Hoe werkt de fasedraaier,
hoe werkt de Cathodyne?
Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? Een interessante vraag want deze schakeling werd midden vorige eeuw veel toegepast in push-pull versterkers. Versterkers die een stevig vermogen moesten leveren.
Tegenwoordig zie je hem minder en is de zogenaamde long tail fasedraaier meer in zwang gekomen. Is dat terecht?
Long tail fasedraaier (Mullard schakeling)
Deze fasedraaier wordt ook wel Mullard schakeling genoemd omdat hij door de Mullard fabriek ontworpen is. De Mullard schakeling functioneert in fabrieksontwerpen vaak goed. Engineers in zo’n fabriek bezitten de middelen om deze fasedraaier goed in te stellen.
Want dat is niet eenvoudig. De met een rode cirkel omrande weerstanden zijn zeer kritisch en moeten voor de goede werking nauwkeurig worden afgesteld. De in figuur 1 aangegeven waarden zijn dan ook indicatief en kunnen niet zomaar worden gekopieerd.
Ook de directe koppeling tussen de eerste triode en de fasedraaier is zeer kritisch evenals de hoogte van de voedingsspanning van deze eerste triode. Die spanning zal ongeveer 2/3 zijn van de voedingsspanning van de fasedraaier.
De tweede onderste triode van de fasedraaier krijgt geen signaal op zijn rooster. Deze triode krijgt signaal aangereikt op zijn kathode. Het stuurrooster ligt voor AC stabiel aan aarde.
De kathode weerstand, in dit voorbeeld 10k, delen beiden triodes. Daardoor zal de spanningswisseling op de kathode van de eerste triode ook op de kathode van de tweede triode staan.
Vanwege zijn complexiteit kan ik je deze fasedraaier niet aanbevelen. In de praktijk is inregelen van deze fasedraaier gewoon te moeilijk.
Het kan ook veel eenvoudiger
Vaak is de argumentatie voor de long tail ten faveure van de Cathodyne dat die laatste als nadeel heeft dat de anode-uitgang een veel hogere uitgangsweerstand heeft dan de kathode-uitgang. Dat zou dan ongewenste niet lineaire vervorming geven.
Dit is onzin
De aanhangers of napraters van deze theorie geven blijk niet echt verstand te hebben van hoe het werkt.
Het is namelijk zo dat voor wisselstroom (AC) de pluslijn in een versterker is kortgesloten naar aarde. Grote elektrolytische condensatoren in de hoogspanningsvoeding zorgen voor die kortsluiting (zie figuur 2A).
Het effect van die AC kortsluiting is dat als RA en RK even groot zijn de impedantie van de anode naar aarde even groot is als die van de kathode naar aarde. De cathodyne werkt dan ook in de praktijk geweldig goed en is eenvoudig van constructie.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
De Cathodyne fasedraaier
In figuur 2 zie je de vereenvoudigde principiële weergaven van een cathodyne of ook Concertina genoemde triode fasedraaier.
Je ziet in de figuur dat de uitgangsspanning op de anode 180 graden verschilt, verdraaid is met de uitgangsspanning op de kathode.
Dat betekent ook dat de uitgangsstromen tegengesteld zijn aan elkaar. Dat is ook de bedoeling van een fasedraaier.
Praktijkvoorbeeld van de Cathodyne of Concertina fasedraaier
De schakeling op bijgaande afbeelding (figuur 3) hebben we toegepast als fasedraaier in de zogenaamde 200 watt PA versterker. Hij werkt goed maar hoe werkt dat precies?
Specifiek zoek ik nog naar antwoordt op de negatieve roosterspanning die hier ongeveer –4,7 Volt ten opzichte van de kathode is.
Terwijl het aangeboden ingangssignaal is ongeveer 50 Volt is!
Normaalgesproken raakt een buis dan ver overstuurt. Nu niet. Daarom ook voor dit fenomeen nader onderzoek.
We beginnen met het tekenen van de belastinglijnen in de buisgrafiek. (Zijn die belastinglijnen, loadlijnen, nieuw voor je? Lees dan eerst De juiste Buisinstelling vinden
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
Anode load lijn van de cathodyne
Om de anode load lijn van een cathodyne fase-draaier te tekenen moeten we rekening houden met de afwijkende kathode weerstand. De spanning over die relatief grote kathode weerstand verlaagt namelijk de reëel beschikbare spanning tussen de kathode- en de anode.
We zagen in figuur 3 dat de voedingspanning 350V is. Bij een totale belastingweerstand (RA +RK+Rbias) van 45k is de maximale stroom I=U/R = 7,77mA.
Tussen die twee waardes kun je de anode loadlijn trekken.
Kathode loadlijn van de cathodyne
Ook de spanning van het stuurrooster ten opzichte van massa en de anode wijzigt hierdoor. Alleen de spanning tussen stuurrooster en kathode blijft dacht ik constant. (Ps. dit was een vooronderstelling die niet blijkt te kloppen. Lees even met me mee voor de uitleg)
De 1k bias weertand zorgt in de rust situatie (geen signaal aanbod) voor een ruststroom van 4,7 mA en een positieve kathode van 4,7V ten opzichte van het stuurrooster.
