Tämä on jatko-osa noin 15 vuotta sitten aloittamalleni PPA kuulokevahvistimen rakennusprojektille. Edellisessä bloggauksessa kirjoitin vahvistimen akkulaturin lataussäätimen korjaamisesta. Tuon korjaaminen osoittautuikin varsin kinkkiseksi, sillä kapasitiivisen kytkeytymisen aiheuttaman toimintahäiriön keksiminen otti aikansa.
Kuulokevahvistimen korjaus sitä vastoin ei vaatinut kuin kourallisen uusia osia, ja se lähti toimimaan ilman ongelmia. 15 vuotta kului muiden kiireiden parissa, ei korjauksen vaikeudesta vaan silkasta laiskuudesta. Korjausnäkökulmasta tästä jutusta tulee varsin kuiva, mutta kyllähän sitä aina jotain jutunjuurta saa aikaan – joten jatka lukemista.
Korjaaminen
Toimimattomuuden syytä en lähtenyt osa kerrallaan selvittämään, vaan irrotin kerralla kaikki fetit ja transistorit (uuden tinaimurin innoittamana). Tämän jälkeen osatyyppi kerrallaan laitoin osat paikalleen, lukuun ottamatta Q1 ja Q2, jotka lisäsin vasta toiminnan varmistamisen jälkeen.
Seuraavat osat kokivat muutoksia remontin yhteydessä:
3kpl Q4: 2N5486 (N) => PN4392 (N)
9kpl Q21-23: 2N3906 (PNP) => 2N5087 (PNP)
9kpl Q31-33: 2N3906 (PNP) => 2N5088 (NPN)
1kpl C6: Mitoitus sama (10pF), mutta laadukkaampi tilalle
2kpl C7: Mitoitus sama (0,05uF), mutta laadukkaampi tilalle
2kpl R7: 10 kohm => pois
1kpl ZNR: 11V => 9,1V (1N5239)
Tarkkasilmäisimmät varmasti jo löysivätkin syyn toimimattomuudelle. Q31-33 olivat PNP tyyppiset, kun niiden olisi pitänyt olla NPN. Tämä luonnollisesti halvautti kaikkien kanavien toiminnan. Vaikka Q4 sekä Q21-23 olivatkin erimalliset, ne olisivat todennäköisesti toimineet hyvin (korvaava osa). Vaihdoin nämäkin osat suunnittelijan suosittelemiin malleihin, koska niiden pitäisi antaa paras äänenlaatu.
Kun luin ohjepumaskaa läpi, siellä mainittiin audiolinjan kondensaattorien laadussa. Tämän myötä hankin paremmat osat C6 ja C7 tilalle. Tosin C7 valinnassa kävi sikäli köpelösti, että fyysisesti tuo osa on ihan mahdottoman kokoinen. Alla kuva alkuperäisen ja uuden kondensaattorin kokoerosta (vanha uuden päällä). C7 mitoitus vaikuttaa bassovahvistuksen suuruuteen, puolivälin (0,05 uF) mitoitus (rajat 0,01-0,1 uF) tuntuu olevan varsin passeli. Kuulokkeisiin tulee bassoa täydessä potentiometrin asennossa vähintäänkin riittävästi. Pääasia, että säätöalue on järkevä.
Poistin vastuksen R7, sillä se on kiinteä vaihtoehto basson tasolle. Basson säätö potentiometrillä toimi rinnakkaisella vastuksellakin, mutta säädöstä tulee tällöin varsin epälineaarinen, jonka lisäksi potentiometrin alue rajautuu vain reiluun 8 kohm (vastusten rinnankytkentä 10 ja 50 kohm), jolloin vahvistus jää varsin olemattomaksi. Yllä olevassa kuvassa näkyvä oranssi/valkoinen johto on tärkeä, sillä tämä kytkee basso buusti potentiometrin oikeaan kanavaan. Alun perin kokoamassani ainoastaan vasemman kanavan säätö toimi tämän johdon puuttumisen seurauksena.
