Buizenversterkers
Hybride versterker met BF422 en PL504
 

Na verschillende testen heb ik een hybride versterker gebouwd met de transistoren BF422 en de lijneindtrap buis PL504. Het is geen dubbele cascode of mullardschakeling geworden, maar een eenvoudige cathodyne.
-

-

Ik heb de versterker gebouwd met wat ik over had aan onderdelen: een paar BF422 (transistoren die geschikt zijn voor 250V) en PL504 (lijn eindtrappen van zwart wit televisies).

Voedingsgedeelte

We beginnen de bespreking van de schakeling met de voedingstransformatoren: ik heb er één die een spanning van tweemaal 24V levert. Deze spanning kan gebruikt worden voor de gloeidraden (ze hebben normaal 27V nodig, maar werken evengoed op 24V). Dezelfde transfo levert ook de negatieve voorspanning en de g2-spanning van 75V. De tweede transfo levert de hoogspanning (gelijkgericht 250V onbelast). Er zijn 4 trimmers nodig voor de instelling van de stuurroosterspanning, ik heb er maar 2 getekend. Het voedingsgedeelte is eigenlijk complexer dan de rest van de schakeling.

Spanningsversterker

In plaats van een complexe symmetrische schakeling te gebruiken heb ik de meest eenvoudige schakeling gebruikt die beschikbaar is voor push pull buizenversterkers: een concertina fase-omkeertrap. Deze schakeling wordt doorgaans met buizen gebouwd, met een ECC83 als voortrap en faseomkeertrap en een paar EL84 als eindtrap. Hier wordt de ECC83 vervangen door twee hoogspanningstransistoren.

De eerste transistor zorgt voor de spanningsversterking. Zonder tegenkoppeling versterkt de schakeling 62× door de niet-ontkoppelde emitterweerstand. De tegenkoppeling wordt aan de emitter aangelegd, zoals bij een normale triodeschakeling. De collectorstroom bedraagt 385µA. De transistor heeft een hogere spanningsverskerking dan een triode, waardoor de tegenkoppeling sterk kan ingrijpen.

Fase omkeertrap

De tweede transistor wordt in een traditionele cathodyneschakeling gebruikt (in de tijd gebruikte men ook de benaming concertina). De transistorschakeling heeft betere eigenschappen omdat de uitgangsimpedantie lager is. De twee signalen zijn mooi symmetrisch. De stroom bedraagt 950µA.

Push pull eindtrap

Als eindtrap gebruik ik PL504 (ik heb er nog voldoende in reserve). Het vermogen werd bewust beperkt tot 10W omdat ik met transfo's moet werken die normaal geschikt zijn voor EL84. De primaire wikkelingen zijn voorzien voor een permanente stroom van 50mA.

Rechts de (bijna) volledige schakeling met een printplaat met de volledige voorversterker en negatieve polarisatie instelling. De tweede printplaat bevat de complete voeding: negatieve voorspanning, schermroosterspanning en hoogspanning, maar zonder de elko van de hoogspanning.

Wat er nog ontbreekt: de twee voedingstransfo's, de twee uitgangstransfo's en de 4 vermogenbuizen.

De PL504 kan werken volgens drie verschillende instellingen:

  • Negatieve voorspanning door ontkoppelde cathodeweertand: men moet een weerstand van 200Ω gebruiken per buis, samen met een elko van 1000µF/25V. De stroom per buis is ongeveer 45mA en is redelijk stabiel ongeacht de belasting (werking in classe A zonder noemenswaardige verschuiving van het werkpunt).

    Deze werkwijze is de meest eenvoudige en zorgt voor een goed resultaat zonder afregelprocedure. De volledige schakeling voor de negatieve voorspanning is niet nodig. De schakeling is zelfinstellend: bij een verhoging van de stroom door een buis stijgt ook de spanning over de cathodeweerstand, waardoor de buis automatisch minder gaat geleiden. Men moet een weerstand en elko gebruiken voor iedere buis omdat de buizen niet gepaard zijn.

