Een goede buisinstelling vinden,
de juiste afstemming tussen twee buizen in een versterkertrap?
Een goede buisinstelling vinden en de juiste afstemming tussen twee buizen in een versterkertrap vinden is een uitdaging waar veel radio amateurs mee kampen. Die instelling en afstemming gaat over twee aspecten:
- Impedantieafstemming voor optimale signaal overdracht
- De juiste spanning en stroom vinden die voor optimale ketenversterking zorgt.
Die impedantieafstemming is belangrijk omdat bij misaanpassing er verlies van signaal plaatsvindt.
Als de spanning die een versterkertrap afgeeft te hoog is en niet aansluit wat bij de volgende versterkertrap nodig heeft krijg je sterke vervorming door oversturing. Clipping noemt men dat.
Andersom bij een te lage signaalspanning krijg je ondersturing, de keten levert niet het uitgangsvermogen die je er graag uit zou willen halen.
Bij de revisie van de Stadradio met Middengolf Zender als ook bij het ontwerp van de 200 Watt PA Versterker liep ik tegen deze uitdagingen aan. Daarom ga ik me in deze materie verdiepen. Hierbij tref je mijn bevindingen aan.
De praktijkwaarde zie je verderop. Opzienbarende en verrassende uitkomsten.
Meerdere buizen of transistoren in een HF of LF versterker
Voor de meeste systemen biedt een versterker met maar één transistor of één buis niet voldoende versterking. Vaak is een bijkomend probleem dat de juiste ingangs- of uitgangsimpedantie niet aanwezig is.
Een oplossing is dan om meerdere versterkertrappen te combineren om daarmee voldoende versterking te vinden en de juiste impedantieafstemming met de buitenwereld te verkrijgen.
Een nieuwe uitdaging die dan opdaagt is dat die verschillende trappen in de versterker op elkaar moeten worden afgestemd. En dit laatste is altijd de uitdaging ongeacht of dit een LF, audio, of een HF radio versterker is.
Die uitdaging ben ik al in verschillende Zender en Versterker projecten gestruikeld en daarom besloot ik om wat dieper in die problematiek te duiken.
En, ik wilde e.e.a. graag begrijpen in Jip en Janneke taal zonder academische formules.
Laten we om te beginnen eens kijken wat er gebeurt als we twee versterkertrappen in serie schakelen (figuur 1).
Merk op dat er afstemming moet plaatsvinden tussen V-in bij de eerste versterkertrap en tussen de tweede versterkertrap en V-out. Maar voor dit onderzoek concentreren we ons op wat er tussen die twee versterkertrappen moet plaatsvinden.
- Buisinstelling vinden -
Kijken we naar figuur 1 dan zien we ingangs- en uitgangsweerstanden een rol spelen bij de overdracht van het signaal naar de volgende versterkertrap. In werkelijkheid zal hierbij altijd impedantie aan de orde zijn, samenstellingen van ohmse weerstand, capacitieve en inductieve reactantie. Maar voor dit onderzoek kunnen we volstaan door het begrip weerstand te hanteren.
Duidelijk is zichtbaar dat bij signaaloverdracht tussen de twee versterkertrappen twee weerstanden moeten worden afgestemd. R-out bij V1 en R-in bij V2.
Uit de wetenschap van vermogensoverdracht weten we dat optimale overdracht plaatsvindt als die weerstanden R-out en R-in aan elkaar gelijk zijn. Dus dezelfde weerstandswaarde bezitten. Hoe gaat dat in zijn werk? De goede buisinstelling vinden in de praktijk?
Directe koppeling tussen versterkertrappen in de praktijk
De koppeling tussen versterkertrappen zoals weergegeven in figuur 1 zien we in de praktijk niet zo vaak. We hebben bijvoorbeeld één keer toegepast in de 30 Watt Audio Versterker met Buizen en bij de Clipping Indicator voor buizen versterkers. Je ziet dat in figuur 2.
