Levná 4R výkonová umělá zátěž pro audio

Při vývoji či opravách nízkofrekvenčních výkonových zesilovačů, nástrojových zesilovačů, či podobných zařízení je velice často potřeba vést výkon zkoušeného zařízení do umělé zátěže a současně na zařízení měřit. Takto lze zkoumat výkonové limity, chování zesilovače v limitních situacích atd., aniž by hrozilo poškození relativně drahých reproduktorů a současně aniž by to způsobovalo nadměrný hluk. Na zařízení jsem kladla následující požadavky:

• zařízení musí být levné, nebudu pořizovat drahé měřicí zařízení pro příležitostné opravy či vývoj
• zařízení musí být snadno vyrobitelné, což souvisí s předchozím. Složité shánění mechanických dílů, součástek, DPS pochopitelně zvyšuje cenu zařízení.
• vstupní výkon alespoň 50W ideálně dlouhodoběji
• čistě reálná impedance blízká 4Ω samozřejmě v mezích možností a kmitočtovém rozsahu řekněme do 1MHz
• snadné připojení k DUT a snadná skladovatelnost, tj. neměly by z toho v ideálním případě viset žádné kabely či podobné problematické věci
• snadné připojení k měřicím přístrojům jako je osciloskop, DSA atd.
• vyrobitelnost bez neobvyklého nebo drahého vybavení toto je vždycky trochu subjektivní
• konstrukce z běžně dostupných součástek

Návrh vlastní zátěže

Prvním řešením, které patrně napadne každého, je použít nějaký výkonový rezistor. Jenže. Pokud má být bezindukční a ještě k tomu na velký výkon, nastává problém — cena. Navíc takovou věc musíte montovat na chladič, takže vás čeká spousta mechaniky, což zase zvyšuje cenu, takže jsem se rozhodla jít jinou cestou. Použiji velice mnoho paralelně řazených rezistorů, které jsou schopny se při daném výkonu uchladit do okolního prostředí. Tedy žádné chladiče a podobné věci. Pokud začnete shánět rezistory, které se řekněme do nějakých stovek kHz až jednotek MHz chovají bezindukčně, velice rychle zjistíte, že vaším výkonovým limitem jsou 2W. Dělají se i 5W provedení, ale buď vyžadují chladič, nebo jsou alespoň nesmyslně drahé a co hůř, problematicky dostupné, to nechci. Pokud má zátěž snést 50W, pak z toho plyne, že 2W rezistorů musí být minimálně 25. Rozhodla jsem se je řadit paralelně, protože v seriovém řazení bych z nich buď vytvořila topologii ropovod, což z hlediska indukčnosti není ideální, případně se to dá nějakým způsobem seskládat, ale to je ještě horší. Navíc rezistory větších hodnot jsou snáze dostupné než řekněme ty pod 1Ω. Pokud budu uvažovat 25ks pak na 4Ω potřebuji hodnotu 100Ω. Ty se mi v daný moment sehnat nepodařilo, proto jsem se rozhodla pro rezistory 120Ω/2W, které byly skladem, pochopitelně tedy 30ks, čímž se zvýšil vstupní výkon na 60W. Tedy teoreticky, rezistory jsou v nějaké vzdálenosti od sebe, čili těch 60W je spíše krátkodobých.