  • Werking in classe A met een ruststroom van 47mA die weinig verandert naargelang het vermogen dat geleverd moet worden. De negatieve roosterspanning wordt ingesteld op -10.5V.

    Deze werkwijze heeft geen voordelen ten opzichte van de instelling met cathodeweerstand (enkel een wat hoger vermogen omdat er geen verlies is over de cathodeweerstand). De buizen werken altijd op hun nominaal vermogen (dit vormt geen probleem, de buizen zijn geschikt om een 5 maal hogere stroom te leveren). Maar de permanente hoge stroom kan een heel lichte 100Hz-brom veroorzaken. Het maximaal vermogen wordt beperkt door de dissipatie van de buizen.

  • Werking in classe AB met een ruststroom van 6mA en een maximale stroom van 33mA (gemiddeld). Piekstroom is 65mA. De roostervoorspanning bedraagt hier -17.5V.

    Dit is de aangeraden instelling voor deze schakeling, zeker als je het maximaal vermogen wilt halen. Stel de voorspanning in zonder hoogspanning, controleer dan met de versterker in werking: je moet ongeveer 6mV hebben over de cathodeweertanden. Je kan de instellingen nog wat bijwerken met een skoop.

Aparte vast ingestelde schermroosterspanning

Het voordeel van te werken met een aparte vaste ingestelde g2 spanning is dat je het vermogen van de versterker kan opvoeren of verminderen gewoon door de hoogspanning van de eindtrappen te wijzigen (anodespanning). De eindtrappen blijven in dezelfde instelling werken (classe A of AB) en er is geen verschuiving van het werkpunt. De anodestroom stijgt wel met de spanning (de buis gedraagt zich als een weerstand) maar dit is een zuivere lineaire stijging. Gebruikt men een polarisatie door een cathodeweerstand, dan stijgt de stroom nauwelijks met de spanning.

Als de g2-spanning samen met de anodespanning stijgt, dan verloopt de instelling van de buis zodanig sterk, dat de roostervoorspanning aangepast moet worden. Bij een verandering van bijvoorbeeld 200V naar 250V (g2 spanning van 133V naar 167V) gaat de eindtrap van een ruststroom van 8mA naar 60mA met eenzelfde negatieve roostervoorspanning.

Dit is een eigenschap die eigen is aan alle beam tetrodes waarbij de spoed van het schermrooster in het verlengde van die van het stuurrooster ligt.

Bij het instellen van de versterker moet men de cathodestroom meten en niet blind vertrouwen op de roostervoorspanning. Buizen kunnen verschillende eigenschappen hebben en de g2-spanning speelt ook een grote rol. Een hogere of lagere g2-spanning kan gecompenseerd worden door een meer of minder negatieve g1-spanning. De PL504 die gekend is als een moeilijk te temmen beest wordt hier in bedwang gehouden door een kleine schakeling tussen anode en schermrooster (condensator van 4.7nF en weerstand van 18kΩ). De waarden zijn niet kritisch en als je een hoogwaardige transformator gebruikt zijn deze componenten zelfs niet nodig (in de uiteindelijke versie zijn de componenten niet gebruikt).

De traditionele condensator van 120pF tussen de twee transistoren dient om de bandbreedte van de versterker te beperken bij zeer hoge frekwenties, als de transformator een fasefout gaat veroorzaken. Daardoor werkt de tegenkoppeling niet meer en kan de versterker zelfs hoogfrekwent gaan oscilleren. Andere maatregelen zijn niet nodig, maar de uiteindelijke kwaliteit van de versterker hangt grotendeels af van de uitgangstransfo.

De schermroosterspanning wordt ingesteld op 78V, wat ook een reden is waarom de versterker stabiel is. Ondanks de lage spanning is de tetrodeknik niet aanwezig. Er loopt een stroom van 1mA door de schermroosters, wat een teken is dat de versterker een hoog rendement heeft. Opgelet, de schermroostervoorspanning heeft een grote invloed op de anodestroom: om die in te stellen moet indien nodig de stuurroostervoorspanning aangepast worden aan de beschikbare g2-spanning. Bij een stijging van de g2-spanning met 10V moet de g1-spanning met 2V verlaagd worden.

