Buizenversterkers
Gyrator als smoorspoelvervanger
Gyrator

Oudere versterkers hebben vaak een smoorspoel om de brom in de voedingspanning weg te werken. Een modern alternatief op de smoorspoel is de gyrator.
-

-

Een smoorspoel is een spoel met veel ijzer, zodat er energie in opgeslagen kan worden (zoals in een condensator). Terwijl in een condensator de energie opgeslagen wordt als een spanning, wordt in de smoorspoel de energie opgeslagen als een stroom.

Werking van een smoorspoel

De bedoeling van de elko's en de smoorspoel is om energie te leveren als de diode geen stroom levert, dus om de spanning zo constant mogelijk te houden en om brom te vermijden. Push pull versterkers hebben in de eindtrap een minder sterke filtering nodig omdat de brom redelijk goed weggewerkt wordt door de symmetrische trap, maar een single ended versterker en voortrappen hebben een goede filtering nodig, want onregelmatigheden in de voedingspanning wordt hoorbaar als brom in de luidsprekers.

In oudere versterkers was een smoorspoel noodzakelijk omdat de elko's maar een beperkte capaciteit hadden, 16µF, 32µF en dan uiteindelijk tweemaal 50µF. Dit was echter te weinig om de voedingspanning voldoende te filteren. Maar men kon de gebrekkige elko's bijstaan door een smoorspoel.

Tegenwoordig hebben we elko's met een zeer hoge waarde, 400µF en meer, waardoor een smoorspoel niet meer nodig is. Maar als je een oude versterker wilt herstellen of als je toch een smoorspoel wilt gebruiken, kan je als alternatief een gyrator gebruiken. Dit is een kleine schakeling die al bestond ten tijde van de lampenversterkers, maar toen weinig gebruikt werd wegens zijn te laag rendement (teveel spanningsverlies over de buis). Met transistoren en MOSFET's is dit probleem echter van de baan.

Indien je een oude versterker herstelt en je wilt de gelijkrichterbuizen behouden ben je beperkt in de waarde van de condensator na de diode (meestal 50µF) want de piekstroom moet beperkt worden. Het gebruik van een smoorspoel (of gyrator) is daardoor noodzakelijk om de brom te verminderen.

Een gyrator is kleiner dan een smoorspoel en pikt geen magnetische straling op, zodat de plaatsing in een versterker veel gemakkelijker is.

Gyratorschakeling in telefoon

Gyrators werden gebruikt in telefoontoestellen die aangesloten werden op de oude, normale telefoonlijn (POTS = plain old telephone set). De zeer oude telefoons met kiesschijf hadden een transformator die als smoorspoel werkte, maar modernere en meer draagbare toestellen (en draadloze toestellen) hadden een gyrator om een vaste stroom door de loop mogelijk te maken en om het wisselspanningscomponent er uit te filteren.

Gyrators worden ook in filterschakelingen gebruikt waar ze de functie van een zelfinductie hebben, maar deze schakelingen zullen we hier niet bespreken.

Voorbeeldschakeling

Een smoorspoel en een gyrator worden gebruikt om een zo constant mogelijke stroom te leveren. Het is geen constante stroombron, maar een bron die zich aanpast aan de vraag. Dit is een voorbeeldschakeling met een NPN transistor. Er zijn twee onderdelen van belang: de condensator en de emitterweerstand. Let goed op hoe de condensator aangesloten wordt: over de emitter en de emitterweerstand.

Door de twee weerstanden komt er een bepaalde spanning over de condensator, zodat de transistor kan geleiden als er stroom gevraagd wordt. In rust staat er een spanning over de condensator van 0.63V, de drempelspanning van de émitter-basis diode. De transistor begint dan te geleiden, waardoor de spanning over de transistor daalt. In rust hebben we een spanning over de transistor van ongeveer 1.2V.

Als er stroom geleverd moet worden, dan veroorzaakt de stroom een spanningsval over de emitterweerstand, waardoor de stroom niet kan stijgen. Door de hogere stroomvraag wordt de condensator echter verder opgeladen, waardoor de transistor uiteindelijk ook meer gaat geleiden. Bij constante stroom neigt de spanning over de transistor naar 1.2V. De schakeling beperkt dus de stroomveranderingen zoals een smoorspoel.

