Gelijkspanningsversterkers

Bij een klassieke sturing op g1 is de uitgangsspanning (op de anode) ongeveer 100V hoger dan de ingangsspanning (op het rooster). Iedere trap van de versterker verhoogt de nodige spanning met ongeveer 100V. In de praktijk zal men geen gelijkspanningsversterker bouwen met meer dan 3 trappen (met een voedingsspanning van 400V). Dit is voldoende om een signaal van 1mV te versterken om een relais aan te sturen.

Maar het schermrooster (g2) zit op een hoger potentieel, in theorie kan de spanning op het schermrooster ongeveer identiek zijn als de anodespanning. De anode van een trap kan dus direct gekoppeld worden met het schermrooster van de volgende trap. Omdat een sturing op g2 een zeker vermogen nodig heeft, wordt de spanningsversterking beperkt tot ongeveer 20× per trap.

In de praktijk is de schermroosterspanning 10 à 20% lager dan de anodespanning. Door de lagere schermroosterspanning loopt er minder stroom door het schermrooster waardoor de stuurtrap minder vermogen moet ontwikkelen. Bij een viertrapsversterker heeft men volgende spanningen:

• Eerste trap: ingang op g1, uitgang (anode) op 60V (1mV)
• Tweede trap: ingang op g2 (60V), uitgang op 90V (20mV)
• Derde trap: ingang op g2 (90V), uitgang op 120V (400mV)
• Vierde trap: ingang op 120V, uitgang op 180V (8V)

De sturing op g2 werd afgevoerd met de komst van de complementaire transistoren die geen koppelcondensatoren nodig hadden.

Sturing op g2

Er is wel een verschil: de basis van de transistor gedraagt zich als een diode (en veroorzaakt vervorming als die spanningsgestuurd is), terwijl het schermrooster zich als een weerstand gedraagt.

Enhanced triode

De benaming "enhanced triode" werd door Tim de Paravicini gelanceerd, vergelijkbaar met MOSFET's die in "enhanced" mode werken met positieve gate (maar zonder gatestroom).

Bij een sturing op g2 heft men meer vermogen nodig dan bij een sturing op g1 (stroomsturing vs. spanningssturing). De schakeling moet volledig aangepast worden, het volstaat hier niet een schakelaar om te zetten om van de ene werking naar de andere te gaan. De amplitude van het ingangssignaal moet ook groter zijn: tot 5× groter als men een tegenkoppeling gebruikt.

De buizen die het meest geschikt zijn voor een g2-sturing zijn de buizen met een hoge verhouding anodestroom/schermroosterstroom. In deze categorie vallen de lijn- en rastereindtrapbuizen die een speciale roosterconstructie hebben waarbij het g2-rooster in de schaduw van het g1-rooster ligt. Bij een lineaire instelling verdrijft de negatieve spanning op g1 de electronen weg van het g2-rooster. Deze buizen zijn geen echte pentodes maar beam tetrodes. Lijneindtrappen zijn ontworpen om te werken met een spanning op g2 die de helft van de voedingsspanning bedraagt, wat hier perfekt uitkomt om een maximale spanningszwaai te bekomen.

Een PL504 kan in een single ended en push pull versterker gebruikt worden, maar een PL519 die krachtiger is kan niet zomaar in een SE schakeling gebruikt worden, de vervorming is moeilijk in bedwang te houden. Dankzij de sturing op g2 kan de vervorming onderdrukt worden en heeft men de voordelen van een lijneindtrap.

De enhanced triodeschakeling geeft een vermogen die ongeveer 10% lager is in vergelijking met een sturing op g1 bij gebruik van beam tetrodes zoals de 6L6 (die ook baat heeft met een enhanced triode sturing). Naar analogie met de triode/pentode schakeling is de enhanced triodeschakeling vergelijkbaar met een ultralineair schakeling. Bij echte eindtrappen voor de magnetische afbuiging in televisies kan men echter een hoger outputvermogen halen bij een schermroostersturing. Dit komt omdat de vervorming minder is en de buis dus sterker uitgestuurd kan worden.

