Buizenversterkers
Voortrap en fase-omkeertrap
 

De fase-omkeertrap zorgt ervoor dat de twee signalen in tegenfase hebben om de eindtrappen aan te sturen (push pull configuratie). Gebruiken we een single ended eindtrap, dan is een fase-omkeertrap niet nodig.
-

-


Concertina — cathodyne


Long tail
blauw: kleine verbetering


"Mullard" schakeling


Niet geschikt om zware eindbuizen in classe AB2 aan te sturen

We hadden het op een vorige pagina over de ingangstrap. Het signaal heeft nu een amplitude van ongeveer 10V effektief en dat is voldoende om de eintrap aan te sturen.

De fase-omkeertrap

De bedoeling is dat beide eindbuizen omgekeerd aangestuurd worden: de ene buis "duwt" terwijl de andere buis "trekt", vandaar dat deze eindtrappen "push-pull" genoemd worden.

Om de vervorming in de eindtrappen zo laag mogelijk te krijgen moeten beide spanningen gelijk zijn, zodat door de symmetrische constructie de vervorming onderdrukt wordt. Er zijn hier twee standaard-schakelingen.

Enkele triode omkeertrap

Deze omkeertrap wordt ook "Concertina" genoemd in de oude vakliteratuur, een benaming dat je vaker zal tegenkomen is cathodyne. Het is maar dat je het weet. Ik heb er maar direct de voortrap erbij getekend. R14 en R18 zijn de cathodeweerstanden die de roosterspanning instellen. Deze schakeling "versterkt" het signaal met ongeveer 0.9× à 0.95× (een lichte verzwakking van het signaal). Met de voortrap erbij bekomen we een versterking van 15× (in feite tweemaal 15×).

Deze schakeling is eenvoudig en geeft een zeer goede fase-omkering. Maar er is iets dat je niet op de afbeelding ziet, en dat is de verschillende inwendige weerstand van de buis op anode en kathode. Veronderstellen we dat de volgende trap redelijk laagohmig is.

We sturen een wisselspanning op het rooster van de tweede ECC83. Op cathode hebben we een signaal in fase en op de anode in tegenfase. Maar als we de cathode laagohmig afsluiten (na C20) dan kan de buis de nodige stroom leveren (de dynamische inwendige weerstand op de cathode is in de grootte-orde van 700Ω voor een ECC83). De dynamische weerstand van de anode is echter 100× groter, waardoor de buis de laagohmige uitgang niet kan aansturen.

De wisselspanning op de anode is veel lager dan die op de cathode als men een relatief laagohmige belastingsweerstand gebruikt. Men zal in de praktijk een belastingsweerstand (roosterweerstand van de eindbuis) kiezen van 1MΩ waarbij het verschil in impedantie geen rol speelt. Een omweg om het verschil in versterking te compenseren is de fase-spanning af te tappen aan het knooppunt R18/R19, maar enkel metingen met een nauwkeurige voltmeter kunnen de exacte versterking van beide uitgangen tonen (ingangssignaal 100mV effectief op 400Hz, uitgangssignaal zou dan ongeveer 1.5V effektief moeten zijn op beide uitgangen).

Met een dergelijke omkeertrap kan je een paar EL84 aansturen, maar je zal in de problemen komen als je een "zware jongen" moet aansturen zoals een PL504 of PL519. Deze buizen moeten zeer sterk aangestuurd worden (waarbij de roosterspanning zelfs lichtjes positief mag worden) en hebben een hoge inwendige roostercapaciteit. Deze fase-omkeertrap volstaat niet in deze situatie: men moet de fase-omkeertrap laten volgen door een drivertrap.

Het is niet mogelijk een triode te gebruiken die een lagere inwendige weerstand heeft zoals de ECC82, want de correcte werking van de omkeertrap berust op het feit dat de versterking van de buis zo hoog mogelijk is (µ ≥ 100).

De omkeertrap met enkele triode heeft een zeer hoge inwendige weerstand (dynamische weerstand) en kan dus aangestuurd worden door alle soorten ingangstrappen, en in het bijzonder door penthodes en cascodeschakelingen.

Omkeertrap met dubbele triode

Deze schakeling wordt soms "long tail" genoemd vanwege de gemeenschappelijke cathodeweerstand. Omdat de cathode van de buis op een gemiddeld potentiaal zit, kan de koppelcondensator en de roosterweerstand verwijderd worden. Dit kan men trouwens ook doen bij de eerste schakeling (als de cathodeweerstand wat in waarde wordt verlaagd om een anodespanning van rond de 100V te bekomen).

De eerste triode van de omkeertrap krijgt zijn wisselspanning normaal op zijn rooster en versterkt het signaal. Omdat we met een relatief hoge cathodeweerstand zitten is de versterking eerder beperkt (ongeveer 1.5×). Maar de (algemene) cathodespanning verandert mee met de roosterspanning, waardoor de tweede buis eigenlijk in gemeenschappelijke roosterschakeling aangestuurd wordt. De tweede buis heeft immers zijn rooster aan de massa voor wat de wisselspanning betreft.

