Bij dezen het eerste artikel van Elektor, dat via de Zelfbouw Special op HiFi.nl een aantal van haar publicaties online aan zal gaan bieden. Je leest er hier meer over, dus houd onze Zelfbouw Special in de gaten voor meer achtergrondstukken.
De populairste dual opamp in de audiowereld is de (NE)5532. Door voldoende 5532's parallel te schakelen, kan een interessante vermogensversterker gebouwd worden, laten we eens beginnen met 32 stuks. Dit lijkt misschien wat radicaal, maar het werkt in feite erg goed. Zo kan een heel eenvoudige versterker gemaakt worden die niet alleen de uitstekende lineariteit van de 5532 erft, maar ook de onderdrukking van voedingsspanningsvariaties en de ingebouwde bescherming tegen overbelasting.
Niet echt een gloednieuw ontwerp, maar de dubbele operationele versterker (opamp) (NE)5532 heeft heel wat in zijn mars: een lage vervorming, goede eigenschappen om belastingen aan te sturen en opvallende goede ruiseigenschappen.
Het is nog maar kort geleden dat er betere opamps voor audiodoeleinden op de markt kwamen. Hoewel deze voortreffelijke resultaten kunnen geven, is de prijs daar ook naar. De goedkoopste kost tien maal zo veel als de 5532 die opvallend goedkoop is – het is in feite een van de goedkoopste opamps omdat hij zo uitgebreid gebruikt wordt voor audiotoepassingen.
Een beperking van opamps bij het aansturen van luidsprekers is dat de spanningszwaai aan de uitgang beperkt is ten opzichte van een conventionele vermogensversterker. Een enkelvoudige reeks van 5532's levert ongeveer 15 Weff in een belasting van 8 Ohm. Dit kan flink opgevoerd worden door twee versterkers in een brugschakeling te gebruiken, waarbij een versterker het geïnverteerde ingangssignaal krijgt, zodat het spanningsverschil tussen de uitgangen van de versterkers verdubbeld wordt. Het uitgangsvermogen wordt hierdoor verviervoudigd, zodat er ongeveer 60 Weff in 8 Ohm mogelijk is, genoeg voor de meeste thuissituaties.
De andere opamp-grenswaarde is de maximale uitgangsstroom die bepaald wordt door de interne bescherming tegen overbelasting. Een enkele 5532-sectie (een helft van de dubbel uitgevoerde chip) kan 500 Ohm aansturen over de volledige uitgangszwaai, hoewel het aan te bevelen is om niet zo ver te gaan om de vervorming laag te houden. Voor 4 Ohm moeten er twee maal zo veel opamps gebruikt worden om de dubbele stroom te kunnen leveren. Dat geldt ook voor een brugschakeling met 8 Ohm op de uitgang.
Content beschikbaar gesteld door Elektor
Het systeem is zo ontworpen dat het zowel enkelvoudig als in brugschakeling gebruikt kan worden; het basisontwerp dat hier beschreven wordt, is een stereoversterker met slechts drie printen. De versterkerprinten kunnen zonder problemen parallel geschakeld worden en er is gezorgd voor een mogelijkheid om meerdere printen parallel te schakelen voor het aansturen van luidsprekers met een lage impedantie. Bescherming tegen overbelasting is een basiseigenschap van de opamps. Relais aan de uitgang zorgen voor on/off-muting en beschermen de luidsprekers tegen DC-fouten.
Rondgang door het ontwerp
In het schema in figuur 1 is één kanaal van de complete versterker te zien. Dit bestaat uit asymmetrische en symmetrische lijningangen en de vermogensversterker zelf, die verdeeld is in een versterkertrap van 22,7 dB en een reeks parallel geschakelde uitgangsopamps geconfigureerd als spanningsvolgers, waardoor de maximale negatieve terugkoppeling wordt verkregen met een overeenkomstige minimale vervorming. Laten we de verschillende deelschakelingen eens nader onder de loep nemen.
Specificatie - per kanaal, belasting 8 Ohm | ||
| Voedingsspanning | +/- 18.3V | |
| Ingangsgevoeligheid | -asymmetrisch -symmetrisch | 840mV (16W, 1% THD) 833mV (16W, 1% THD) |
| Ingangsimpedantie | -asymmetrisch -symmetrisch | 38k8 93k6 |
| Uitgangsvermogen, sinus | -0,1% THD -1 % THD | 16W 16,8W |
| Uitgangsvermogen bandbreedte | 1,5 Hz - 275kHz | |
| Stijgsnelheid | 5V/ms | |
| Stijgtijd | 4 ms | |
| Signaal/ruis verhouding | (1W ref.) -106 dB (B=22 Hz - 22kHz lineair/niet gewogen) | 110 dBA |
| Harmonische vorming + ruis | - 0,0005 % (B = 22 kHz, 1 kHz, 1 W) - 0,0009 % (B = 80 kHz, 1 kHz, 1 W) - 0,0004 % (B = 22 kHz, 1 kHz, 8 W) - 0,0005 % (B = 80 kHz, 1 kHz, 8 W) - 0.003 % (B = 80 kHz, 20 kHz, 8 W) | |
| Intermodulatievervorming | -(50Hz : 7kHz = 4:1) | 0,0012%(1W) 0,0015%(8W) |
| Dynamische IM-vervorming | -(3,15 kHz blokgolf + 15 kHz sinus) | 0,0011%(1W) 0,0035%(8W) |
| Dempingsfactor | 194 (1kHz) -111 (20 kHz) | |
| DC-bescherming | +/- 1,5V | |
| Ruststroom | 300 mA | |
De asymmetrische ingang
Deze bestaat simpelweg uit een HF-filter met R1, C1 en een lekweerstand R2 en is direct doorverbonden met de versterkertrap als JP1 in positie 'unbalanced' staat.
De symmetrische ingang
Deze versterker is een innovatief ontwerp dat zeer weinig ruis geeft. De gebruikelijke gebalanceerde ingangstrap met vier weerstanden van 10k en een 5532 heeft veel slechtere ruiseigenschappen dan een eenvoudige asymmetrische ingang en geeft ook meer ruis dan de meeste vermogensversterkers;
de uitgangsruis is ongeveer -104 dBu. Deze symmetrische versterker gebruikt een dubbele symmetrische trap (IC5A, IC5B) die gedeeltelijk zorgt voor het uitdoven van de niet-gecorreleerde ruis van elke versterker, wat een ruisvermindering oplevert van 3 dB en de CMRR verbetert;
de weerstanden zijn ook veel kleiner dan gebruikelijk (820 O in plaats van 10k), waardoor er minder Johnson-ruis is. Dit kan alleen omdat er wordt gestuurd vanuit de unity-gain buffers IC4A en IC4B, waardoor de ingangsimpedanties ook weer veel groter kunnen zijn dan normaal, wat weer voorkomt dat externe apparatuur te veel wordt belast. Ook de CMRR wordt hierdoor verder verbeterd. Het ruisvermogen aan de uitgang is minder dan -112 dBu, 8 dB beter dan met gebruikelijke technieken.
