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Grounding and practical matters

The internal space in the enclosure will require some ventilation to prevent
heat build-up; slots or small holes are desirable to keep foreign bodies out.
Avoid openings on the top surface as these will allow the entry of spilled
liquids, and increase dust entry. BS415 is a good starting point for this sort
of safety consideration, and this specifies that slots should be no more than
3 mm wide.

Reservoir  electrolytics,  unlike  most  capacitors,  suffer  significant  internal
heating due to ripple current. Electrolytic capacitor life is very sensitive to
temperature,  so  mount  them  in  the  coolest  position  available,  and  if
possible  leave  room  for  air  to  circulate  between  them  to  minimise  the
temperature rise.

Convection cooling

It  is  important  to  realise  that  the  buoyancy  forces  that  drive  natural
convection  are  very  small,  and  even  small  obstructions  to  flow  can
seriously reduce the rate of flow, and hence the cooling. If ventilation is by
slots in the top and bottom of an amplifier case, then the air must be drawn
under the unit, and then execute a sharp right-angle turn to go up through
the bottom slots. This change of direction is a major impediment to air flow,
and if you are planning to lose a lot of heat then it feeds into the design of
something so humble as the feet the unit stands on; the higher the better, for
air flow. In one instance the amplifier feet were made 13 mm taller and all
the internal amplifier temperatures dropped by 5°C. Standing such a unit
on a thick-pile carpet can be a really bad idea, but someone is bound to do
it (and then drop their coat on top of it); hence the need for overtemperature
cutouts if amplifiers are to be fully protected.

Mains transformers

A  toroidal  transformer  is  useful  because  of  its  low  external  field.  It  must
be mounted so that it can be rotated to minimise the effect of what stray
fields  it  does  emit.  Most  suitable  toroids  have  single-strand  secondary
lead-outs, which are too stiff to allow rotation; these can be cut short and
connected  to  suitably-large  flexible  wire  such  as  32/02,  with  carefully
sleeved  and  insulated  joints.  One  prototype  amplifier  I  have  built  had  a
sizeable  toroid  mounted  immediately  adjacent  to  the  TO3  end  of  the
amplifier  PCB;  however  complete  cancellation  of  magnetic  hum  (hum
and  ripple  output  level  below  –90 dBu)  was  possible  on  rotation  of  the
transformer.

A  more  difficult  problem  is  magnetic  radiation  caused  by  the  reservoir
charging  pulses  (as  opposed  to  the  ordinary  magnetisation  of  the  core,
which  would  be  essentially  the  same  if  the  load  current  was  sinusoidal)
which can be picked up by either the output connections or cabling to the

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Audio Power Amplifier Design Handbook

power  transistors  if  these  are  mounted  off-board.  For  this  reason  the
transformer should be kept physically as far away as possible from even the
high-current section of the amplifier PCB.

As usual with toroids, ensure the bolt through the middle cannot form a
shorted turn by contacting the chassis in two places.

Wiring layout

There  are  several  important  points  about  the  wiring  for  any  power
amplifier:

!

Keep the + and – HT supply wires to the amplifiers close together. This
minimises  the  generation  of  distorted  magnetic  fields  which  may
otherwise couple into the signal wiring and degrade linearity. Sometimes
it seems more effective to include the 0 V line in this cable run; if so it
should be tightly braided to keep the wires in close proximity. For the
same  reason,  if  the  power  transistors  are  mounted  off  the  PCB,  the
cabling  to  each  device  should  be  configured  to  minimise  loop
formation.

!

The  rectifier  connections  should  go  direct  to  the  reservoir  capacitor
terminals, and then away again to the amplifiers. Common impedance
in  these  connections  superimposes  charging  pulses  on  the  rail  ripple
waveform, which may degrade amplifier PSRR.

!

