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【實作實驗室】擴大機維修全紀錄

作者:實作派 Lab

家裡的 USHER AU-8500 擴大機 ,最近聲音出不來,而且還夾帶著很嚴重的雜音,該怎麼辦呢?想到這台機器已經有 20 多年了,有些旋鈕與按鈕也一直有接觸不良的現象,就決定趁這次機會一次解決。

擴大機的內部構造

拆開擴大機後,發現裡面重量最重的莫過於下圖這個白色的變壓器,一般而言,電源是否乾淨很大一部份需要靠它,而它裡面滿滿的是銅線繞出來的線圈,要搬動它不是件容易的事,必須放在推車上才方便移動。

順帶一提,所謂「電源是否乾淨」指的是 AC 轉成 DC 之後還留有多少 AC 成分在裡面,一般都還會殘留一些 AC 的成分,我們稱為「漣波 Ripple」,這些東西也許示波器看不太出來,但經過層層放大之後,會在喇叭形成嗡嗡嗡的聲音,雖然音量不大但是很惱人。

擴大機拆開後的樣子 usher au8500 (圖片來源:實作派提供)

為了讓各位有初步的了解,我把擴大機的下蓋拆掉並立起來,方便大家看到所有電路板的位置。擴大機的主要原理是前級擴大與後級擴大,「前級擴大」是以電壓為主體,放大的是電壓(在這裡並沒有放大電流,所以前級擴大之後,只有電壓會變大,因此並無法推動喇叭,因為電壓大不代表電流也大)。

此外,前級放大器也負責高中低音的調節,所以舉凡 BASS/MID/TREBLE 的旋鈕全都位在前級,這也是為何前級放大器的位置會最接近控制面板的原因,而另一邊的顯示面板是用來顯示音量與訊號源的,但現在的擴大機似乎很少看到有音量顯示器的。

擴大機下蓋拆除後的樣子(圖片來源:實作派提供)

無聲音輸入卻有音量

這台擴大機左聲道的音量顯示器有明顯異常,因為即便沒有聲音輸入,音量顯示的 LED 也有好幾顆會亮,而且怪的是即便把音量旋鈕調到靜音,也無法讓音量 LED 熄滅。為了找問題,只得把電路板拆下來,開始作反向工程畫線路,才好除錯。

擴大機前置放大器電路圖(圖片來源:實作派提供)

上方的電路圖是我辛苦研究後的結果,它只是左右聲道的其中一路,由於左右聲道電路相同,所以只要看其中一路就能開始除錯。下圖就是實際的電路板,我把一些重要的電路功能標示出來,一個方框內有左右聲道兩組電路,另外,它有兩個放大器 OP1 與 OP2,OP1 負責單純放大電壓,OP2 負責 BASS/MID/TR 音調的混音,至於 OP2 有沒有放大,我沒有特別注意。

擴大機的前置放大器電路板(圖片來源:實作派提供)

由於音量顯示的訊號輸入是從後級放大器的某處拉出來的,如果音量有問題,我想在 preamp 的輸出端應該就能看到端倪,於是用示波器測量了左右聲道的 OP2,發現在靜音模式時,左聲道的 OP2 竟有著 -4V 的 DC offset。

preamp—左右聲道的 DC 輸出(圖片來源:實作派提供)

也就是說,即便是沒有任何 Audio in 輸入,OP2 的放大器也會輸出直流電壓,這足以讓音量顯示器誤認為是有聲音出現的,因此 OP2 目前列為頭號嫌疑犯。為了排除是否有周邊線路故障造成 OP2 誤動作,因此我將左右聲道的 OP2 對調,發現 DC offset 的問題也跟著 OP2 對調,因此最終確認是左聲道 OP2 的問題,需要更換 OP2。

妙的是,原本從喇叭聽到沙沙的雜音,在示波器上竟然看不到,這樣會很難除錯,於是我先假設沒有雜音。

前置放大器 - 更換OP Amp

據說音響對於元件的選擇很重視,我因此找了一間位於八德路上的音響店買了 2 顆 NE 5534,心想有實體店面作為販售音響的據點,店家的利潤來源較多樣化,買到假貨的機率會比較低。