Laskin ZNR:n jännitettä, sillä alkuperäisellä versiolla vahvistimen LED sammui turhan aikaisin lataamistarpeen merkiksi. Nyt LED lähtee himmenemään, kun akkujen jännite navoilta mitattuna on noin 14V ja on täysin pimeänä jännitteen laskiessa 11,5V:iin (0,95V/kenno). NiMH akku on tyhjä, kun kennojännite on 0,9V.
Sopivaa rajaa etsiessä tulee huomioida, että akun jälkeen on yksi diodi, joka laskee lähtöjännitettä. Tämän takia vahvistimen akku liitännästä tehty valon tuunaustestit säädettävällä virtalähteellä eivät ole paikkansapitäviä, vaan vaikuttaa että akku menee liian tyhjäksi ennen valon sammumista. Vahvistimen poweri -liitännässä sitä vastoin on vastaava diodi, joten se on parempi paikka jänniterajojen etsimiseksi.
Viimeisenä asiana ennen säätöjen tekemistä oli hurinan poistaminen. Aina kun potentiometreihin tai koteloon koski, tuli kaikenlaisia häiriöääniä. Tämän saa korjattua ohjeessa kerrotun potentiometrien maadoittamisen avulla.
Potentiometrissä itsessään ei ole maadoituspistettä, vaan johto pitää juottaa yhteen potentiometrin kasassa pitävistä ruuveista. Ruuvi kannattaa irrottaa ja lisätä päähän juottotahnaa tinan tarttumisen parantamiseksi. Tämän jälkeen tein tinaan pienen viilloin, jotta sain ruuvin ruuvattua takaisin paikalleen. Lopuksi johdon tinaaminen kiinni ruuvin kantaan, sekä lähimpään maapisteeseen levyllä. Hurinat ja poksahtelut katosivat kuin taikaiskusta.
Muut huomiot ja viilailut
Kytkimen S2 olisi voinut jättää pois, sillä en havainnut korvin kuultavaa eroa bassovahvistuksessa, kun potentiometri on nollissa (resistanssi ~0 ohm) tai kun piiri on ohitettuna (0 ohm). Mutta koska kytkin on kotelossa, niin asialle ei voi mitään.
Toinen asia mikä jäi mietityttämään, oli virtakytkimen sijoittaminen laitteen taakse. Sen olisi voinut sijoittaa laitteen naamatauluun. Koska bassokytkin oli asennettuna, olisi kotelon sisälle tullut kasa ristiin rastiin risteileviä johtoja. Tämä oli syy, jonka takia jätin virtakytkimen taakse.
Mutta, ehkä se kaikkein järkevin toteutus olisi kuitenkin ollut sijoittaa kuulokeliitäntä etupaneeliin. Alumiinin värisiä päätylevyjä myydään ainoastaan 10-pakkauksia, eri sävyisiä (punainen, sininen, keltainen jne.) saa myös 2-pakettina. Ehkä laturinkin liittimien sijoittelua ja tarpeellisuutta voisi joskus tulevaisuudessa miettiä, tosin yli jäisi vielä 6 levyä…
Säädöt
Riippuen vahvistimen toteutustavasta, säätöjä on joko yksi tai kaksi (per kanava). Vaikka kyse on kaksikanavaisesta vahvistimesta, on kanavia todellisuudessa kolme. Kolmas on molemmille kanaville yhteinen maa -kanava. Kaikkiin kolmeen kanavaan säädetään samat asetukset.
Lähtöasteen bias-virran säätö
Lähtöasteen bias säädetään molemmissa toteutustavoissa (oli operaatiovahvistimen toiminta muutettu A-luokaksi tai ei). Oletusavo on 20mA, mutta sitä voi säätää 10-30mA välillä. Myös 40mA on mahdollinen, mutta mitä korkeampi virta, sitä suurempi tehonkulutus ja vahvistimen lämpeneminen. Toisaalta mittausten mukaan yli 30mA virta ei tuo hyötyjä.