Do not use the actual connection between the two reservoir capacitors
as any form of star point. It carries heavy capacitor-charging pulses that
generate a significant voltage drop even if thick wire is used. As Figure
14.1 shows, the star-point is tee-ed off from this connection. This is a
star-point only insofar as the amplifier ground connections split off from
here, so do not connect the input grounds to it, as distortion performance
will suffer.

Semiconductor installation

!

Driver transistor installation. These are usually mounted onto separate
heatsinks  that  are  light  enough  to  be  soldered  into  the  PCB  without
further  fixing.  Silicone  thermal  washers  ensure  good  thermal  contact,
and  spring  clips  are  used  to  hold  the  package  firmly  against  the  sink.
Electrical  isolation  between  device  and  heatsink  is  not  normally
essential,  as  the  PCB  need  not  make  any  connection  to  the  heatsink
fixing pads.

!

TO3P power transistor installation. These large flat plastic devices are
usually mounted on to the main heatsink with spring clips, which are not
only are rapid to install, but also generate less mechanical stress in the
package than bolting the device down by its mounting hole. They also
give a more uniform pressure onto the thermal washer material.

416

Grounding and practical matters

!

TO3  power  transistor  installation.  The  TO3  package  is  extremely
efficient at heat transfer, but notably more awkward to mount.

My preference is for TO3s to be mounted on an aluminium thermal-coupler
which is bolted against the component side of the PCB. The TO3 pins may
then be soldered directly on the PCB solder side. The thermal-coupler is
drilled with suitable holes to allow M3.5 fixing bolts to pass through the
TO3 flange holes, through the flange, and then be secured on the other side
of the PCB by nuts and crinkle washers which will ensure good contact
with the PCB mounting pads. For reliability the crinkle washers must cut
through  the  solder-tinning  into  the  underlying  copper;  a  solder  contact
alone will creep under pressure and the contact force decay over time.

Insulating  sleeves  are  essential  around  the  fixing  bolts  where  they  pass
through the thermal-coupler; nylon is a good material for these as it has a
good  high-temperature  capability.  Depending  on  the  size  of  the  holes
drilled  in  the  thermal-coupler  for  the  two  TO3  package  pins  (and  this
should be as small as practicable to maximise the area for heat transfer),
these are also likely to require insulation; silicone rubber sleeving carefully
cut to length is very suitable.

An insulating thermal washer must be used between TO3 and flange; these
tend to be delicate and the bolts must not be over-tightened. If you have a
torque-wrench, then 10 Newton/metre is an approximate upper limit for
M3.5 fixing bolts. Do not solder the two transistor pins to the PCB until the
TO3 is firmly and correctly mounted, fully bolted down, and checked for
electrical  isolation  from  the  heatsink.  Soldering  these  pins  and  then
tightening the fixing bolts is likely to force the pads from the PCB. If this
should happen then it is quite in order to repair the relevant track or pad
with a small length of stranded wire to the pin; 7/02 size is suitable for a
very short run.

Alternatively,  TO3s  can  be  mounted  off-PCB  (e.g.  if  you  already  have  a
large heatsink with TO3 drillings) with wires taken from the TO3 pads on
the  PCB  to  the  remote  devices.  These  wires  should  be  fastened  together
(two bunches of three is fine) to prevent loop formation; see above. I cannot
give a maximum safe length for such cabling, but certainly 8 inches causes
no HF stability problems is my experience. The emitter and collector wires
should be substantial, e.g. 32/02, but the base connections can be as thin
as 7/02.

417

15

Testing and safety

Testing and fault-finding

Testing power amplifiers for correct operation is relatively easy; faultfinding
them when something is wrong is not. I have been professionally engaged
with power amplifiers for a long time, and I must admit I still sometimes
find it to be a difficult and frustrating business.