We weten van die koppeling in buizen versterkers dat hij nogal kritisch is en niet eenvoudig te ontwerpen of in te regelen. Wat je dan moet afstemmen zijn twee zaken:
1. De gelijkspanning
2. De signaalspanning.
Alleen de wisselspanning afstemmen is al complex genoeg en daarom ook onderwerp van dit onderzoek. Bij de Clipping indicator speelde de wisselspanning afstemming geen rol.
- Buisinstelling vinden -
RC koppeling tussen versterkertrappen
In de praktijk gebruiken we meestal een schakeling waarbij elke trap afzonderlijk met specifieke gelijkspanning staat ingesteld. Via gelijkspanning blokkerende condensatoren koppelen we een versterkertrap aan de volgende trap. Deze oplossing maakt de praktijk van een goede buisinstelling vinden al een stuk makkelijker.
Met deze werkwijze voorkomen we dat de gelijkspanning instellingen van de ene trap het gelijkspanningswerkpunt van de volgende trap beïnvloedt. Over de afstemming van die gelijkspanningen behoeven we ons dan geen zorgen meer te maken.
De capaciteit van die koppelcondensatoren moeten we nu zo groot nemen dat ze als het ware een kortsluiting vormen voor het wisselstroomsignaal. Voor audio in een transistorschakeling heb je dan forse condensatoren nodig. In een buizen schakeling minder fors en in hoogfrequent schakelingen is nog veel minder capaciteit nodig.
Buisinstelling vinden in versterkertrap: issue 1
The load
Ondanks die ontkoppelcondensator speelt de ingangsweerstand van de volgende trap, de zogenaamde “load”, de belasting op de voorgaande trap, nog wel een rol bij de juiste afstemming!
Het netwerk van 100k, 100n en 680k omsloten door de rode stippellijn in figuur 3 is het koppelingsnetwerk. In buis specificaties (datasheets) wordt de weerstand van 680k in dit schema vaak aangeduid met de “load” of Rg’.
Deze zogenaamde rooster-lek-weerstand van 680k fungeert ook als belasting weerstand voor de voorgaande versterkertrap.
Die weerstandswaarde is bij elke buis en iedere andere buisinstelling weer anders maar wel van belang voor een optimale vermogensoverdracht.
De grootte van de koppelcondensator is vooral afhankelijk van de belasting die de tweede trap op de voorliggende trap uitoefent. Hoe zwaarder je die belasting inschat des te groter moet de condensator zijn.
In onderstaande figuur 4 zie je die belasting vereenvoudigt weergegeven. Dat maakt het mogelijk er even in detail naar te kijken en dat levert interessante inzichten op.
- Buisinstelling vinden -
In figuur 4 zie je de opgewekte wisselspanning in de buis en de belastingcircuits, de load, vereenvoudigd weergegeven. In figuur 5 zie je de berekening van totale impedanties/weerstanden, stromen en spanningen.
Je ziet in de tabel op figuur 5 dat wijziging van de koppelcondensator CX eigenlijk nauwelijks een verandering oplevert in de geleverde spanning aan de volgende trap (U-rl). Ook wijziging van de frequentie van 1000Hz (middentoon) naar 100Hz (bastoon) levert bijna niets op.
Maar, let op! Bijna niets!
In de tabel linksboven zie je wat voor impedantie de koppelcondensator bij 100nF of 10nF heeft bij een frequentie van 100Hz of 1000Hz.
In de tabel rechts daarnaast zie je dat het effect daarvan op de belasting impedantie gering is en op de totale belasting impedantie (de rechtse tabel, ‘load totaal’) ook minimaal is.
In de tabel linksonder voegen we ook nog een interne impedantie van de buis toe. Onder midden zie je dan wat de invloed van dit alles is op de spanning die de buis afgeeft en de stroom die de buis af geeft. Minimale verschillen nog steeds.
Maar onderin rechts komt het. Het venijn zit in de staart. Een koppelcondensator van 10nF zou in deze schakeling een forse demping van de lage tonen opleveren!