Dit zijn spanningsniveaus bij iedere trap (RMS spanningen) bij een vermogen van 90%:

IngangG1AnodeSecundairVermogen
708mV8.3V165V * 29.6V9.5W

Om het vooropgesteld maximaal vermogen te halen en een voldoende reserve te hebben (blocking margin bij tegengekoppelde versterkers) moet de drivertrap een spanning van minstens 13V effektief kunnen leveren (38V piek-piek spanning).

De versterking van de eerste trap is hier beperkt tot 11.7× en kan indien nodig wat verhoogd worden indien de gevoeligheid te laag is. De PL504 heeft een spanningsversterking van 20×. De versterker heeft een hoog rendement, het vermogen van 10W wordt gehaald bij een stroom van 66mA (240V): het verbruik bedraagt 16W.

Het vermogen wordt hier bewust beperkt tot 10W (anodestroom lager dan 50mA) om de uitgangstransformatoren niet te verbranden. De transfo's hebben echter geen ijzertekort, waardoor de bandbreedte gaat van 18 tot 18kHz ±3dB. De beste manier om het vermogen te beperken zonder de buis in zijn niet-lineair gebied te duwen is door de g2 spanning te verlagen.

De lagere stroom van 45mA (voorspanning instelling met cathodeweerstanden) bij -9V terwijl de stroom 47mA bedraagt bij een voorspanning van -10.5V wordt veroorzaakt door de spanningsval over de cathodeweerstand, waardoor de relatieve g2 spanning lager wordt.

Rechts de complete werkende monobloc prototype zonder de twee voedingstransfo's. De outputtransformator werd tijdelijk geleend uit een andere versterker met PL509 buizen.

Puristen zullen mij vertellend at dit geen echte buizenversterker meer is. So what? Je hebt recht van spreken als je een GZ34 gelijkrichterbuis, originele teercondensatoren en koolweerstanden met 20% toterantie gebruikt.

Deze versterker klinkt zeer goed, blijkbaar zijn hier de voordelen van de transistor en de buis in één versterker samengevoegd. Een bewijs dat je geen zware versterker nodig hebt om kwaliteit te hebben ("het is de eerste watt die telt"). De versterker geeft een zeer duidelijk geluidsbeeld, de transistoren zorgen voor de schepte en de buizen voor de kracht. Hoewel het vermogen bewust beperkt werd tot 10W merk je van deze beperking niets in een normaal huiskamergebruik. PL504 buizen kunnen wel degelijk gebruikt worden in een hifi versterker.

Een versterker die nog beter klinkt is de SRPP schakeling met PCL805, maar deze versterker levert een vermogen van 5W rms bij een vervormung van minder dan 0.1%.

Rechts de cathodestroom van beide tetrodes, gemeten over de cathodeweerstand. De werking is classe AB is duidelijk te zien: één buis gaat in geleiding als de andere uit geleiding gaat. De overgang verloopt perfekt zonder haperingen.

Er is een verschil in cathodestroom, dit wordt veroorzaakt door één buis die meer versleten is. Het effekt is niet hoorbaar, maar boven de 10W stijgt de vervorming. Het is de piekstroom die verschillend is, deze fout kan niet opgevangen worden door de negatieve polarisatie te veranderen: beide buizen kunnen probleemloos een ruststroom van 6mA leveren.

Na testen met verschillende luidsprekers, balanstransformatoren en types buizen is dit de definitieve schakeling geworden (ik gebruik die continu): balansversterker in classe AB met transistoren en EL504. Bij buizenversterkers meer dan bij transistorversterkers speelt de invloed van de gebruikte luidsprekers een grote rol.