De schermroostersturing wordt vooral met lijneindtrappen gebruikt, deze hebben wat minder lineaire eigenschappen dan de meer klassieke beam tetrodes (KT77...) en pentodes. Zelfs in 2022 kan men nog gemakkelijk lijneindtrappen vinden in NOS conditie (of zelfs van recente makelij) en de prijzen zijn lager dan die van standaard pentodes.

De PCL805 triode-vermogenstetrode (rastereindtrap) is ook een goed candidaat voor een sturing op het schermrooster, kijk hoe equidistant de krommen lopen. De goede eigenschappen blijven behouden met een schermroosterspanning van 100V en een g1 spanning van -15V.

Maar de schermroostersturing wordt vooral gebruikt bij single ended versterkers, waar de maximale anodedissipatie het audiovermogen bepaalt. Met een maximale dissipatie van 8W kan men hoogstens een audiovermogen van 2.6W halen, terwijl een PL504 een vermogen van meer dan 5W mogelijk maakt, wat voldoende is voor een kleine stereo versterker.

De g2-sturing kan wel toegepast worden bij een push pull schakeling, waarbij de triode gebruikt wordt om de schermroosterstroom te leveren (de triode kan een stroom van 5mA leveren). Men heeft dan enkel een dubbele triode ECC83 nodig om het audiosignaal te versterken en de twee fasen te leveren.

Ter info: de lijn A-B geeft het verboden gebied aan: bij een lage anodespanning stijgt de schermroosterstroom boven de toegelaten waarde (maar voor deze limiet bereikt wordt, zitten we al over de maximale dissipatie van de triode).

Links prototype van een g2-sturing met PL504 (250V voedingsspanning, 65mA anodestroom). De vervorming was zo laag dat de meeste vervorming afkomstig was van de voortrap! De vervorming van de eindtrap was lager dan 1% zonder extra maatregelen. Met de terugkoppeling (22nF, 470kΩ) was de vervorming niet meer meetbaat. Het vermogen was echter beperkt tot 4W vanwege de transformator die niet optimaal was (men moet een spaciale transformator voor SE versterkers kopen, deze transformatoren hebben een luchtspleet om saturatie tegen te gaan).

De schakeling werd uiteindelijk omgebouwd tot een balansversterker met nog betere eigenschappen. We leggen dit allemaal uit met een paar praktische schakelingen:

Enhanced triode single ended

Een principeschema en twee uitgewerkte voorbeelden waarbij we uitleg geven over de statische instelling om de laagst mogelijke vervorming te bekomen.

Enhanced triode push pull

Dit is de laatste schakeling die ik ontworpen heb in 2000 voor mijn verhuis. De schakeling kan aangepast worden voor een paar PL504 of een paar PL519.

Dubbele SRPP schakeling met schermroosstersturing

De SRPP schakeling is een tussenvorm tussen de single ended eindtrap en de push pull met balanstransformator. Ook een dergelijke eindtrap kan op g2 gestuurd worden.

De enhanced triode schakeling die gebruikt kan worden met lijn- en rastereindtrappen (beam tetrodes) heeft meer voordelen. Deze worden in het kort besproken op de pagina over de rasterindtrap van kleurentelevisies PL508. De schakeling wordt op die pagina besproken met een PL508, maar de schakeling kan evengoed gebouwd worden met een PL504 die een hoger vermogen kan leveren.

Bijkomend probleem bij sturing op g1

Normaal wordt de eindtrap gestuurd met een wisselspanning met een amplitude van 10V effectief of meer. De spanning komt via een koppelcondensator en de vaste gelijkspanning komt via een lekweerstand. Bij een sterke uitsturing kan het werkpunt van de eindtrap verschuiven, meestal heeft dit als gevolg het ontstaan van crossover vervorming en/of het verminderen van het beschikbaar vermogen.

Dit wordt vermeden door een sturing op het schermrooster: de sturing komt direct van de drivertrap zonder condensator die opgeladen wordt, maar dezelfde werkwijze kan ook toegepast worden bij sturing op g1, als de amplitude van het signaal zo sterk wordt dat het rooster positief kan worden (werking in classe AB2).

Mijn uiteindelijke versterker is een single ended schakeling met PL504 en smoorspoel in plaats van de speciale uitgangstransfo. Voor een PL504 bleek een schermroostersturing niet nodig te zijn als de schermroosterspanning maar voldoende laag gekozen wordt.