- Buisinstelling vinden -
Op het moment dat we voor de koppelcondensator niet 100nF maar 10nF nemen zakt in de volgende trap de ingangsspanning voor de lage tonen van 50 naar 40 Volt. Dat is een daling van 20%!
Toch kom je die condensatorwaarde 10nF vaker tegen als koppelcondensator in buizenversterkers. Vanaf nu heb je daar vast een mening over.
Buisinstelling vinden en afstemming van de belastingweerstand
Wat je ook uit deze oefening kunt halen is dat de roosterlekweerstand die hier als load voor de eerste triode is gebruikt geen optimale waarde bezit. Een waarde van ongeveer 150k zou een totale belasting, load, opleveren van ongeveer 62k-ohm.
Zo’n belasting zou beter aansluiten en net een hoger overdrachtsrendement opleveren dan de huidige weerstand van 680k. Merk op dat dan de demping van lage tonen bij een kleine koppelcondensator van 10nF nog veel groter zou zijn!
Toch kun je die roosterlekweerstand niet eenvoudig aanpassen. De volgende buis heeft meestal een roosterlekweerstand van een bepaalde waarde nodig om goed te kunnen werken. Vaak moeten we hier dus enig rendement verlies voor lief nemen en incalculeren.
Afstemming tussen Versterkertrappen issue 2
Een goede buisinstelling vinden en Over- en Ondersturing voorkomen
Meestal gebruik je in een zender, een radio of een audio versterker meerdere versterkertrappen. En de uitdaging is dan dat die netjes op elkaar aansluiten en dat een versterkertrap geen oversturing of ondersturing veroorzaakt in de volgende trap.
Elke trap moet dus de juiste hoeveelheid signaal versterking leveren. Te veel veroorzaakt clipping en te weinig veroorzaakt onderbenutting van de capaciteit van de gehele versterker.
Maar, hoe regel je dat in? Hoe zorg je voor de juiste hoeveelheid versterking in elke versterkertrap?
- Buisinstelling vinden -
Buizen inregelen
Iedere buis kent een beperking in de spanningsversterking die hij kan leveren. Die versterking, de ‘Gain’, wordt in datasheets aangeduid met een “Mu” factor. Voor veel trioden ligt die versterkingsfactor tussen de 10 (bijvoorbeeld ECC82) en 100 (bijvoorbeeld ECC83).
Bedenk wel dat die Mu factor een theoretisch getal is. Praktijkwaardes (output spanning /Input spanning – Vo/Vi) liggen altijd lager dan de Mu en zijn afhankelijk is van de gekozen buisinstellingen.
Pentode buizen kunnen een hogere versterkingsfactor bieden. Een pentode bezit meestal ook een veel hogere uitgangsimpedantie dan een triode. Als de volgende trap dan een lage ingangsimpedantie nodig heeft kan dat een mismatch veroorzaken of moet je de versterking in de pentode beperken.
De hoogte van signaalspanning aan de ingang van een buis wordt beperkt door twee grenzen.
- De afknijpspanning op het stuurrooster van een buis (signaal heeft te hoge negatieve uitslingering en de buis laat geen stroom meer door).
- Roosterstroom op het stuurrooster. De roosterspanning is dan onvoldoende negatief.
De afknijpspanning zie je in de grafieken op datasheets. Die afknijpspanning is bijvoorbeeld een paar volt negatief bij een ECC83 en wel tot wel 20 volt bij een ECC82 (zie figuur 8).
Bedenk dat de hoogte van die afknijpspanning afhankelijk is van de anodespanning. Hoe hoger de anodespanning is des te hogere negatieve spanning op het stuurrooster nodig is om het afknijpniveau te bereiken.
- Buisinstelling vinden -
Het startpunt waarop een buis roosterstroom op het stuurrooster gaat voeren vind je bijna nooit terug op een datasheet. Uit de literatuur begrijp ik dat dit punt meestal ligt ergens tussen de -1,5 V en -0,5 Volt.