De parallel condensator van 220 µF zorgt voor een kortsluiting van die bias weerstand zodra er wisselstromen door de buis gaan lopen.
De kathode loadlijn stellen we vast door een stuurrooster spanning van -2 Volt en -8 Volt te nemen wat bij een 1k kathode weerstand respectievelijk 2 en 8 mA stroom vraagt. Daar trekken we ook een lijn (paars) tussen.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
De wisselspanning (AC) belasting load lijn
Voor het berekenen van de belasting load lijn moeten we ook de roosterlekweerstanden van de eindbuizen meenemen. Die zijn 22k evenals de anode en kathode weerstand. Maar bij deze lage belastingweerstand gaan we ook de koppelcondensator weerstand mee rekenen. Die is ruwweg 2 k.
De belasting wordt dus 22k en 24 k parallel is 11,5k. Maal twee (kathode en anode) = 23k.
Voor de berekening van de AC loadlijn gaan we 100V zakken op de anode. De stroomtoename moet dan zijn (wet van ohm I=U/R) 100V/23= 4,34mA.
Tekenen we op de grafiek een punt vanaf het rustpunt 100V lager en 4,7 plus 4,34 is 9,04mA. Van hieruit kunnen we een lijn naar het rustpunt trekken.
Aan de andere kant van de sinusbeweging doen we weer hetzelfde. De stroom -4,34mA (= 0,36 mA) en de spanning plus 100V. We trekken de lijn hiernaar door. Je ziet dit uitgebeeld in figuur 6.
De R-bias van 1k rekenen we hier niet mee want die staat voor wisselstroom kortgesloten met een grote condensator.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
We zien in figuur 5 en 6 dat de ruststroom spanning op de buis, dat is de spanning tussen kathode en anode 138V Volt is. Rekenkundig klopt dat want bij een voedinspanning van 350 volt en een stroom van 4,7mA gaat er over 45 k (22k anode weerstand plus 22k kathode weerstand plus 1 k bias weerstand) = 211,5v verloren.
De uitgangsspanningen van deze cathodyne bepalen
De eerste vraag die dan opkomt is: hoe kunnen we een signaal van 50 Volt verwerken op een buis met een negatieve roosterspanning van slechts 4,7 Volt.
Over dit vraagstuk heb ik een week lang gegoogeld en geen antwoordt gevonden anders dan platitudes zoals:
“Een AC-signaal op het cathodyne rooster verandert de stroom door de buis zoals normaal, maar die stroom veroorzaakt een spanningsval over de staart-belasting weerstand (Rk in figuur 7) die de kathodespanning verandert. Deze kathodespanningsschommeling zorgt ervoor dat de cathodyne een onvervormd signaal kan doorgeven dat vele malen groter is dan de roostervoorspanning zou impliceren.”
Ja, ja denk ik dan, dank je de koekoek. Hoe dan?
Die vraag heeft me wel even bezig gehouden. Denken en zoeken alleen bracht me niet verder maar rekenen met Excel bracht inzicht. Kijk eens naar figuur 7.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
De kathode-bias weerstand is bij de Cathodyne bijna overbodig!
Bijna is nog niet helemaal natuurlijk. Maar dit is wel een belangrijk inzicht. Die kathode-bias weerstand is bij een werkende cathodyne overbodig!
Ik kom daar zo op terug.
Want die kathode-bias weerstand zit daar natuurlijk niet voor niets!
Die weerstand zorgt er voor dat op momenten dat er geen wisselspanning signaal wordt aangeboden de buis in een stabiele ruststand komt.
Die weerstand zorgt er voor dat de buis een stabiel evenwicht vindt tussen spanningen op de kathode en de anode en de stroom door de buis.
In deze schakeling vindt mijn ECC82 die rustpositie bij een stroom van 4,7mA. De R-bias spanning is dan 4,7 Volt. Dat is de spanning die de kathode positief is ten opzichte van het stuurrooster.
Dat stuurrooster ontvangt de KG spanning via een weerstand van 680k. Die KG spanning, hier 4,7mA * 22k = 103,4V. Er loopt geen stroom door die roosterlek-weerstand dus er gaat geen spanning verloren. De roosterspanning is de KG spanning= 103,4 Volt.
De kathode ontvangt die KG spanning ook plus de bias spanning. Samen108,1 V. Zo ontstaat een mooi stabiel rustpunt.
Niet onbelangrijk dus die R-bias.
In rust wordt de rooster-kathode spanning bepaalt door die bias weerstand van 1k. Maar zodra er een signaalspanning wordt aangeboden bepaalt die wisselspanning de roosterspanning ten opzichte van massa. De KG spanning die over een enorme weerstand van 680k wordt aangevoerd, wordt dan door een veel krachtiger signaalbron eenvoudig weggedrukt.