音調調整放大器— JRC 5534DD(圖片來源:實作派提供)

原本的零件 JRC 5534DD 據說是很經典的款式,現在似乎被 Philip NE5534 取代了,這段歷史我沒有很清楚,但我知道若要更換的話,最好是兩顆一起換,這跟換輪胎的道理是一樣的,更換了新的 OP amp 之後果然左右聲道的 DC offset 都一樣是零準位了。

至於當初這顆 OP 為何會被打壞造成有 DC offset 輸出,目前懷疑是被其他電器開關上電時的突波打壞,因為電源是擴大機唯一的對外管道,但目前只是推測並沒有證據。

調音開關切換有雜音

我家這台老爺擴大機一直有個讓我很困擾的問題,就是每當按下 Tone 鈕的瞬間,總是會在喇叭產生非常刺耳的爆破雜音,其餘 Mono/Loudness 按鈕,也有類似的問題。根據經驗這一定是接觸不良的問題,接觸不良產生的跳動現象 Bounce 一旦傳到後級放大,喇叭就會老老實實的把這個雜音播放出來,而且超級大聲,這樣對喇叭很傷,對人的耳朵也很傷。

但是要找到這個按鈕零件,實在太困難了,因為這可是 20 年前的東西,雖然光華商場有一堆類似的按鈕,但是要能夠完全符合電路板與機殼尺寸的零件,基本上找到的機會是零。

擴大機—前置放大器—音調開關(圖片來源:實作派實驗室)

所以我決定要來硬的,對!就是要把這些老爺按鈕拆開,好好地將內部清理一番。這可不容易,首先要解焊這三個連在一起的開關,因為它們被固定在一個鐵架上;接著要將按鈕開關仔細地從鐵架上卸下來,因為按鈕前端的脖子有溝槽,主要用來讓按鈕可以牢牢地卡在鐵架上,所以移除按鈕的時候要特別小心,否則可能會讓溝槽崩壞,到時候就無法再安裝回鐵架上了。

音調按鈕開關(圖片來源:實作派實驗室)

把按鈕拿出來之後,接下來就容易多了。只要拿個極細的一字起子,輕輕的頂開藍色上蓋的三個卡榫,就可以打開,如下圖所示,開關的金屬接觸點堆滿了黑色油汙,於是我先用衛生紙把擦掉油汙,再用 1000 號的沙紙磨它,直到接點變成亮晶晶的樣子,最後再將所有零件組合回去,這樣就能恢復往日清爽的聲音了。

清理之後的按鈕開關(圖片來源:實作派實驗室)

除了按鈕開關之外,前置放大器上的三個調音旋鈕 Treble/Middle/Bass 我也一併更換了,因為可變電阻用久了,裡面會產生接觸不良,在旋轉的時候會產生 Bounce。

這種 Bounce 在調音旋鈕上不會產生雜音,只是濾波的頻點會跳來跳去,注意聽就能分辨出來,但 Bounce 在音量旋鈕上則很容易產生雜音,因此在潮濕的住家環境中,使用一段時間後就需要更換旋鈕,才不會轉音量時還伴隨著沙沙聲。

前置放大器 — 電源意外短路

換好各種按鈕與可變電阻之後,當然需要試機一下囉!為了方便拆裝,原本應該上 4 顆螺絲的 preamp 電路板,我只裝了一顆螺絲在電路板的最右上方,於是悲劇就從這裡開始了。如下圖所示,由於只有右上方一顆螺絲,PCB 自身的重量於是將整個電路板硬生生逆時針轉了些微的角度,造成右下角的電晶體與右方的金屬框架接觸造成短路,我甚至聽到一聲清脆的響聲,還看到火花!