Návrh interface k měřicím přístrojům

Tady se opět musíte rozhodnout chcete-li pokoušet 1MΩ vstupy, což se vám může šeredně vymstít v případě DSA či spektráku, nebo přímo použijete 50Ω systém, kde nebudou problémy s odrazy na kabelech a půjde to připojit prakticky k čemukoliv, v případě toho 1MΩ vstupu přes 50Ω průchozí terminátor. Potřebujete samozřejmě určitý útlum, 50Ω vstupy osciloskopů obvykle akceptují nanejvýš +27dBm, u jiných přístrojů je to ještě méně, externí 50Ω terminátory obvykle snesou +33dBm. Pochopitelně také potřebujete nějaký příčetný poměr mezi napětím na 50Ω vstupu a napětím na umělé zátěži. +27dBm na 50Ω odpovídá 5Vrms. 60W na 4Ω odpovídá napětí 15.5Vrms. Pokud se nad tím hlouběji zamyslíte, pak 1:10 asi bude ideální poměr napětí. Vedení zatížené na obou koncích 50Ω bude představovat zátěž 25Ω, čili na vstupu děliče musí být 250Ω. To je vzhledem k 4Ω zátěže docela hodně, takže odtud problémy nehrozí. Zbývá tedy vymyslet z čeho vyrobit rezistor 225Ω. První, co vás napadne, je 25Ω v podobě dvou 50Ω rezistorů paralelně, a do serie s tím 200Ω, neboli dva 100Ω rezistory v serii. V kritickém případě to tedy dokážete poskládat i ze 100Ω rezistorů, ale já mám raději ty rezistory paralelně, parazitní indukčnosti se totiž potom také řadí paralelně, čili se zmenšují namísto toho aby se zvětšovaly seriovým řazením. Budeme tedy potřebovat paralelně zhruba 450Ω, v řadě je 470Ω. Dva paralelně řazené 470Ω mají odpor 235Ω což je pořád ještě moc. Kolik musím paralelně přidat k 235Ω abych se dostala na 225Ω? Jednoduchý výpočet — 5287.5Ω. No, v řadě máme 5k6, to je sice trochu více, ale nemusela by to být tragedie, zkusíme tedy paralelně dva 470Ω a jeden 5k6Ω. Ano, dostaneme 225.535Ω což představuje chybu menší než 0.3%. Vzhledem k přesnosti osciloskopu, použitých rezistorů, jejich oteplení výkonem mařeným na výkonové zátěži v jejich blízkosti atd. takto malou chybu nemá smysl řešit. Pokud vám to trhá žíly, můžete to zkusit vyřešit nějak jinak, ale pro moje použití je to takto dostačující.

Připojení k DUT

Nad tímto jsem dlouho přemýšlela, ale nakonec jsem se rozhodla pro svorkovnice do DPS. Zesilovače bývají zakončeny vším možným, čili kabel zakončený dutinkami, které se přišroubují k zátěži, mi připadal jako nejlepší řešení. Jejich zdvojení je užito čistě pro případ, že by signál měl ještě někam dál pokračovat, případně pro situace, kdy si něco testuje biwiring či podobné zrůdnosti, člověk nikdy neví.

Mechanika

S tímto jsem se trápila asi nejvíce, ale nakonec jsem se rozhodla pro dva cuprextitové čtverce s rezistory umístěnými mezi nimi. Tímto se stane každá z měděných stran vodičem pro jeden z pólů zátěže, tudíž nemusíte řešit žádný obrazec plošných spojů, prostě jen vyvrtáte díry. Pokud se ptáte nedala-li by se použít měděná deska, pak ano, dala. Ale pokud ji uděláte dostatečně tlustou na to, aby to celé mechanicky drželo, nechci vidět jak do toho pájíte ty rezistory. On už ten cuprextit byl celkem k zešílení a vyžadovalo to výkon. Rezistory jsem se rozhodla rozmístit v soustředných kruzích tak, aby se střídaly trojice a dvojice navzájem rozposunuté. Tím se vytvoří kolem každého rezistoru dostatek místa.

Připojení DUT bylo dalším problémem. Zapájet svorkovnici do cuprextitu pochopitelně není problém, ale pokud se mají pájet rezistory zvenku, pak svorkovnice bude směřovat dovnitř a tam se nedostanete k jejím šroubům. Řešení je ale překvapivě jednoduché, naproti svorkovnici vyvrtáte v protilehlé desce díru. Ano, můžete vyfrézovat hranatý otvor, asi by to bylo i lepší, ale vyvrtat velkou díru stromkovým vrtákem je prostě snadnější.