Hier is de inwendige weerstand van beide uitgangen bijna gelijk, maar de amplitude van het signaal is niet identiek. De tweede trap heeft namelijk een amplitude die enkele percenten lager is dan die van de eerste trap (5 à 8% lager).

Men kan ook het verschil in amplitude oplossen door de anodeweerstand van de eerste triode instelbaar te maken, maar het is meer praktisch de roosterweerstand van de eindtrap instelbaar te maken, zoals op de laatste schakeling.

Bij bepaalde ontwerpen wordt een kleine wisselspanning van de anode van de eerste buis naar het rooster van de tweede buis gebracht. Er moet daarvoor een spanningsdeler gemonteerd worden (dit zijn de blauwe componenten): bovenste blauwe weerstand bijvoorbeeld 3.3MΩ, onderste blauwe weerstand 100kΩ, condensator 10nF (de weerstandswaarden hangen af van de versterking van de omkeerbuis).

Voor de laatste schakeling zijn de componentenwaarden de volgende, voor een stroom in de voortrap van 1mA en van tweemaal 2.5mA in de omkeertrap:

cathode voortrap680Ω
anode voortrap220kΩ
roosters voortrap en omkeertrap1MΩ
cathode omkeertrap22kΩ
anodes omkeertrap47kΩ
roosterweerstand eindbuizen470kΩ
trimmer1MΩ +100kΩ vast
alle C0.22µF

Door de instelbare weerstand aan de massa te voorzien vermijd men dat men moet afregelen aan de hoogspanning.

Deze schakeling wordt soms "Mullard" schakeling genoemd omdat die gebruikt werd in versterkers van de fabrikant. Mullard was vooral een buizenfabrikant (de engelse filiaal van Philips) en leverde kits om versterkers te bouwen, samen met schema's.

Er bestaat nog een derde type schakeling, de parafase, waarbij we een enkele triode gebruiken om het tegenfase signaal op te wekken, terwijl het in-fase signaal direct naar de eindbuis loopt. Deze schakeling is in onbruik geraakt en wordt niet besproken. Het is gewoon een buis met een versterking van -1. Een voorbeeld is gegeven op de pagina van de eindtrappen.

Hifi of gitaarversterker?

Bij de keuze van een omkeertrap en het selecteren van de componenten moet men weten dat een aantal van die schakelingen gebouwd zijn voor gitaarversterkers, met andere instellingen. Bij een gitaarversterker is men op zoek naar de typische buizenklank, terwijl een hifiversterker zo natuurgetrouw moet klinken.

Bepaalde schakelingen die je in boeken of op het internet kan terugvinden zijn eigenlijk voorzien voor gitaarversterkers, maar dat wordt niet specifiek gemeld bij de schakeling. Alle schakelingen op deze pagina's zijn voorzien voor hifi-weergave.

De klank van een versterker wordt hoofdzakelijk bepaald door de eindtrap, en men kan bepaalde schakelingen terugvinden die niet geschikt zijn voor hifi-versterkers. Maar het is de wisselwerking tussen omkeertrap en eindtrap die ook de "sound" bepaalt.

Laten we een voorbeeld nemen, een ECC83 enkelvoudige omkeertrap (cathodyne) die een paar zware buizen moet aansturen (beam tetrodes). Deze buizen moeten sterk uitgestuurd worden, waarbij de roosterspanning positief kan worden bij maximale belasting (classe AB2).

We tonen het signaal op beide stuurroosters van de eindbuizen. De eerste curve is die van de anode van de concertina trap ("anode output"), de tweede curve is die van de cathode ("cathode output").

We beginnen met de cathode curve. We zien dat de curve redelijk lineair is, en dat is ook normaal, omdat de cathode laagohmig is en de eindtrap probleemloos kan uitsturen, zelfs als de roosterspanning lichtjes positief wordt.

Bij de anodecurve zien we twee vreemde verschijnselen:

  • Als de anodespanning stijgt, dan wordt de roosterspanning geclampt en kan niet positief worden. De anode-uitgang is immers meer hoogohmig en kan geen stroom leveren (als het stuurrooster positief wordt, dan loopt er een kleine roosterstroom). Deze vervorming zorgt voor de typische buizenklank bij gitaarversterkers, maar is niet op zijn plaats bij hifi versterkers.

  • Als de anodespanning daalt, hebben we een negatieve piek. Die wordt namelijk veroorzaakt door de cathode van de cathodyne die nu zo sterk positief wordt dat er een roosterstroom gaat lopen in de eindbuis (het stuurrooster van de eindtrap gedraagt zich als een diode in geleiding, zie figuur). Het is alsof de omkeertrap extra ontkoppeld wordt als de cathodespanning hoger wordt. Daardoor stijgt de versterking van de cathodyne, met de extra negatieve piek op de anode van de cathodyne.
Overigens heeft die negatieve piek nauwelijks effekt op de eindbuis, want bij een spanning van -60V is de eindtrap bijna volledig uit geleiding en zijn bijdrage tot de klank is minimaal. Een extra negatieve piek zal geen hoorbaar effekt hebben, want de buis is reeds afgeknepen.