前置放大器 — 意外短路的電源(圖片來源:實作派提供)

發生火花絕對不是一件好事,只要發生短路,表示一定有零件在剛剛那一瞬間通過了極大的電流,但卻無法確定誰會燒掉,於是我只好將 Preamp 的電源電路作了反向工程。電源電路圖如下,Load 表示 preamp 上的所有負載,包含 OP 與其他週邊的被動元件。

前置放大器—電源電路(圖片來源:實作派提供)

我上電測試之後發現負載測的正負電源仍然存在,只是 D669 那一側的電源偏小了些,原本應該是 17.3V,但現在是 16.9V。事實上這個電源電壓在意外短路之前就已經偏小了,因此我無法分辨短路是否有造成意外損傷。

前置放大器—電源電路實體區塊(圖片來源:實作派實驗室)

我想既然都把擴大機拆開了,就把相關零件一起更換了,以降低往後故障的風險。按照實體位置,意外短路的電晶體位置是 D669,通常一邊短路容易造成另一邊 B649 也發生連帶的問題,加上之前我測量 Zenar Diode 似乎都不在 18V 上,所以我就把電晶體與稽納二極體一起更換了。

前置放大器 — 試機

更換之後, Zenar Diode 的電壓變得非常接近 18V,左右聲道電路的電源彼此的誤差大約 0.03V,約 0.16%,所以可以接受,之後我把螺絲都鎖上後重新開始試機,免得又不小心短路了。

首先在沒有輸入訊號的情況下測量 OP 的輸出,發現左右兩個聲道輸出都是 0V,明顯已經沒有 DC offset,接著利用手機 APP 產生弦波接入擴大機,前置放大器的 Audio Out 也跟著輸出弦波訊號,看來訊號正常。

preamp 的 OP 輸出(圖片來源:實作派提供)

為何要用弦波作為測試訊號?事實上你要用方波當然也行,只要是週期性的波、能在示波器上產生穩定的波形,就可以拿來當作測試訊號。我的目的只是要用來確認聲音路徑沒有中斷,另外若是有雜訊的話,也會在示波器上看到,若你用一般的 mp3 歌曲測試,你無法從示波器上「看」出現在唱到哪一段,也無法分辨波形的雜訊是歌曲內容還是真的雜訊。

聲音突然消失

我這台老爺機之前曾經發生過小音量的聲音無法輸出到喇叭,若慢慢將音量轉大到某個程度後,巨大的音量會一次爆出來,那真的是很可怕。這種現象我過往 20 年大概修理過 3 次,所以我可以很明確地說這是「繼電器接觸不良」的問題。

如下圖所示,繼電器的位置在黃色方框內共有兩個,因為這台擴大機可以推動兩組喇叭,更換的時候我會兩組一起換。

擴大機—後級放大的繼電器 relay(圖片來源:實作派提供)

其實繼電器 Relay 可以用的次數非常多,大約有 1 萬甚至 10 萬次的壽命,絕大多數的 Relay 老化是因為「接點氧化」。台灣氣候潮濕,在繼電器還沒達到應有的壽命之前,常常就先被環境折磨壞了,所以這次我打算用膠把 Relay 封起來,只需要用一字起子將 Relay 的兩側卡榫扳開就能拿起上蓋,但要注意把膠塗上時別碰到接點,上完膠等它乾之後再把 Relay 焊回去。

繼電器—上膠避免氧化(圖片來源:實作派提供)

拆繼電器很容易,但要裝回去就很吃力了,因為後級放大的電路板上方還有一塊音源切換電路板,安裝的空間很小所以要花點精神。

安裝好之後試機,果然新的繼電器聽起來就是比較爽,不用再擔心聲音有暴衝的問題,至於上膠後是否真的能降低氧化機率,我們過幾年再來看看吧!

