Buizenversterkers
Voortrap met triode(s) of penthode
Voortrap

In het eerste deel hebben we de verschillende soorten buizen besproken. Hier gaan we een paar schakelingen onder de loep nemen. De eerste trap van een versterker zorgt voor een spanningsversterking, zodat de eindbuizen met een voldoende amplitude aangestuurd kunnen worden.
-

-

Op de vorige pagina hebben we in het kort de verschillende soorten buizen (diode, triode, penthode,... enz) besproken.

De voortrap

Al vanaf het begin hebben we heelwat mogelijkheden. Er zijn twee standaardschakelingen, de gewone triode-voorversterker (met ECC83) of de penthode-voorversterker (EF86), maar we hebben veel meer mogelijkheden dan dat!

Triode voorversterker met ECC83

Dit is de meest standaard-oplossing: ingang op het rooster, uitgang op de anode, en je kan de tweede buis gebruiken voor het ander kanaal (stereo) of als je een toonregeling zou gebruiken (tussen de twee buizen).

Laten we eerst de caracteristieken van de ECC83 bovenhalen (nu met de belastingslijnen erbij). Wat is eigenlijk een belastingslijn? Veronderstel een voedingsspanning van 300V en een anodeweerstand van 100kΩ. Als de buis niet in geleiding is, dan is de anodespanning 300V en de anodestroom 0mA. Is de buis in kortsluiting, dan bedraagt de anodespanning 0V en de anodestroom 3mA. Dit is onze groene belastingslijn. We hebben hetzelfde gedaan met een weerstand van 60kΩ. 5mA is de maximale stroom die een ECC83 kan leveren, bij een voedingsspanning van 300V mag de belastingsweerstand dus niet lager worden dan 60kΩ.

Laten we om te beginnen de cathodeweerstand buiten beschouwing laten (die dient om de roosterspanning in te stellen). Bij een voortrap hebben we een signaal van ongeveer 500mV effektief dat we moeten versterken tot ongeveer 10V effektief om de eindtrap aan te sturen. Om een lineaire werking te geranderen kiezen we ons werkpunt halverwege de voedingsspanning, dus iets van een 150V bij een voedingsspanning van 300V.

We kiezen een belastingsweerstand van 100kΩ (groene lijn). Met een roosterspanning van -1V zitten we ongeveer goed. Als we de roosterspanning van -0.5V naar -1.5V laten gaan, dan varieert de anodespanning van 130V tot 190V, dus 60V. We halen een spanningsversterking van 60× (dit is trouwens het maximum dat we met die buis kunnen halen in een configuratie met één triode). Gebruiken we de twee triodes achter elkaar, dan zouden we een totale versterking van 3600× hebben.

We moeten nu nog de cathodeweerstand berekenen. We willen een roosterspanning van -1V in rust. Nu is het zo dat het rooster zich automatisch negatief gaat polariseren door de electronen die op het rooster terechtkomen. Dit gebeurt als de roosterweerstand zeer hoog is, in de buurt van 10MΩ.

Maar we hebben hier een roosterweerstand van 1MΩ, het effekt is dus veel zwakker. In rust hebben we een stroom van 1.5mA, en we moeten een spanningsval van 1V hebben. We kiezen een cathodeweerstand van 680Ω.

Nu is het zo dat de cathodeweerstand niet-ontkoppeld is. Als de roosterspanning stijgt (wordt minder negatief), dan stijgt de stroom door de triode, en dus ook de cathodespanning. Omdat de cathodespanning stijgt, stijgt de roosterspanning ten opzichte van de cathode minder dan verwacht, en is ook de versterking van de buis minder dan verwacht.

In ons voorbeeld is de verhouding anodeweerstand/cathodeweerstand 150× waardoor de versterking van de buis niet veel gaat afnemen. We mogen rekenen op een versterking van 50×.

We vullen de ontbrekende waarden in:

R12 : 1MΩ
R14 : 680Ω
R13 : 100kΩ

Als oefening, laten we nu even de grafiek van de ECC82 bovenhalen. We hebben een groene belastingslijn bij een anodeweerstand van 60kΩ en rode bij een anodeweerstand van 15kΩ. We kiezen een negatieve roosterspanning van -2V (we gaan later ook de oefening doen met een roosterspanning van -7V om de anodespanning op 150V te krijgen).

