Berekening van de nodige versterking

We willen een totale tegenkoppeling van 15dB, wat een goed compromis is. Dit brengt de totale benodigde versterking van de complete voortrap op 46dB (voor een paar EL84) à 53dB (EL509). Sommige schakelingen hebben een zodanige hoge versterking dat oscilleerneigingen moeilijk onderdrukt kunnen worden van zodra de tegenkoppeling ingeschakeld wordt: het is dan beter een cascodeschakeling te gebruiken die een lagere versterking heeft en meer stabiel is.

Transistorkeuzes

Een zeer gode transistor die in cascodeschakelingen gebruikt kan worden is de BC546 (A, B of C). De transistor kan werken met een collectorspanning van 60V. In de cascodeschakelingen stijgt de spanning tot maximaal 30V. Het is een specifieke audio-transistor, enkel te gebruiken als onderste transistor. De hfe van de BC546B in deze schakeling bedraagt 215 (stroom van 0.75mA) tot 470 (stroom van 1.2mA), in een cascodeschakeling zorgt deze hoge stroomversterking voor een totale spanningsversterking van 620.

Ik heb mijn schakeling gebouwd met een paar BSS38 die een collectorspanning van 100V kunnen verdragen. De versterking is wat lager, dit is te merken aan de hogere basisstroom en de asymmetrie die daardoor ontstaat als de basisweerstanden naar massa niet dezelfde waarde hebben. Ik heb de schakeling met deze transistor gebouwd omdat ik voldoende transistoren had. De transistoren hadden ook allemaal dezelfde gain (42). Deze lage stroomversterking zorgt voor een totale spanningsversterking van 250× in dezelfde cascodeschakeling.

Een transistor die een hogere stroom kan leveren is de BUX87 (hoogste gain bij 10mA, namelijk 120×). De gain bij 1mA is nog steeds 80×. De terugval is een teken dat de transistor oorspronkelijk ontwikkeld is geweest voor schakelende voedingen, maar die kan hier gerust gebruikt worden want de terugval is beperkt. De gemeten stroomversterking bij een emitter-collectorspanning van 120V en een stroom van 2.1mA bedraagt 110.

Deze transistor kan met een spanning tot 400V werken: er zijn daarom geen specifieke maatregelen nodig om de hoogspanning te beperken. De collectorweerstand kan hier verlaagd worden tot 22kΩ (bij een hoogspanning van 250V) en er is slechts een kleine koelplaat nodig.

Deze transistor kan gebruikt worden om de zwaarst mogelijke belasting aan te sturen: om een paar PL519 aan te sturen is een collectorweerstand van 47kΩ voldoende (het is niet nodig van lager te gaan want dan neemt de versterking van de schakeling af). De onderste transistoren kunnen BF422 zijn zodat men veilig zit wat betreft de maximale collectorspanning.

In- en uitgangssignaal van de schakeling f = 10kHz, input = 100mV, output 78V (gain = 780×) Dubbele cascode met 4 transistoren BC546B en BF422

Bandbreedte

Over het frekwentiebereik van de versterker ontstaan er fasefouten tussen ingang en uitgang, veroorzaakt door de koppelcondensatoren, de transfo's,... Bij een versterker met tegenkoppling moeten de fasefouten beperkt worden, want als de fasefout te groot wordt, dan werkt de tegenkoppeling niet meer als tegenkoppeling, maar als meekoppeling en gaat de versterker oscilleren op bepaalde frekwenties.

Omdat de tegenkoppeling afgenomen wordt op de secundaire van de outpouttransformator spelen ook de eigenschappen van de aangesloten luidspreker een rol bij het ontstaan van de fasefouten. Een versterker die perfekt werkt op een dummy load kan wild gaan oscilleren als er een luidspreker aangesloten wordt. Om de faseverschuiving van de luidspreker te compenseren wordt er bij transistorversterkers (die doorgaans een zeer sterke tegenkoppeling hebben) meestal een filter geplaatst op de uitgang: 10Ω en 0.47µF.

Ik geef er de voorkeur aan de bandbreedte bewust te beperken tot 30kHz. Frekwenties boven de 20kHz hoort men toch niet. Door de bandbreedte te beperken kan men de instabiliteit van de versterker verkleinen. Dit is zichtbaar als overshoot en ringing op het uitgangsignaal als de versterker een blokgolfsignaal te verwerken krijgt. Faseverschuivingen die zouden kunnen optreden zitten nu buiten de frekwentieband van de versterker en worden niet versterkt.

Door de bandbreedte te beperken kan men een versterker bouwen met componenten die afwijken van de specifikaties, en de versterker zal nog steeds optimaal functionneren. Het is hier natuurlijk niet de bedoeling van oude koolstofweerstanden en zwarte teercondensatoren uit een oude radio te gebruiken. Maar gebruikt men goede componenten zoals metaalfilmweerstanden, dan kan men een vereterker bouwen die gemakkelijker af te regelen is en die stabiel zal blijven met alle types luidsprekers.

Iedere test werd uitgevoerd met verschillende transistoren (voor wat betreft de buizen was er niet zoveel keuze: de ECC81). De beste schakeling bleek die te zijn met een combinatie van transistoren in de voortrap en triodes in de drivertrap. De triode geeft wel een hogere uitgangsimpedantie, zeker in een cascodeschakeling, maar de lineariteit is beter. De schakeling met de beste eigenschappen is er een met een dubbele cascode, waarbij de transistoren een long tail vormen.

En wat is het uiteindelijk geworden?

Er is nog een tweede voorversterkerprint nodig voor de tegenkoppeling. Er is hier bewust gekozen voor een aparte print zodat de tegenkoppeling aangepast kan worden aan de transformator. De voorversterkerprint is op zich stabiel en moet niet meer aangepast worden (condensetoren van 470pF zijn voorzien om de bandbreedte te beperken, ze staan nog niet op de schakeling).

Het signaal van de voorversterker gaat dan naar de twee eindtrappen, de stuurroosters krijgen allemaal een instelbare negatieve voorspanning.