音量顯示器 — 燈光黯淡

聲音的部分基本上算是解決了,倒是音量顯示的部分,長期以來讓我很傷腦筋,因為它的 LED 亮度已經不若當年這麼光彩了,看下面這張低曝光的照片就知道,LED 的亮度非常不平均,而且即便是單顆 LED 的亮度也已經衰弱到看得出中間點較亮兩邊較暗的情況。

擴大機—音量顯示器有點黯淡(圖片來源:實作派提供)

可惜這個 LED 面板並無法更換單顆 LED,它是整片是一個零件,我想現在應該也沒這個料了,所以這次我要自己做個 LED 面板,那剛好市面上有所謂的 10 Bar LED,也就是一顆零件上有 10 個 LED,比對了一下長度我大約需要三個,左右聲道加起來就需要 6 個。

擴大機—原始的音量LED指示面板(圖片來源:實作派提供)

雖然想法很美好但現實總是殘酷的,原本的 LED 指示器它的腳位從 1~33pin 並非一比一對應到 LED 單體,這下可麻煩了,我得將腳位一個個測試才能知道原本 LED 指示器的 pinout,並且把 6 顆 10 bar LED 湊成一樣的 pinout 才能接上去。

經過辛苦的測試之後終於得到下圖的結果,上方是原始料件的 pinout 對應圖,下方是我打算使用在 10 Bar LED 上的接法。

擴大機—音量指示器 pinout(圖片來源:實作派提供)

由於原本的 LED 有 32 顆,但新的 LED 共有 60 顆,因此有些腳位勢必要接 2 個 LED,接線方式如下圖右方。UV meter 是採用 AN6884 的晶片,裡面有一串比較器,原先是一個輸出級推動一個 LED,現在改為推動 2 個 LED,因此除了 LED 之外還需要加上兩個限流電阻,否則兩顆 LED 亮度會不相同而且容易壞。

音量顯示器重新設計(圖片來源:實作派提供)

所以我必須手動焊上 60 顆 LED 外加 60 顆限流電阻,可說是工程浩大,但這還不是最麻煩的,因為我還沒有正確尺寸的電路板可以放這 6 顆 10 Bar LED,所以在焊接之前,我必須將手邊的萬用板切成適當的尺寸(萬用板還沒有這麼長的尺寸,因此我需要拿兩個萬用板各自裁切之後再拼湊起來)。

理論上裁切需要鋸子,我沒有線鋸也借不到專用的裁板機,情急之下拿個美工刀來試試,結果美工刀壞了兩個刀片,最後只好用電鑽鑽出一個個的郵票孔,這樣反而比較好處理,只是很花時間,最後再用粗砂紙把毛邊磨掉就有新的 PCB 可以用了(別忘了要做兩個,因為單片萬用板的長度不夠用,我們必須要有 33 個孔位,而我的萬用板最長邊只有 20 孔)。

DIY 電路板切割(圖片來源:實作派提供)

經過一連串辛苦的焊接工作之後成品如下圖,你可以看得出來 LED 基板是由兩片 PCB 湊出來的,上面有 6 個 10 bar LED。

新的 LED 音量顯示器(圖片來源:實作派提供)

至於背後的接線,雖然不難但是做起來實在很費工,你們自己看看就知道了,還好我手工藝算不錯。

新的 LED 音量顯示器—背面複雜的焊接工作(圖片來源:實作派提供)

來測試一下結果吧!一樣利用手機 APP 產生弦波輸入擴大機,並且把擴大機音量調大,檢查每顆 LED 是否都能點亮。

看到每顆都正常工作心情頓時好了很多,只是我總覺得左邊算起來第二顆好像稍微亮了些,經過焊接 60 顆 LED 與 60 顆電阻的疲勞轟炸,我已經不想再處理這麼細的問題了,因為真正用肉眼看其實不太容易看出來。

測試新的 LED 音量顯示器(圖片來源:實作派提供)

小結

最後終於要把 LED 音量顯示器安裝到機箱內了,由於電路板的寬度與零件的高度都與之前不同,所以我用了很多 Washser 墊片調整音量顯示器的深度與高度,以避免安裝時產生機構的干涉。最後的成品如下圖,終於讓各位看到這台老爺擴大機的廬山真面目了,現在它工作得非常好呢。

組裝完成的擴大機(圖片來源:實作派提供)

(本文轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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