Zbývá 50Ω výstup, ale to je překvapivě jednoduché. Rozhodla jsem se ho umístit do středu desky. Na zemní desku se dotáhne BNC zásuvka, čímž se připojí stíněním k desce, no a symetricky vedle zásuvky se zapájí dva 100Ω rezistory. Ty budou tvořit část mezi středem BNC a zemí. Krom toho to středního vedení BNC zapájíte ještě trojici paralelních rezistorů, které si připravíte tak, že dva 470Ω rezistory položíte paralelně k 5k6 a vývody těch 470Ω těsně ovinete kolem vývodů 5k6 a celé to důkladně prolejete cínem. Pokud máte takový nápad, že na druhé desce vlastně máte v lajně tři otvory a že tím tedy prostřčíte tři rezistory, velice rychle na to zapomeňte, protože pokud to uděláte, několikrát se za to proklejete při konečném sestavování zátěže. Doporučuji ty díry na signálové desce ideálně vůbec nevrtat, vrtat jen jednu uprostřed, pochopitelně ne na průměr BNC zásuvky, ale na průměr vývodu rezistoru. To je jediný rozdíl mezi těmi dvěma deskami. BNC zásuvku důkladně dotáněte trubkovým klíčem, potom zapájejte dvojici 100Ω rezistorů do zemní desky, opačné vývody vložte do středního vývodu BNC a přidejte trojičku paralelních rezistorů a celé to zapájejte. Jakmile totiž začnete osazovat výkonové rezistory, už se sem nedostanete.

¡POZOR! Obrázek není předlohou! Použijte PDF nebo výkres aby vytisknutá předloha byla v odpovídajícím měřítku.

Realizace

V předcházející kapitole jsem trochu předbíhala událostem, ale nepřipadalo mi účelné vysvětlovat mechanickou část opakovaně na dvou místech. Čili začínáte ustřižením dvou cuprextitových čtverců. Pokud nemáte tabulové nůžky, doporučuji uhlodat dva kusy o trochu větší než budou výsledné čtverce. Poté dvojmo vytisknete přiloženou vrtací předlohu a přilepíte ji (já používám oboustrannou izolepu) na cuprextit. Ten je pochopitelně potřeba krapet vyčistit aby to vůbec chytilo. Poté podle vrtací předlohy obstříhnete cuprextitové čtverce nůžkami na plech. Pokud máte čtverce ustřižené tabulovými nůžkami přesně, vypusťte tuto šílenou část a vrtací předlohy prostě na desky přilepte. Každopádne nyni bude následovat velké vrtání. Vrtačka na plošné spoje a odpovídající vrtáky, jinak to nejde. Děr je řekněme nemálo. Desky jsou v podstatě stejné až na detail. Na zemní straně vyvrtáte uprostřed otvor pro BNC zásuvku, čili budete vrtat na průměr 9mm (ano, lichý stromek se výborně shání, já vyvrtala ø8mm sudým stromkem a roztáhla to průběžným kuželem z obou stran desky na 9mm, pokud máte palcový stromek, vrtejte ⅜", já ho tehdy neměla), kdežto na signálové desce budete na stejném místě vrtat díru pouze na vývod ¼W rezistoru, tedy 0.8mm. Na zemní desce budete také vrtat dvě symetrické díry kolem BNC zásuvky, kdežto na signálové desce je vrtat nebudete. Zbytek je na obou deskách identický a je naznačen na vrtací předloze.

Po vrtání odstraňte vrtací předlohu, odjehlete větší díry a desky důkladně přebrušte a následně vyčistěte. Je prakticky nemožné nějak konvenčně odjehlit díry pod 2mm, čili v nich protočte špičku zalamovacího nože, to odstraní většinu, zbytek odstraňte prostým přebroušením. Důkladným přebroušením. Zvláště měděný povrch musí být rovný, bez zvednuté mědi na okrajích děr, pochopitelně nesmíte sundat tu měď, ono jí tam není nějak moc. Zvednutá měď na okraji děr prakticky znemožňuje pájení vývodu součástky dírou protaženého. Pokud tuto část podceníte, zakládáte si na velké problémy v budoucnu.