Bias virran kasvattaminen pienentää signaalin säröä, mutta vastaavasti se kasvattaa tehonkulutusta ja lämmöntuottoa. Äänenlaadullisesti parhaan tuloksen saa tekijän mittausten perusteella 30mA virralla.
Bias asetuksella on vaikutusta tehonkulutukseen sekä lämpenemiseen. Alla oleva taulukko on tehty 14,5V akkujännitteellä. Virrankulutus ei muuttunut, vaikka tulojännite vaihteli 11-24V välillä. Mittaushetkellä huoneessa oli 27C. Lämpötila on mitattu pinta-anturilla transistorin metallipinnasta.
| Bias | Lämpötila | Ottovirta | Akkukesto 2500mAh akustolla (arvio) |
|---|---|---|---|
| 10 mA | 32 C | 60 mA | 42,5 h |
| 20 mA | 40 C | 100 mA | 25,0 h |
| 30 mA | 48 C | 150 mA | 16,5 h |
Listasin yllä olevaan taulukkoon myös laskennalliset akkukestot eri bias virroilla (2500mAh akuilla). Ei ole ihme, että suunnittelija suosittelee akkukäyttöiseen 10mA bias virtaa, sillä tällä saavuttaa varsin hyvät kuuntelutuntimäärät äänenlaadun suuremmin kärsimättä. Koska en huomannut mitään eroa 10mA ja 30mA välillä, päädyin akkukäyttöisessä kultaiseen keskitiehen, eli 20mA bias virtaan – joka on myös suunnittelijan lähtökohta asetus.
Täydellisyyteen bias virran säätämisessä ei kannata, sillä se on tekemätön tehtävä. Syynä tähän on transistorin lämpötilan vaikutus, transistorien keskinäiset erot (pitäisi parittaa) sekä vastusten resistanssierot. Tästä syystä, kun bias virtaa säätää, kannattaa se tehdä aina samoja vastuksia käyttäen (käytin säädössä transistorin Q24 puoleisia vastuksia, kuva yllä).
Alla säädön jälkeiset tulokset:
| Vasen | Maa | Oikea | |
|---|---|---|---|
| 34 (vasen) | 41,2 mV | 44,3 mV | 41,5 mV |
| 24 (oikea) | 44,0 mV | 43,8 mV | 44,0 mV |
Kannattaa huomata, että päätevastusten mitoitus vaikuttaa virranlaskentaan. Toisin sanoen 2,2 ohm vastuksilla 22mV jännitepudotus vastaa 10mA bias virtaa, mutta jollain toisella vastuskoolla sama virta saadaan eri jännitteellä.
Operaatiovahvistimen bias-virran säätö
Mikäli vahvistimen operaatiovahvistimen rakensi toimimaan A-luokassa, lisättiin kytkentään fetit Q1 ja Q2, vastus sekä trimmeri. Samalla mukana tuli toinen säädettävä asia, operaatiovahvistimen bias-virta.
Tämän säätäminen on tavallaan helpompaa, koska säädön jälkeen se ei juoksentele minne sattuu. Jännite pysyy vakaana säädetyssä pisteessä. Ainoa hankaluus on varsin ahdas väli, josta mittaus pitää suorittaa, vastuksen R9 yli (kuva alla).
Jälleen kerran tämänkin säätöarvo riippuu valitusta vastuksesta. Mikäli R9 on jotain muuta kuin 1 kohm, on jännitekin jotain muuta kuin tässä esitetty. Suunnittelija suosittelee aloittamaan 1mA bias-virralla, joka saadaan aikaan 1V jännitteellä vastuksen R9 yli. Suunnittelija kannustaa kokeilemaan myös muita arvoja, mutta en huomannut eroa. En, vaikka ihan aluksi nuo säädöt olivat missä sattuu (2.5mA (vasen), 0.6mA (maa) ja 0.6mA (oikea)). Tästä huolimatta vahvistin toimi hyvin 🙂 Jätin asetuksen siis 1mA:iin, sen suurempia kokeilematta.
