakkuri.

Diodit D4 ja D5 sekä elkot C4 - C8 muodostavat jännitteentuplaimen, josta saadaan lopulta haluttu korkea jännite. D3 tasasuuntaa kalvojen polarisaatiota varten negatiivisen tasajännitteen. Koska tätä linjaa ei kuormiteta lainkaan, suotokondensaattoriksi jännitteen tasaamiseen riittänee kaapeleista ja elementistä syntyvä kapasitanssi.

Hakkurin värähtelytaajuus on noin 22 kHz, ja se laskee akkujen ehtyessä. Silloin kun akut ovat tyhjät hakkurista kuuluu korkea vikinä. Valitettavasti en saanut hakkurin taajuutta nousemaan korkeammalle tällä muuntajalla. Näin matala taajuus häiritsee hieman vahvistinpuolta. Tämän huomaa, kun vahvistimeen syöttää sinisignaalin, joka on lähellä 20 kHz:ä. Tällöin syntyy hiljainen erotaajuus muutaman kilohertsin hujakoille. Yli 40 kHz olisi hyvä hakkuritaajuus. Ehkä pitäisi parantaa käyttöjännitteen suodatusta ja vahvistimen erottamista hakkurista, mikä on kyllä hankalaa tämänhetkisessä kotelossa, joka on todella ahdas.

Seuraavat kaksi kuvaa saat isommiksi klikkaamalla.

Kotelon ulkomitat ovat 6,7 x 2,5 x 11,3 mm ilman säätimiä ja liittimiä. Kansi ja pohja ovat 1,5 mm alumiinia ja runkokehikko 1 mm rautapeltiä. Pohjaan ja kanteen olen liimannut 0,3 mm lasikuitupiirilevystä leikatut eristelevyt, joista on syövytetty kaikki kupari pois. Samaa levyä on myös 2SC3675-transistorien ja kotelon seinän välissä. Edelleen samaa levyä on kuparillisena potentiometrin ympärillä ja hakkuri- ja vahvistinpuolien välillä vähentämässä hakkurin lähettämien häiriöiden pääsyä vahvistimeen. Nämä levyt on kytketty maahan. Glim-lamppu ja sen ikkuna on otettu rikkinäisen kameran varausmerkkivalosta.

Koko rakennusprojektin hinnaksi tuli yhteensä noin 100 euroa, josta vahvistinosa vei kaksi kolmasosaa.

takaisin etusivulle

sähköposti:

Matti Nisula 28.12.2002