Osazování začněte od BNC a součástek útlumového členu, tedy R31 až R35, viz popis výše, avšak pouze na straně zemní desky. Následně vložte všechny rezistory do zemní desky a napasujte na ní signálovou desku. Desky jsou vždy vodivou stranou zvenku, aby bylo možno zapájet součástky. Nebude to snadné, budete potřebovat dlouhou a spolehlivou pinzetu a uvědomte si, že jsou čtyři podobně vypadající vzájemné polohy signálové a zemní desky, ale jen jedna je správná, ta, kde stojí velká 12mm díra naproti dvěma dírám pro vývody svorkovnice do DPS. Pokud tato podmínka nebude splněna, nedostanete se k šroubům svorkovnice a tím pádem bude celá věc tak nějak k ničemu. Pokud by se vám to náhodou stalo a zjistili jste to už se zapájenými rezistory v obou deskách, nezbude vám než namísto svorkovnic osadit kabely, ale je to z hlediska skladování nedobré řešení, takže se to snažte udělat správně, ideálně na první pokus.

Začnete tím, že čtyři rezistory nejblíže středu každé ze stran čtverce zapájíte s nějakým (těch 8mm je ideál, ale můžete dát více) odstupem od zemní desky. Pájíte na straně zemní desky, obě desky jsou kolmo na pracovní desku stolu, která musí být vodorovná. Toto důkladně zkontrolujte, máte poslední možnost jak relativně snadno napravit případnou nepřesnost, obě desky prostě musí být kolmo k desce stolu. Poté překlopíte celé zařízení signálovou deskou dolů a tuto podložíte tak, aby všechny vývody rezistorů zůstaly ve vzduchu a nedotýkaly se desky stolu. Ideální je použít držák na osazování DPS s tím, že do něj upnete signálovou desku. Rezistory vlastní vahou napadají na signálovou desku, případně jim budete muset trochu pomoci. Současně se zemní deska opře o čtyři již zapájené rezistory, čímž se vyrovná paralelně k signálové. Zkontrolujte, že desky jsou paralelně a rezistory jsou v zákrytu. Pokud je vše v pořádku, zapájejte rezistory ze strany zemní desky a odstříhejte jejich přebytečné vývody. Vývody stříháme stranovými kleštěmi tak, aby jejich rovná strana přiléhala k desce, protože na této straně stranové kleště udělají rovný střih. Na té opačné zůstává deformovaná špička, ale to nám nevadí, protože odstřižek vývodu zahazujeme. Nyni nechejte zařízení důkladně vychladnout, zbrklost se nevyplácí. Opět jej postavte deskami kolmo na desku pracovního stolu a odsuňte signálovou desku o 8mm (nebo o tu vzdálenost, kterou jste si zvolili dříve), čímž se rezistory nyni již v zákrytu současně vyrovnají na střed mezi deskami. Toto opakovaně kontrolujte stejně jako kolmost desek vůči desce stolu a současně jejich vzájemnou paralelnost. Zapájejte vývody čtyřech rezistorů, které jsou nejblíže středům čtyřech stran čtverce a znovu zkontrolujte, že rezistory jsou vyrovnané na střed mezi deskami, desky jsou v zákrytu a navzájem paralelní. Doporučuji zapájet nejprve jeden vývod, což ještě dává možnost s deskami celkem volně pohybovat a vše správně vyrovnat, poté se zapájí vývod nejblíže středu sousední (tj. nikoliv protilehlé) strany. To ponechá volný jeden z vrcholů čtverce, což vám opět umožní desky částečně ustavit. Nakonec zapájíte zbývající dva vývody, zařízení upnete za zemní desku a zapájíte všechny vývody vedoucí do signálové desky a výše popsaným způsobem odstříháte jejich přebytky. Nakonec zapájíte dvojici svorkovnic do DPS a jste hotovi.

