Buizenversterkers
Voortrap en fase-omkeertrap
 

De Concertina of Cathodyne fase-omkeertrap was n van de meest gebruikte omkeertrappen. Het is een eenvoudige schakeling, maar heeft als nadeel dat het geen sware belastingen kan aansturen.
-

-

De omkeertrap met een enkele triode wordt ook "Concertina" genoemd in de oude vakliteratuur, een benaming dat je vaker zal tegenkomen is cathodyne. Ook split load kan je tegenkomen: de belasting wrdt immers gesplitst over anode en cathode.


Concertina — cathodyne


Skoopbeeld op anode en cathode bij oversturing


Niet geschikt om zware eindbuizen in classe AB2 aan te sturen


Cathodyne met bootstrap (groen)
en impedantie-correctie (rood)

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× 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 om het potentieel van de buizen optimaal te benutten). De PL504 en andere hebben een hoge 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).

Vervorming door de asymetrische uitgangen

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.

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.

Anti flash diode
De cathodyneschakeling kan ook gebruikt worden zonder koppelcondensator als de anodespanning van de voortrap laag genoeg is (ongeveer 100V). Dit is de reden van de relatief hoge anodeweerstand.

Bij een cathodyneschakelingen met directe koppeling zal in koude toestand (geen emissie) de spanning op het rooster stijgen tot aan de voedingsspanning door de anodeweerstand van de vorige buis. De cathode wordt aan de massa gehouden door de cathodeweerstand.

Als de buis onvoldoende warm is, is er geen electronenstroom en de spanning tussen de twee electrodes kan tot meer dan 300V stijgen (de onbelaste voedingsspanning). Deze spanning is te hoog voor de triode en kan tot een flash over leiden die de buis kan beschadigen (overslag tussen cathode en rooster).

Toch bestaat er een eenvoudige oplossing voor dit probleem, namelijk een diode die tusse cathode en rooster van de triode geplaatst wordt, met de anode van de diode aan het rooster. De diode is enkel in geleiding als de buis nog koud is en beperkt de spanning tot ongeveer +0.6V. Eenmaal dat de triode in geleiding komt bedraagt de spanning ongeveer -1.5V en de diode is niet meer in geleiding.

De diode heeft geen invloed op de geluidskwaliteit want die is niet in geleiding. Men gebruikt een diode met een kleine inwendige capaciteit zoals een 1N4148. De stroom die geleverd moet worden is beperkt tot een paar mA en de spanning in de blokkeerrichting is beperkt tot enkele volts.

Een laatste versie van de cathodyne
De cathodyne fasedraaier geeft geen signaalversterking. De voortrap moet het signaal voldoende versterken om de outputtrappen volledig uit te sturen. Indien men tegenkoppeling zou toepassen, dan is de totale versterking onvoldoende om eindbuizen te sturen, de amplitude moet 10V effektief bedragen voor een paar EL84 en zelfs 25V voor een paar EL34.

Bij een cathodyne verzorgt enkel de voortrap de signaalversterking. Iedere buis geeft een welbepaalde versterking, die gelimiteerd is door de van de buis. De anodeweerstand vermindert nog wat de versterking.

De bootstrapschakeling (in het groen) zorgt ervoor dat de anodeweerstand een bijna oneindige waarde heeft voor wisselspanning, zodat de versterking kan stijgen tot . We tappen het signaal af aan de cathode van de fase-omkeertrap. De voortrap versterkt alsof de belastingsweerstand niet meer zou bestaan (stroombron). De ingangsweerstand van de fase-omkeertrap zelf is nagenoeg oneindig.

Om het effekt van de weerstand te onderdrukken moet er een compensatieschakeling bijgevoegd worden (rood) die de impedanties die de buis ziet egaliseert. Na berekeningen en testen bleek een waarde van 120kΩ ideaal zodat de amplitudes van het signaal op anode en cathode van de omkeertrap gelijk zijn.

Met deze schakeling kan je een paar EL84 direct sturen, zelfs met een tegenkoppeling van 10dB. Om een paar EL34 aan te sturen kan je de schakeling ombouwen naar een williamsonschakeling door een tweede dubbele triode te gebruiken.

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