Buizenversterkers
Unity Coupled Menno van der Veen
Menno van der Veen
Servers » TechTalk » Historisch perspectief » Audio » Buizenversterkers » Eindtrap » Speciale schakelingen » Unity Coupled Menno van der Veen

De "unity coupled" versterkers zijn in de jaren 1950 ontworpen om een storend fenomeen van buizenversterkers te onderdrukken. Tegenwoordig is deze complexe schakeling niet echt meer nodig dankzij betere transformatoren, maar je zal soms nog enkele versterkers terugvinden die "unity coupled" zijn.
-

-


Het ontstaan van de "notch" vervorming


Standaard ultra lineair schakeling



UL schakeling met aparte voeding voor de schermroosters



Cathode tegenkoppeling



Unity coupled eindtrap


Bifilair gewikkelde transfo

De tekeningen zijn gebaseerd op het boek van Menno van der Veen "moderne high end buizenversterkers". Zeer interessante lektuur, maar nogal theoretisch (en als het even praktisch wordt, dan is het om de transformatoren van VDV aan te prijzen).

Als er een ingewikkelde schakeling nodig is om een probleem op te lossen, dan moet het probleem wel zeer complex en storend zijn. Maar wat is het probleem dat we willen oplossen met unity coupling?

Vanaf een bepaald vermogen is men gedwongen balansversterkers te gebruiken. Bij een balans- of push pull versterker kunnen de eindtrappen in classe AB gestuurd worden. Bij de positieve amplitude van het signaal geleid één buis (van A tot B), bij de negatieve amplitude geleid de andere buis (van C tot D). In rust is er slechts een zeer lage stroom die door de buizen loopt, waardoor de buizen minder warm worden. Bij een audiovermogen van 50W wordt er in theorie slechts 10W aan warmte gedissipeerd per buis, wat heel positief is.

Maar op het ogenblik dat één buis uit geleiding gaat, is de betreffende wikkeling met "niets" meer verbonden. Door parasitaire capaciteiten tussen de draden gaat de wikkeling oscilleren. Dit werd in die tijd "notch distorsion" genoemd, tegenwoordig gebruikt men eerder de term "ringing".

Een ander probleem is de hoge uitgangsimpedantie van de buizen, de primaire wikkeling had doorgaans een impedantie van 4kΩ en de secundaire wikkeling een impedantie van 8Ω, dus een verhouding van 500. Omgerekend naar de wikkelverhouding komt dit overeen met 22 wikkelingen aan primaire zijde voor 1 wikkeling aan secundaire zijde. Daardoor is er heelwat lekinductie (inductie die niet overgebracht wordt naar het secundair). De transfo heeft een slechte rendement, maar de lekinductie werkt ook de parasitaire oscillaties in de hand want ze worden minder goed gedempt.

Om de minste vervormingen te krijgen is de ultra lineair schakeling aangewezen. Deze schakeling combineert de voordelen van de triode uitgang met de voordelen van de pentode uitgang.

Transfertcaracteristiek

TriodePentodeUltra lineair

De transfertcaracteristiek toont de anodestroom bij een bepaalde anodespanning. Een ideale buis gedraagt zich als een weerstand, dus met een lineair stijgende stroom bij stijgende spanning.

Bij de ultra lineair schakeling moet het schermrooster op dezelfde spanning werken als de anode. De anodespanning is daardoor begrensd tot ongeveer 300V, wat het totaal vermogen beperkt. De anode kan doorgaans op een spanning van 700V werken bij versterkers met een gemiddeld vermogen (50W en meer).

De oplossing is te werken met een aparte wikkeling zodat de schermroosterspanning onafhankelijk ingesteld kan worden van de anodespanning. Menno van der Veen geeft aan dat deze spanning gestabiliseerd moet worden, en ik ben daar 100% mee akkoord. In mijn gestabiliseerde voedingen ga ik zelfs een stapje verder, door de schermroosterspanning lichtjes te laten stijgen als de hoogspanning zakt, zodat het nominaal vermogen altijd gehaald kan worden.

Wat ook belagrijk is om de vervorming te verminderen, is dat er een tegenkoppeling voorzien wordt. In de meeste versterkers wordt er een globale tegenkoppeling toegepast, dus van de uitgang tot aan de ingang. Door allerhande fenomenen (lees de pagina over de tegenkoppeling) klinkt een versterkler met een globale tegenkoppeling minder musicaal dan een natuurlijke versterker.