There  are  several  reasons  for  this.  Firstly,  almost  all  small-signal  audio
stages are IC-based, so the only part of the circuit likely to fail can be swiftly
replaced, so long as the IC is socketed. A power amplifier is the only place
where you are likely to encounter a large number of components all in one
big negative feedback loop. The failure of any components may (if you are
lucky) simply jam the amplifier output hard against one of the rails, or (if
you’re not) cause simultaneous failure of all the output devices, possibly
with a domino-theory trail of destruction winding through the small-signal
section.  A  certain  make  of  high-power  amplifier  in  the  mid-70s  was  a
notorious  example  of  the  domino-effect,  and  when  it  failed  (which  was
often)  the  standard  procedure  was  to  replace  all of  the  semiconductors,
back to and including the bridge rectifier. Component numbers here refer
to Figure 6.13.

By far the most important step to successful operation is a careful visual
inspection before switch-on. As in all power amplifier designs, a wrongly-
installed  component  may  easily  cause  the  immediate  failure  of  several
others, making fault-finding difficult, and the whole experience generally
less  than  satisfactory.  It  is  therefore  most  advisable  to  meticulously
check:

418

Testing and safety

!

That the supply and ground wiring is correct.

!

That all transistors are installed in the correct positions.

!

That  the  drivers  and  TO3  output  devices  are  not  shorted  to  their
respective heatsinks through faulty insulating washers.

!

That  the  circuitry  around  the  bias  generator  TR13  in  particular  is
correctly built. An error here that leaves TR13 turned off will cause large
currents  to  flow  through  the  output  devices  and  may  damage  them
before the rail fuses can act.

For the Trimodal amplifier in Chapter 9, I recommend that the initial testing
is  done  in  Class-B  mode.  There  is  the  minimum  amount  of  circuitry  to
debug (the Class-A current-controller can be left disconnected, or not built
at all until later) and at the same time the Class-B bias generator can be
checked for its operation as a safety-circuit on Class-A/AB mode.

The  second  stage  is  to  obtain  a  good  sinewave  output  with  no  load
connected.  A  fault  may  cause  the  output  to  sit  hard  up  against  either
rail;  this  should  not  in  itself  cause  any  damage  to  components.  Since  a
power-amp  consists  of  one  big  feedback  loop,  localising  a  problem  can
be  difficult.  The  best  approach  is  to  take  a  copy  of  the  circuit  diagram
and  mark  on  it  the  DC  voltage  present  at  every  major  point.  It  should
then  be  straightforward  to  find  the  place  where  two  voltages  fail  to
agree;  e.g.  a  transistor  installed  backwards  usually  turns  fully  on,  so  the
feedback  loop  will  try  to  correct  the  output  voltage  by  removing  all
drive from the base. The clash between full-on and no base-drive signals
the  error.

When checking voltages in circuit, bear in mind that C2 is protected against
reverse  voltage  in  both  directions  by  diodes  which  will  conduct  if  the
amplifier saturates in either direction.

This  DC-based  approach  can  fail  if  the  amplifier  is  subject  to  high-
frequency  oscillation,  as  this  tends  to  cause  apparently  anomalous  DC
voltages. In this situation the use of an oscilloscope is really essential. An
expensive oscilloscope is not necessary; a digital scope is at a disadvantage
here, because HF oscillation is likely to be aliased into nonsense and be
hard to interpret.

The third step is to obtain a good sinewave into a suitable high-wattage
load  resistor.  It  is  possible  for  faults  to  become  evident  under  load  that
are not shown up in Step 2 above.

Setting  the  quiescent  conditions  for  any  Class-B  amplifier  can  only  be
done accurately by using a distortion analyser. If you do not have access
to  one,  the  best  compromise  is  to  set  the  quiescent  voltage-drop  across
both  emitter  resistors  (R16,  17)  to  10 mV  when  the  amplifier  is  at
working  temperature;  disconnect  the  output  load  to  prevent  DC  offsets
causing  misleading  current  flow.  This  should  be  close  to  the  correct
value,  and  the  inherent  distortion  of  this  design  is  so  low  that  minor

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