Uitgewerkte schakeling

De schakeling rechts is een meer concrete schakeling met een hoogspanningstransistor. De transistor kan constant 1A leveren, maar de stroom wordt beperkt door de maximale dissipatie van de transistor. Er is dan ook een koelplaat nodig. In constante werking is er een spanningsval van ongeveer 5V over de transistor (overeenkomend met de source-gate spanning wanneer de transistor in geleiding komt).

Als de stroom zou stijgen, dan is er een hogere spanning over de source-weerstand, waardoor de gate minder positief wordt en de transistor minder uitgestuurd wordt. Uiteindelijk wordt de condensator wel opgeladen, waardoor de transistor meer en meer gaat geleiden.

De zenerdiode van 12V samen met de sourceweerstand beperkt de maximale stroom door de transistor. Deze gyrator komt overeen met een smoorspoel van 47H en 60Ω draadweerstand.

De uitgangspanning wordt door deze schakeling absoluut niet gestabiliseerd, in tegendeel: als er een hogere stroomvraag is, dan zakt de uitgangsspanning in elkaar (hogere spanning over de transistor). Het is voor deze reden dat de uitgangscondensator (hier gestippeld getekend) absoluut noodzakelijk is. De waarde van C1 in de schakeling mag daarom niet te groot worden, zodat de schakeling voldoende snel reageert op een veranderlijke stroomvraag.

Zonder uitgangscondensator zou de gyrator niet gebruikt kunnen worden in een versterker. De gyrator zou de stroomversterking van een triode of transistor volledig verstoren door de stroomveranderingen tegen te gaan en dus hoge spanningsvariaties in de voeding veroorzaken.

Gyrator als belastingsweerstand in voorversterkertrap

Een gyratorschakeling wordt soms gebruikt als belastingsweerstand in een voorversterkerschakeling omdat die een nagenoeg oneindige impedantie heeft. De versterking van de schakeling komt daardoor in de buurt van de theoretische spanningsversterking (µ). Maar natuurlijk wordt de theoretische versterking van een triode nooit bereikt, want de spanningsveranderingen op de anode veroorzaken een vermindering van de versterking, zeker bij triodes.

Overigens is een gyrator als belastingsweerstand niet zo'n goede schakeling in een versterker, je haalt slechts een marginale verbetering van de versterking ten koste van een grote complexiteit.

Opgelet, een gyrator is geen constante stroombron (CCS: constant current source). Een CCS levert een constante stroom en de spanning over de CCS kan daardoor sterk veranderen. Een gyrator daartegenover levert een stroom die constant is, maar zich aanpast aan de belasting: als er een hogere spanningsval is over de gyrator, dan stijgt de stroom langzaam. De gyrator probeert een constante spanningsval te hebben en past langzaam de stroom aan om de spanningsval te stabiliseren.

Ontkoppeling van de voortrap van de voedingspanning



Tegenwoordig is een smoorspoel of gyrator niet meer noodzakelijk. Maar de volgende kleine schakeling kan wel nuttig zijn in push pull versterkers die in classe AB werken.

Een versterker die in classe AB werkt trekt (veel) meer stroom op vol vermogen dan in rust. Dit kan gaan tot een factor 1:20 of meer (8mA in rust en 160mA op maximaal vermogen). Het gevolg daarvan is dat de voedingspanning wat daalt als de versterker signaalpieken moet leveren.

Met deze schakeling wordt de voedingspanning van de voorversterker ontkoppeld van de algemene voeding. Als de voedingspanning daalt, dan gaat de diode uit geleiding en blijft de spanning voor de voorversterker redelijk constant.

Er worden heelwat schakelingen op het internet gepubliceerd, sommigen zijn te complex of weinig efficiënt. Dit is één van de schakelingen die wel nuttig is en die ik in al mijn versterkers toepast (eigenlijk is het enkel het bijplaatsen van een siliciumdiode).

Ik merk een duidelijk verschil: de versterker werkt meer stabiel, het vermogen dat geleverd moet worden heeft geen invloed op het klankbeeld (geen compressie-effect), de versterker recupereert direct na een vermogenspiek,... De intermodulatie wordt ook beperkt (invloed van een hoogvermogen laagfrekwent signaal op het normaal muzieksignaal). En dit alles door enkel een diode bij te plaatsen.

Publicités - Reklame

-