Pokud máte alespoň dvojici adjustable parallels (buď to nemá český název, nebo ho neznám, soryjako, stejně to v ČR nikde nekoupíte) můžete si velice ušetřit práci. Nejprve pustíte desky na sebe čímž gravitačně sevřou rezistory a vy změříte jejich vzdálenost. Tu navýšíte o 8mm (nebo nějakou jinou vhodně zvolenou hodnotu) a toto nastavíte na adjustable parallels, které vložíte mezi desky. Spodní desku upnete tak, aby byla vodorovně a vývody rezistorů byly spolehlivě ve vzduchu. Rezistory vlastní vahou napadají na spodní desku, ta horní je díky adjustable parallels zvednutá o 8mm nad ně, no a v této situaci je do horní desky zapájíte. Pak na adjustable parallels přidáte dalších 8mm (nebo co jste si zvolili), celé to otočíte vzhůru nohama, rezistory se tímto dostanou doprostřed mezi desky a vy je zapájíte z druhé strany. Je to výrazně snadnější, ale musíte mít adjustable parallels, což v ČR většinou nemáte, neb tady málokdo ví, že něco takového existuje. Pochopitelně můžete namísto toho udělat nějaké vzpěry, ale upřímně řečeno, to už bude pracnější než první postup. Pokud byste dělali několik kusů zátěže, patrně by se ty vzpěry už vyplatily. Já ale tiše předpokládám, že budete dělat jeden kus.

Rezistory pájejte zásadně PbFree pájkou, ideálně s mírným přídavkem stříbra (zvyšuje teplotu tání). Definitivně se vyhněte nízkotavitelným pájkám a eutektické slitině olova s cínem, taje to na tak nízkých teplotách, že hrozí, že by se rezistory při provozu z desky samovolně vypájely a celé by se to rozpadlo. Pájení provádějte comožná nejtlustším hrotem (já používám zkosený typ minivlna), protože jen tak dosáhnete maximálního přenosu tepla z hrotu do spoje, což vzhledem k obrovské měděné ploše obou desek potřebujete. Udržujte správnou teplotu. Nezáleží na čísle, které indikuje pájecí stanice, podstatné je chování taveniny. Bezolovnaté pájky mají teplotu nejlepšího rozlití, která by se neměla příliš překračovat. Pokud je teplota menší, pájka se rozlévá neochotně (čím menší teplota, tím neochotněji se rozlévá), což tady definitivně nepotřebujeme (ovšem při pájení v bastltisku je to obrovská výhoda a dokáže to usnadnit práci). Příliš vysoká teplota znamená matné až šedé spoje, které se obvykle brzy rozpadnou. Správně provedený spoj bezolovnatou pájkou je lesklý, pokud spoj není lesklý, máte buď špatnou teplotu, nebo znečistěný hrot. Udržujte odděleně hroty pro použití s bezolovnatými pájkami od hrotů používaných s ostatními slitinami. Pokud použijete hrot na pájení eutektickou slitinou cínu a olova, nebo nějakou bismutovou směskou, už jej nikdy nepoužívejte na pájení bezolovnatými pájkami, obdobně nepoužívejte všeliké obnovovače hrotů a podobné zázraky, tedy pokud nejsou explicitně určeny pro použití v prostředí bezolovnatého pájení. Čistota je tady začátek a konec dobrých výsledku.

Dosažené výsledky

Zařízení pracuje podle očekávání. Zhotovení je sice trochu časově náročnější, ale přesto se jedná o konstrukci zvládnutelnou „za večer“. Největším problémem je odpadní teplo, které dokáže nemálo rozpálit celé zařízení, tedy i BNC zásuvku a k ní přivedený kabel, rozhodně nepoužívejte metrologic grade kabely. Jednak to v tomto případě není nutné, je to jen audio, navíc by hrozilo jejich poškození teplem. RG-58 je ideální. Dále je třeba upozornit na spojení mezi stíněním/zemí BNC a zemní svorkou zátěže. To znamená, že musíte hlídat polaritu při připojování zátěže (přesněji řečeno kde máte zem), navíc to může představovat vážný problém u můstkových zesilovačů, kde na výstupu zem není nikde a tudíž nezbývá než použít diferenciální sondu, pochopitelně se všemi důsledky. Samotnou zátěž pochopitelně použít můžete, jen nesmíte použít ten BNC výstup.