Bij -2V roosterspanning loopt er een anodestroom van ongeveer 3.5mA en de anodespanning bedraagt 75V. Als we de roosterspanning laten variëren van -1V naar -3V, dan varieert de anodespanning van 60V naar 90V, een versterking van 15×. Deze buis is dus duidelijk niet op zijn plaats hier.

Als we nu het experiment zouden doen met een roosterspanning van -7V (om een anodespanning van ongeveer 150V te hebben), dan varieert de anodespanning van 135V naar 160V, een versterking van 12.5×, dus een nog lagere spanningsversterking.

Deze buis wordt daarom niet gebruikt als voorversterkertrap, maar als stuurtrap van een zware eindbuis. Een eindbuis heeft een lange rooster en een hoge parasitaire capaciteit. Door de eindbuis aan te sturen via een buis die een lage inwendige weerstand heeft zoals de ECC82 spelen de parasitaire capaciteiten geen rol meer. We kiezen daarbij een lage anodespanning zodat we een relatief hoge anodestroom hebben: de schakeling heeft dan een beter dynamisch gedrag.

De ECC83 die in deze schakeling wordt gebruikt heeft echter een aantal nadelen: ten gevolge van het effekt van de anode die op een wisselend potentiaal staat is de versterking lager dan wat je zou verwachten. Zoals we berekend hebben bereiken we een spanningsverstreking van 60× in plaats van een versterkingsfactor van 100 (de buis heeft een µ van 100).

De buis werkt ook niet echt lineair als die ver uitgestuurd wordt (bijvoorbeeld als stuurtrap van een zware eindpenthode). Er zijn echter triodeschakelingen die deze nadelen opvangen. Maar laten we eerst een omweg doen via een penthode als voorversterkerbuis.

Penthode voorversterker met EF86

Als je een triode maar te min vindt, kan je kiezen voor een penthode. Omdat de anode electrostatisch gescheiden is van het stuurrooster heb je een hogere versterking en minder beïnvloeding. In het algemeen is de buiscaracteristiek ook meer lineair als je de buis niet te ver uitstuurt (de tetrodeknik is niet volledig verdwenen, zie de inleiding).

We hebben de caracteristiek opgevist, en we zien een duidelijk verschil. We hebben hier opnieuw twee belastingslijnen getekend, één met een belastingsweerstand van 60kΩ en één met een belastingsweerstand van 200kΩ. De spanning van het schermrooster leggen we op de halve voedingsspanning door middel van een spanningsdeler. Voor onze berekeningen mogen we het schermrooster vergeten als we de spanning vastleggen op bijvoorbeeld 140V.

We gaan hier ook onze penthode zodanig uitsturen dat de uitgangsspanning op ongeveer de halve voedingsspanning zit, dus met een roosterspanning van -2V bij een belastingsweerstand van 60kΩ en een roosterspanning van -3.5V bij een belastingsweerstand van 200kΩ.

We laten de roosterspanning variëren van -1.5V naar -2.5V, we hebben een anodespanning die varieert van 70V tot 180V (versterking van 110×). Met de belastingsweerstand van 200kΩ laten we de roosterspanning variëren van -3V tot -4V en we hebben een anodespanning van 50V tot 220V (versterking van 170×). In de praktijk gaat men de laatste configuratie gebruiken: de ruisfactor wordt slechter bij een stijgende stroom.

R1 : 1MΩ
R2 : 3.9kΩ
R3 : 1MΩ
R4 : 220kΩ

Met een schermroosterweerstand van 1MΩ aan de positieve voeding bekomt men een correcte instelling van het werkpunt. De condensator C2 van 0.47µF stabiliseert de instelling. De niet-ontkoppelde cathodeweerstand beperkt de spanningsversterking tot 50× (220/3.9), maar in de praktijk zal men de cathodeweerstand gedeeltelijk ontkoppelen om tot aan de geschikte versterkingsfactor te komen.

Het is belangrijk te weten dat een niet-ontkoppelde weerstand als terugkoppeling werkt, en dus de vervorming van de buis beperkt, maar anderzijds verhoogt de niet-ontkoppelde weerstand ook de inwendige weerstand van de buis, waardoor die minder goed in staat is een zware eindbuis correct aan te sturen. Maar er zijn manieren om de terugkoppeling in te stellen zonder dat dit nadelige gevolgen heeft op de inwendige weerstand van de buis.