Meer vermogen

Indien je meer vermogen wenst (dit is altijd de eerste vrag die ik krijg), dan moet je de g2-spanning niet verhogen, je gaat daarmee enkel de instelling van de buis veranderen. Laat de schermroosterspanning op +78V staan. De anodespanning kan opgevoerd worden tot 330V, maar dan moet de spanning op de voorversterker beperkt worden tot 250V (maximale spanning over de transistoren). De weerstand van 10kΩ wordt er één met een dissipatie van 1W en er komt een extra weerstand van 33kΩ 2W naar massa (spanningsdeler). Je kan zonder probleem een vermogen van 25W halen zonder de tetrodes over te belasten. Controleer wel de cathodestroom van de eindtrappen: ongeveer 6mA in rust en 50mA op maximaal vermogen.

De PL504 kan veel meer vermogen leveren (meer dan 50W) dankzij de grote cathode, er zijn verschillende schema's op het net gepubliceerd die dit vermogen halen. Dit vermogen kan echter niet continu geleverd worden wegens het overschrijden van de maximale dissipatie.

De anodespanning mag varieren in een breed gebied zoder dat dit een grote invloed heeft op de werking van de versterker. Het vermogen dat in een weerstand gedissipeerd wordt stijgt met het kwadraat van de spanning. De PL504 gedraagt zich echter niet als een gestuurde weerstand, maar als een gestuurde stroombron. Dit is min of meer het geval met alle pentodes, terwijl triodes zich gedragen als weerstanden.

De buis werkt met een relatief lage schermroosterspanning en het rooster heeft een fijne spoed, waardoor de schermroosterspanning een veel grotere invloed op de anodestroom heeft dan de anodespanning. Als men de anodespanning van 250V naar 300V brengt (stijging van 20%), dan stijgt het beschikbaar vermogen met 25%. Met een triode zou men een verhoging van het vermogen van 45% (voor zover de buis deze hogere dissipatie aankan).

Als men de anodespanning verhoogt, moet men de negatieve polarisatiespanning slechts weinig veranderen om dezelfde instelling te behouden.

Indien je nog meer vermogen nodig hebt, dan is het aan te raden de eindtrappen te vervangen door PL509/PL519, dat is de versie voor kleurtelevisies. Deze buizen kunnen een driemaal hoger vermogen leveren. Verschillende zaken moeten aangepast worden als je overschakelt op de zwaardere buizen:

  • De gloeispanning bedraagt 40V in plaats van 27V. Een spanning van 36V is toegestaan (24V + 12V), bij 48V heb je een serieweerstand van 27Ω 5W nodig om de spanning te verlagen.
  • De g2 spanning kan opgevoerd worden tot 110V (dit is 40V verdubbeld en gefilterd).
  • De negatieve roosterspanning moet tot -55V kunnen gaan (deze spanning komt ook van dezelfde transfo).
  • Om deze buizen aan te sturen is de schakeling hierboven onvoldoende. Er is een extra trap nodig om de amplitude van het signaal te vergroten en de impedantie te verlagen.
  • de anodespanning is 325V of meer, dat is dezelfde spanning als de transistorversterker rechts.
De schakeling die bijgevoed werd is een differentiaalversterker. De collectorspanning moet ongeveer de halve voedingsspanning zijn (er is een ruime marge). De negatieve spanning is dezelfde als de spanning voor de negatieve roosterspanning. De volledige schakeling (voortrap, fase omkeertrap en differentiaalversterker vormt een Williamsonschakeling (maar nu met transistoren in plaats van triodes).

De transistoren die in de differentiaalversterker gebruikt worden (BUX87) kunnen werken op een spanning van 450V. Een klein koelplaatje kan nodig zijn (dissipatie 1/2W) en de anodeweerstanden moeten exemplaren van 1W zijn.

Stand by schakeling

Om een standbyschakeling te realiseren is de meest eenvoudige oplossing de hoogspanningstransfo gewoon uit te schakelen. De buizen blijven een lage stroom leveren via het schermrooster, waardoor er geen risico op stratificatie van de cathode kan ontstaan. Dit kan bij vermogensbuizen optreden als de buizen lage tijd gloeispanning krijgen maar niet belast worden (cathodestroom nul).

Publicités - Reklame

-