Kustannukset
Vuodet ovat vierineet ja niin ovat hinnatkin. Minulla ei ole enää missään alkuperäisten osien hintoja tallella, mutta tein uuden listan osista vuoden 2023 hinnoilla – pääasiassa DigiKey.fi, sekä Mouser.fi hintoja käyttäen. Vahvistimelle koteloineen tulee hintaa noin 315e.
Mikäli satuit kiinnostumaan tällaisesta projektista, niin piirilevyn joudut teettämään tai tekemään itse, sillä niitä ei enää saa. Osat saa sentään ilman toimituskuluja, kun tilauserän suuruus on vähintään 50e. Mouserin hinnat sisältävät ALV:n, kun DigiKeyn hinnat taas eivät => laskin puuttuvan ALV:n mukaan.
Lopputulema
Eli noin 350e:llä saa rakenneltua kuulokevahvistimen, mutta onko se hyvä? Vertailukohtaa minulla ei ole, mutta ei tämä missään nimessä huono ole.
Toimii vahvistimena kuten pitää, ilman häiriöääniä tai muutenkaan sävyttämättä ääntä. Kun volumet kääntää maksimiin, en huomaa vahvistinkohinan kasvua – se puuttuu täysin. Tämä on ainakin yksi merkki vahvistimen laadusta.
Lisäksi nyt ei tule vastaan ongelmaksi kuulokkeiden impedanssi (Beyerdynamics DT 770 PRO 250 ohm) minkään laitteen kanssa. Jos jonkun laitteen pitäisi tulla päivittäiseen käyttöön, niin tämän ehdottomasti. Ja todennäköisesti vahvistinta tuleekin käytettyä jatkossa ahkerasti.
Jos 350e kuulostaa paljolta, niin onhan se paljon rahaa kasasta komponentteja, jotka pitää vielä itse kasata. Toisaalta voidaan ajatella, että rahat on panostettu laadukkaisiin osiin, toisin kuin valmiissa, jossa mukana on myyjän ja valmistajan katteet, sekä suunnittelu- ja kokoonpanokustannukset. Lisäksi jos pitää rakentelusta ja musiikin kuuntelusta, niin tämä on varsin mukava projekti. Jos osat laittaa oikeinpäin ja oikeisiin paikkoihin, niin vaikein vaihe juottamisessa on operaatiovahvistimien kolvaaminen adapterilevylle, jolla SOIC koteloinen pintaliitoskomponentti saadaan DIP-8 kantaan sopivaksi.
Pikaisella googletuksella kuulokevahvistimia saa alkaen 30e, kalleimmillaan hinnan noustessa 5900e:oon. Tokihan nuo ovat keskenään täysin eri laitteita, vaikka samaa asiaa toteuttavatkin. Itse koottu sijoittuu hinnaltaan korkeintaan keskikastiin. Itsetehdyn ulkonäöstä voi olla montaa mieltä, mutta ainakin se tällaisen harrastepöydän / elektroniikka korjauspisteen habitukseen sopii hyvin 🙂
Olen tyytyväinen lopputulokseen ja siihen, että sain vahvistimen valmiiksi näin 15 vuoden jälkeen. Nuo uudet Beyerdynamicsin kuulokkeet ovat olleet kovassa käytössä, joiden tyytyväinen uusi omistaja viimeiset 2 viikkoa olen ollut. Kuulokkeiden hankkiminen oli yksi syy saada vahvistin toimimaan – sillä pelkona oli, että jaksaisiko monikaan laite syöttää näitä. No jaksaa ne pääsääntöisesti varsin hyvin, vaikka volumen saakin monesti kääntää täysille tai melkein täysille sopivan kuunteluvoimakkuuden saavuttamiseksi.
Rakentaisinko kokemusten perusteella uudestaan? Ehdottomasti. Entä jos saisin koe kuunnella vahvistinta jonkin toisen vahvistimen rinnalla, jonka hinta olisi 100e ja ääni olisi yhtä hyvä. Todennäköisesti en. Mutta löytyykö yhtä hyvää 100e hintaista vahvistinta, tai ylipäätään samantasoita 350e hintaan? Olisi kiva tietää.