Een locale tegenkoppeling heeft dit nadeel niet. Maar hoe kan men een locale tegenkoppeling toepassen? Een mogelijkheid is de tegenkoppeling te laten toekomen op de cathode van de eindtrap. Als de ingangsspanning op het rooster stijgt, dan stijgt ook de spanning over de cathode (de spanning over de cathode is een beeld van de spanning op de uitgang). De eindtrap wordt als comparator gebruikt, met de positieve ingang het stuurrooster en de negatieve ingang de cathode. Door de tegenkoppeling moet de eindtrap sterker uitgestuurd worden, en men moet daarmee rekeling houden bij het ontwerp van, de drivertrap.

Na heelwat berekeningen is men tot de slotsom gekomen dat de vervormingen het best onderdrukt worden als de cathodewikkeling overeenkomt met de anodewikkeling (vandaar de naam "unity coupled"). Bij de schakeling rechts (met een transformator van Menno van der Veen VDV-1070-UC) zijn de schermroosters verbonden met de anode van de tegengestelde buis (hier hebben we in feite een meekoppeling in plaats van de locale tegenkoppeling van de ultra lineairschakeling). Dit heeft als voordeel (als beide buizen symmetrisch werken) dat de gemiddelde stroom door de cathodewikkeling overeenkomt met de stroom door de anodewikkeling.

Deze koppeling van de schermroosters aan de anode van de tegengestelde buis is ook nodig om enige versterking te bekomen. Ik toon dit aan met een theoretisch perfecte buis. Als de stuurspanning met 10V stijgt, dan stijgt de cathodespanning met 10V en de anodespanning zakt met 10V (de spanning over de buis zelf zakt met 20V). Een magenta pijl: 10V positiefgaande, een cyan pijl: 10V negatiefgaande. Maar als de cathodespanning met 10V stijgt terwijl de schermroosterspanning constant blijft, dan wordt de versterking van de buis sterk verminderd.

Ideaal gezien moet de schermroosterspanning constant blijven ten opzichte van de cathode. En waar vinden we zo'n punt? Op de anodeaansluiting van de andere buis!

Door de uitgangsimpedantie is de uitgangsimpedantie verlaagd van 4kΩ tot 1kΩ, wat betekent dat de wikkelverhouding nu 11:1 geworden is in plaats van 22:1. De koppeling tussen primair en secundair wordt daarboor verbeterd.

Betreffende de transformator, deze was bifilair gewikkeld zodat er een betere koppeling was tussen de beide wikkelingen om zo notch vervorming of ringing tegen te gaan. Door de goede koppeling tussen beide wikkelingen dempt de ene wikkeling (die aangestuurd wordt, bijvoorbeeld de rode wikkeling) de andere wikkeling waarvan de eindtrap uit geleiding is (de zwarte wikkeling).

Bifilair gewikkelde transformatoren worden soms ook gebruikt bij moderne ontwerpen, zonder dat de schakeling noodzakelijkerwijze unity coupled moet zijn. Er is meer informatie over de audio transformatoren hier.



De theorie is allemaal mooi, maar hoe wordt dat praktisch gerealiseerd? Links hebben we de schakeling van een McIntosh MC275

De eerste trap is een normale voorversterker met tegenkoppeling op de cathode. De 12AX7 komt overeen met de ECC83.

De tweede trap is een long tail schakeling die de twee fasen voorziet. De anodeweerstanden hebben verschillende waarden om het verschil in versterking te compenseren. De 12AU7 komt overeen met de ECC82, een buis met een hoge sweep, een relatief lage uitgangsimpedantie en een relatief lage versterking.

De derde trap is eveneens een long tail, maar met gelijke anodeweerstanden. De 12BH7 heeft niet echt een europees equivalent, het is ene buis met een lage inwendige weerstand die een wat hogere stroom kan leveren dan de ECC82. De buis wordt vaak gebruikt als driver in versterkers, maar ook als eindtrap in oude oscilloscope (verticale electrostatische afbuiging).

De buis wordt gevoed vanaf de wisselspanning op de outputtransformator, want de sweep van de eindtrappen moet zeer sterk zijn bij een unity coupled versterker. Het effect is vergelijkbaar met de bootstrap schakeling (met elko). De buis krijgt een licht positieve spanning op zijn rooster.