Uit ervaring weet ik dat buizen met een hoge versterkingsfactor kritischer zijn voor hun instellingen dan buizen met een lage Mu. Je ziet in de karakteristiek van de ECC82 dat wat meer of minder signaalspanning op het stuurrooster (Vg) geen probleem geeft. Bij de ECC83 zie je dat je al snel buiten het werkterrein van de buis terecht komt.
Om die reden kun je, als je een versterkingsfactor van bijvoorbeeld 100 nodig hebt, beter twee trioden nemen die allebei 10 maal versterken (totaal is dan 10*10 =100) dan één triode die 100 maal versterkt.
- Buisinstelling vinden -
Vuistregel voor de signaal ingangsruimte op het stuurrooster van een triode
Een vuistregel voor de maximale piek-tot-piek ingangsruimte op je versterkertrap met triode is:
Voedingsspanning / Mu * 80/100
Let op: Voedingsspanning, niet anode spanning.
Met alleen voedingsspanning gedeeld door Mu kun je ook werken maar met die 80/100 toevoeging creëer je een veiligheidsmarge zodat je buiten de kromme delen van de grafiek blijft (de niet-lineaire delen van de buis).
Een aanvullende vuistregel is dat je de voorspanning van het stuurrooster het beste in het midden van het rechte stuk van de grafiek curve aanbrengt (zie figuur 9).
Je ziet in de uitvergroting op figuur 10 dat de maximale piek tot piek signaalspanning bij 250 Volt anodespanning op de ECC83 slechts 0,6 Volt is. Bij de ECC82 is dat 10 Volt.
Interessant tot zover, maar een ding ontbreekt nog, namelijk: Hoe weet ik nu hoeveel een buis versterkt bij bepaalde instellingen?
- Buisinstelling vinden -
Hoe kun je de juiste versterkingsfactor verkrijgen?
We moeten een paar lijnen aan de grafiek van de datasheet toevoegen om een antwoord te vinden op de vraag naar de versterkingsfactor.
Werken met loadlijnen
We beginnen met de Anode load lijn (belastinglijn).
Die loadlijn: start bij nul stroom dus nul mA en de anodespanning is dan gelijk aan de voedingsspanning. Er loopt geen stroom dus er gaat geen spanning verloren in de anodeweerstand.
Het andere einde van die lijn is maximum stroom en dan is de anode spanning nul Volt (alle spanning gaat verloren in de anode weerstand).
Bij een voedingspanning van 350V starten we daar (zie rode lijn in figuur 11). De anode weerstand is hier gekozen op 100k. Met die weerstand gaat er bij 3,5mA 350 Volt in de weerstand verloren en is de spanning op de anode dus 0 (nul volt).
In dit voorbeeld hebben we een kathode weerstand van 1k in gedachten.
Voor -1V in een kathode weerstand van 1k kunnen we berekenen dat de kathodestroom 1mA zal zijn en bij -2 Volt zal die 2 mA zijn (I=U/R). Tussen die twee punten, 1 mA op de -1V lijn en 2mA op de -2V lijn, kunnen we een lijn trekken die kruist met de anode loadlijn.
Op dat kruispunt vinden we de ruststroom instellingen van de buis (ruststroom is de stroom bij afwezigheid van een signaal op de ingang). In figuur 11 is dat bij iets meer dan 200 volt anodespanning en 1,45mA anodestroom.
- Buisinstelling vinden -
De AC load lijn
Wil je secuur werken dan kun je ook nog een wisselspanning load lijn tekenen. Een AC load lijn.
Want zoals we hiervoor zagen is de belastingweertand voor wisselspanning lager dan de aanwezige anode weerstand aangeeft.
Die belastingweerstand, zagen we hiervoor, is een parallel schakeling van de roosterlekweerstand in de volgende trap en de anodeweerstand. Hierbij laten we de koppelcondensator even buiten beschouwing omdat zijn invloed hier, als het goed is, verwaarloosbaar is. Heb je te maken met een door de volgende buis gevraagde laagohmige roosterlekweerstand dan kun je de schijnbare weerstand van die condensator beter wel meenemen in de berekening.