Deze buis kan je gebruiken als je een wat hogere versterking wenst, maar de bron mag niet te zwak zijn (microfoonsignaal of dynamische pick up), want penthodes ruisen meer dan triodes. Dit wordt veroorzaakt door de ongelijke stroomverdeling tussen anode en schermrooster (er loopt immers stroom van de kathode naar de anode, maar ook naar het schermrooster)

De buis heeft ook een hogere inwendige weerstand dan een triode, waardoor je de buis best niet gebruikt om een toonregeling of een eindbuis aan te sturen.

Dubbele triode-schakelingen (ECC83)

Men kan de nadelen van een triode en/of penthode omzeilen door twee triodes achter elkaar te schakelen. Er zijn hier verschillende mogelijkheden.

Cascode schakeling

De cascode schakeling is waarschijnlijk de meest bekende. De onderste buis krijgt de te versterken spanning op zijn rooster en stuurt het signaal door aan de tweede buis, die in gemeenschappelijke-rooster schakeling gemonteerd is. Het signaal wordt aan de cathode toegevoegd en het rooster zit op een vast potentiaal.

We gaan de spanning mooi over de buizen en de belastingsweerstand verdelen, dus voedingsspanning = 300V, anodespanning van de bovenste buis op 200V, anodespanning van de onderste buis op 100V. Aangezien het rooster van de bovenste buis op 200V moet staan, is onze spanningsdeler snel berekend: R4 = 1MΩ, R2 = 2.2MΩ. Voor R11 nemen we 100kΩ, waardoor de stroominstelling ook vastligt op 1mA.

We nemen opnieuw onze grafiek ter hand. Bij een stoom van 1mA en een anodespanning van 100V moet de roosterspanning ongeveer -0.6V bedragen. Onze cathodeweerstand is ook snel berekend: R14 = 600Ω, R12 de ingangsweerstand is 1MΩ. De naamloze ontkoppelcondensator mag een waarde hebben van 0.22µF.

Hoeveel zou deze constructie versterken? Laten we de ingangsspanning variëren van -0.1 tot -1.1V. De anodespanning kan niet variëren, want die zit vast door de bovenste buis (in theorie...). De stroom kan echter variëren van 1.9mA tot 0.6mA. De tweede buis verandert de stroom niet, waardoor we dezelfde stroom over de anodeweerstand krijgen. Bij 0.6mA hebben we een spanning van 60V over de anodeweerstand (anodespanning is dus 240V) en bij 1.9mA hebben we een spanningsval van 190V, de anodespanning is nu 110V. We hebben dus een spanningsversterking van 130×. Ten gevolge van de niet-ontkoppelde cathodeweerstand is de versterking ongeveer 100×.

Het voordeel van deze schakeling is dat we minder ruis hebben: de stroom hoeft immers niet te kiezen: naar de anode of naar het schermrooster. Een dergelijke schakeling kan bijvoorbeeld gebruikt worden om het microfoonsignaal ruisvrij te versterken.

Er is ook absoluut geen terugwerking van de tweede buis naar de eerste, waardoor dergelijke schakelingen veel gebruikt werden in tuners. Alle televisietoestellen hadden een ingangstrap onder de vorm van een cascodeschakeling.

Zoals bij een penthode is de uitgang meer hoogohmig dan bij een enkelvoudige triode. Een dergelijke schakeling kan soms de neiging hebben om hoogfrekwent te gaan oscilleren: een condensator van 10pF à 47pF tussen de anode (uitgang) en rooster (ingang) onderdrukt volkomen de oscillaties zonder de hoge tonen te verminken (de condensator is in het rood aangegeven). De condensator kan ook verbonden worden met de niet-ontkoppelde cathodeweerstand. Wanwege de laagohmige weerstand mag de capaciteit verhoogd worden naar 200 à 470pF.

De cascode schakeling en de penthode worden best gebruikt om de fasedraaier aan te sturen: vanwege zijn niet-ontkoppelde cathodeweerstand is de ingangsimpedantie van een fasedraaier zeer hoog.

Series Regulated Push Pull

Er bestaat nog één standaardschakeling, dat is de SRPP. Deze wordt echter niet als voortrap gebruikt en zal meer in detail besproken worden op de pagina voor eindtrappen (eindtrappen zonder uitgangstransfo). Met een gewone triode zoals de ECC82 is het mogelijk een koptelefoon aan te sturen.

Na de voortrap komt de fase-omkeertrap. Dit is nodig om een signaal in tegenfase te genereren voor de eindtrappen in push pull configuratie. Gebruiken we een single ended eindtrap, dan is een fase-omkeertrap niet nodig.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's