De echte drivertrap wordt gevormd door een 12AZ7, een buis die gelijkaardige eigenschappen heeft als de 12BH7. De buis wordt gebruikt als cathodevolger om direct de eindtrappen aan te sturen (zonder koppelcondensator). Het voordeel van de directe aansturing is dat het werkpunt niet verschuift als de eindtrappen op vol vermogen werken. De eindtrappen kunnen ook gestuurd worden met een positieve roosterspanning tijdens de positieve signaalpieken. De buis krijgt zijn voeding via de outputtransformator zodat de voedingsspanning variëert met het te versterken signaal. De spanning tussen anode en cathode bijft daardoor altijd ongeveer gelijk.

De eindtrappen zijn KT88 en de schakeling is unity coupled met een cathodewikkeling, een anode+schermroosterwikkeling (de schermroosters krijgen hun spanning van de anodespanning van de tegenovergestelde buis (zoals in alle "UC" schakelingen). De transfo heeft ook een extra wikkeling voor de stroomvoorziening van de drivers. Het is geen primaire wikkeling (krijgt een wisselspanning), maar een secundaire wikkeling (geeft een wisselspanning af).

De A, B en C uitgangen zijn voorzien voor luidsprekers op 70 of 100V. De versterker kan een vermogen van 75W per kanaal leveren met een vervorming lager dan 0.5% bij een bandbreedte van 20Hz tot 20kHz en een vermogen van 250mW tot 75W. De dempingsfactor is hoger dan 22.

De versterker werd in 1961 ontworpen en werd gedurende 10 jaar gebouwd. De transistoren doen hun intrede en de productie wordt in 1971 gestopt. Maar in 1993 worden er opnieuw dergelijke versterkers gemaakt en we zitten nu aan de 6e generatie (met leds in de voeten van de noval buizen).

Dit is een gelijkaardige schakeling, maar met een vermogen van 30W. Als eindtrappen worden er een paar 6L6 gebruikt. Er is een verschil in de schakeling, de drivertrappen worden direct gevoed via de wikkeling van de hoogspanning en niet meer via een derde wikkeling. De hoogspanning van deze versterker is immers wat lager dan die van de vorige versterker. Hier ook is het mogelijk om 70 en 100V luidsprekers aan te sluiten.

Er is hier ook een dubbele triode in cathodewolgerschakeling om de eindtrappen direct aan te sturen. Bij dit wat lager vermogen is deze trap niet strict nodig, maar het zorgt voor een betere aansturing van de eindtrappen.

Unity Coupled versterker bouwen?

De basisschakeling van de unity coupled versterker werd door McIntosh ontwikkeld na de tweede wereldoorlog. Dit was een tijd van schaarste en de grondstoffen werden eerst gebruikt voor de wederopbouw van het land. Wat er overbleef was er relatief minderwaardig materiaal. De ijzersoorten die beschikbaar waren, waren niet perfect geschikt voor audiotransformatoren. Balanstransformatoren werden vaak gewikkeld zoals voedingstransformatoren, en dit is niet optimaal voor de geluidskwaliteit.

Ondertussen zijn de transformatoren sterk verbeterd. Eigenlijk is een dergelijke complexe schakeling niet meer van deze tijd. Ik ben in staat versterkers te bouwen met een ruststroom van 8mA zonder dat er notch vervorming ontstaat, en dit dankzij het gebruik van moderne, aangepaste outputtransformatoren. Ik zou zeggen, bespaar nooit op de outputtransformator!

Wat er niet vermeld wordt, is dat door de locale tegenkoppeling de drivertrap een veel sterker signaal moet leveren. Bij een unity coupled versterker moet de stuurspanning 50% van de hoogspanning bedragen, en dat is enkel mogelijk als er bootstrapping voorzien wordt (wat de schakeling complexer maakt). Ik heb testen uitgevoerd met een single ended versterker met locale tegenkoppeling, en ben tot de conclusie gekomen dat de stuurtrap meer vervorming veroorzaakte dan de eindtrap (en het was zelfs geen unity coupled eindtrap). De oplossing was te werken met een tegenkoppeling naar de cathode van de drivertrap.

Publicités - Reklame

-