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

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

Triode — Pentode — Ultra 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.

Unity Coupled versterker bouwen?

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 klassieke tegenkoppeling naar de cathode van de drivertrap.

Hier kan je enkele voorbeelden van unity coupled versterkers vinden.