Dit is de reden waarom een concertina/cathodyne-schakeling best niet gebruikt wordt om zware eindbuizen van een hifi versterker aan te sturen. Bij een gitaarverstreker zijn die vervormingen juist wel gewenst.

Dubbele fasedraaier


Williamson schakeling
Bepaalde componenten kunnen in waarde verminderd worden:
Cx: 22nF — C19, C20: 47nF — C21, C22: 100nF
R17, R19: 33kΩ — R22, R23: 33kΩ
Er bestaat ook een fasedraaier met concertinaschakeling gevolgd door een long tail schakeling. De concertineschakeling is een gewone fase-omkeertrap.

De trap die daarop volgt lijkt op een long tail schakeling met de gemeenschappelijke cathodeweerstand, behalve dat die zijn signaal op beide ingangen krijgt, waardoor we in feite te maken hebben met een differentiële versterker.

De differentiële trap is in feite de drivertrap van de eindbuizen. Een drivertrap moet niet veel versterken, maar moet een voldoende vermogen kunnen leveren om de eindbuizen in classe AB2 aan te sturen. En hier is de ECC82 op zijn plaats: een buis die niet zo'n hoge versterking heeft, maar wel een hoge stroomversterking.

De complete schakeling heeft de voordelen van beide schakelingen maar niet de nadelen:

  • Het verschil in impedantie tussen anode en cathode van de fase-omkeertrap speelt geen rol, want de volgende trappen zijn hoogohmig. De twee triodes die volgen hebben geen hoge stuurstroom nodig.

  • De twee volgende triodes leveren een identiek signaal, omdat ze een identiek signaal ontvangen (maar in tegenfase). Dit was het nadeel van de long tail schakeling.

  • De twee triodes versterken het signaal zoals een normale ontkoppelde triode

  • De gemeenschappelijke cathodeweerstand verminderd de vervormingen, omdat als het signaal op één tak stijgt, het signaal zwakker wordt op de andere tak. Een asymmetrie wordt daardoor onderdrukt.
Deze schakeling werd door de Williamson versterkers overgenomen. Deze versterker gebruikt voor de eerste keer een tegenkoppeling om de vervorming onder de 0.1% te krijgen (eind jaren 1940). Zelfs zonder tegenkoppeling heeft de versterker reeds uitstekende eigenschappen. Eigenlijk kan een tegenkoppeling enkel gebruikt worden om een goede versterker nog te verbeteren, een slechte versterker krijg je nooit goed met een tegenkoppeling, in tegendeel.

Een nadeel van deze schakeling is dat er een extra triode nodig is, maar daartegenover staat dat deze triodes het signaal versterken. Men zou de versterker dus kunnen laten beginnen met de fase-omkeertrap (zonder voortrap) gevolgd door de twee triodes en gevolgd door de eindtrap in push pull configuratie. Maar deze complexere schakeling wordt vooral gebruikt om zware eindbuizen met een hoge amplitude aan te sturen, zodat er toch een voortrap nodig is om een voldoende amplitude te bekomen. Omdat men een hoge verstreking heeft, kan men die wat verminderen door de anodeweerstanden in waarde te verlagen (zie getalwaarden bij de figuur rechts). De bandbreedte zal nog beter worden en de vervorming zal nog lager worden.

DE complete versterker zou dus kunnen bestaan uit de volgende buizen: ECC83 (voortrap en fase-omkeertrap), ECC82 (faseversterker) en tweemaal PL519 (eindbuizen).

De versterker gebruikt koppelcondensatoren met een waarde van 0.22µF. Tegenwoordig kiest men de condensatorwaarden zodanig dat de voortrappen geen onnodige frekwenties versterkt, frekwenties die toch niet weergegeven kunnen worden, en die enkel voor oversturing kunnen zorgen. De betere waarden staan hier ook bij de schakeling.

Welke schakeling gebruiken?

  1. De enkele triode omkeertrap zal voldoen als men een kleine versterker bouwt met twee EL84 of PCL86 (roosterweerstanden van de eindbuizen = 1MΩ).
  2. Gebruikt men zwaardere eindtrappen zoals de EL34, dan is de tweede schakeling beter op zijn plaats, met de mogelijkheid om de roosterweerstand van één van de outputbuizen instelbaar te maken.
  3. Voor lijneindtrappen die een grotere spanningszwaai nodig hebben is de Williamsonschakeling op zijn plaats.

Op een volgende pagina gaan we de eindtrappen bespreken. Hier zijn er enorm veel mogelijkheden.

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