Wisselspanning load, de AC load is in dit voorbeeld: 680*100 / (680+100) = 87k. Bij een voedingspanning van 350 Volt komen we uit bij een wisselstroom van 4mA. Vanaf dat punt zouden we een lijn kunnen trekken naar 350V (geen stroom door de buis).
Nu moeten we die lijn (Lichtblauw) naar links bewegen totdat hij het kruispunt van de anode- en de kathode- load lijn overlapt. Bedenk dat hier het rustpunt van de buis ligt als er geen signaal wordt aangeboden.
Misschien komt dat naar links bewegen van die AC loadline vreemd over. Ik vond dat in ieder geval onverklaarbaar.
- Buisinstelling vinden -
We kennen die AC loadlijn echter ook op een andere en meer logische wijze vinden, Dat werkt als volgt.
We weten dat de AC belasting, de AC load 87k is. Ons rustpunt instelling weten we ook (figuur 11). Laten we nu vanaf dit rustpunt de spanning 100 Volt zakken. De stroomtoename moet dan zijn (wet van ohm I=U/R) 100V/87k = 1,14mA.
Tekenen we op de grafiek een punt vanaf het rustpunt 100V lager en 1,14mA hoger dan dit rustpunt dan kunnen we een lijn tussen deze twee punten trekken.
We kunnen nog verder gaan en de spanning vanaf het rustpunt 100V laten toenemen. De stroom zal dan 1,14mA moten zakken. Ook hier tekenen we een punt en we trekken de lijn hiernaar door. Je ziet dit uitgebeeld in figuur 11B. Het is een rechte lichtblauwe lijn.
Merk op dat de versterkingsfactor, de deling tussen uitgangsspanning en ingangsspanning, dat die versterkingsfactor kleiner wordt naarmate de AC loadlijn steiler gaat lopen ten opzichte van de anode loadlijn (de rode DC lijn).
- Buisinstelling vinden -
Vanuit die wisselspanning loadlijn kunnen we nu de versterkingsfactor uittekenen. Die versterkingsfactor wordt in datasheets meestal uitgedrukt met Vo/Vi, de uitgangsspanning gedeeld door de ingangsspanning.
Die versterkingsfactor is altijd lager dan de Mu van een buis. Voor de ECC83 is de MU bijvoorbeeld 100. Maar die waarde bereik je in de praktijk nooit. De Mu van een buis is daarom een theoretisch gegeven.
Meer over die versterkingsfactor
We hebben de echte versterkingsfactor van onze schakeling nodig. De volgende afbeelding (figuur 12) helpt hierbij.
We hebben eerder vastgesteld dat de regelruimte op het stuurrooster van de ECC83 ongeveer 1,2 Volt is (piek-Piek). We zetten nu op de AC loadlijn die 1,2V uit met het rustpunt in het midden (dus 0,6V beide kanten op. Hiermee hebben we de ingangsspanning (Vi) gemarkeerd.
Vanaf de twee gevonden punten trekken we loodlijnen naar beneden en zien dan dat de anodespanning gaat wisselen (VO) tussen 175 en 225 Volt (verschil is 50V)
Onze versterkingsfactor is dan (VO/Vi) = 50/1,2 = 41,6. Die versterkingsfactor hebben we bereikt met een voedingsspanning van 350V, een anode weerstand van 100k en een kathode weerstand van 1k.
- Buisinstelling vinden -
Tot zover,
In het volgende artikel gaan we dieper in op het uitgangsvermogen van een buizen versterker vinden. Hoe kun je vaststellen hoeveel vermogen je buis nu echt gaat leveren. Hier vinden we verrassende uitkomsten.
De werking van een fasedraaier of cathodyne voor push-pull versterkers vind je hier.
Vragen, opmerkingen kun je hieronder kwijt.
-
Koos Overbeeke
Terug van buisinstelling vinden naar diverse in de radio amateur