De kathode spanning ten opzichte van massa wordt dan bepaald door de stroom die loopt door de weerstand RK. De R-bias wordt bij wisselstroom immers kortgesloten!
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
In die R-bias schuilt mijn blinde vlek voor de werking van de cathodyne
In een reguliere versterkerschakeling bepaalt de bias, de stuurrooster voorspanning, de speelruimte voor de maximaal aan te bieden signaalspanning aan de buis. Als we de buis niet beneden -1Volt willen brengen is die ruimte hier 4,7 - 1 = plus en min 3,7 Volt.
Hoe kan die cathodyne dan 50 Volt ingang signaal verwerken?
Het antwoordt is: dat kan doordat de bias weerstand niet meer echt meedoet zodra er signaal aan de cathodyne wordt aangeboden.
Dat zit zo:
In rust ontvangt het stuurrooster 103,4 Volt via de roosterlekweerstand van 680k. Zoals gezegd, er loopt geen stroom door die roosterlekweerstand dus ondanks deze hoge weerstand gaat er geen spanning verloren.
Gaat de voorliggende buis nu een signaal afgeven dan zal de spanning van dat signaal het stuurrooster van de cathodyne gaan bepalen. De KG spanning wordt vanwege de hoge RG weerstand weggedrukt.
Daarmee is de spanning tussen rooster en kathode nu het verschil tussen de aangeleverde signaalspanning ten opzichte van massa en de kathodespanning ten opzichte van massa. De bias weerstand speelt in dit alles en verwaarloosbaar kleine rol.
Een voorbeeld van de cathodyne werking
In onderstaande tabel (figuur 8) heb ik de ruststroompunt weergegeven met en zonder signaal op de ingang van het stuurrooster.
Je ziet dat bij eenzelfde stroom van 4,7mA en een signaal van 98 Volt (piek-piek) het signaal op het rooster is gezakt naar 49,4 Volt.
De kathode spanning is nu ook gezakt naar 4,7 * 11,5 = 54,05 Volt. Het spanningsverschil tussen kathode en rooster is hierbij nog steeds 4,7 Volt.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
We gaan de signaalspanning 10 Volt verlagen
Ik heb in deze tabel (in bruin weergegeven) de ingang spanning, de spanning 1RA van de voorliggende triode, met 10 volt laten zakken naar 39,4 Volt.
De roosterspanning maakt hiermee een flinke sprong.
Als gevolg daarvan zou normaal gesproken dit de buis doen dichtslaan. Buisstroom wordt nul.
Maar,
ook hier heeft de buis de neiging om richting dichtslaan te bewegen maar dan gebeurt er iets anders.
Op het moment dat de stroom door de buis bijna 0,8mA is gezakt, is ook spanningsval over de totale load (11,5+11,5) van 23k met ruwweg 18 Volt gewijzigd. Namelijk min 0,78 *11,5 = 9 Volt daling op de kathode en 9 Volt stijging op de anode. De anode – kathode spanning stijgt dus ruwweg 18 Volt.
De roosterspanning is gedaald van 49,4 min 10 naar 39,4V.
De kathode spanning wordt 3,92 *11,5 = 45,08V.
Rooster-kathode spanning is dan gestegen van -4,7 naar (45,08 – 39,4) = -5,7V.
De spanning tussen het stuurrooster en de kathode zakt slechts 1 Volt en bij een negatieve rooster- kathodespanning van -5,7 Volt vindt de buis een nieuw evenwicht bij een buisstroom van 3,92mA.
Wat we hier zien is:
Een daling van de signaalspanning met 10 Volt levert bij de cathodyne slechts een daling van de rooster-kathode spanning op van 1 Volt.
Dit verschijnsel verklaart dat deze cathodyne ingang signalen tot 50 Volt kan verwerken.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
In figuur 9 zie je dat nieuwe rustpunt met roze lijnen nog eens in de grafiek uitgebeeld.
In de grafiek zie je dat de roosterspanning bij deze waardes iets negatiever lijkt dan in mijn berekeningen. Dat heeft meerdere oorzaken.
Om te beginnen moet je weten dat die grafieken zijn gemaakt in laboratorium omstandigheden waarbij bepaalde spanningen en stromen constant worden gehouden. Dit zijn omstandigheden die afwijken van wat er in de praktijk gebeurt.
Daarbij komt dat Ik hier vier datasheets heb liggen van vier fabrikanten. Die fabrikanten produceren allemaal dezelfde buis (ECC82). Maar die vier datasheets laten op detail verschillende grafiekuitkomsten zien.
En dan heb ik hier 3 buizen liggen van het type ECC82. Die laten alle drie op detail andere uitkomsten zien. Geen buis is precies het zelfde.
Tot slot is het nog zo dat we deels in het niet lineaire gebied van die buis zitten te experimenteren. Het kromme deel in de Ia/-VG lijnen. En met die kromme hebben mijn calculaties geen rekening houden.
Het goede nieuws: Voor het begrip hoe het werkt maakt dat verder niets uit. En in de praktijk het enige beoordelingscriterium: werkt het?
Dat niet lineaire werkingsgebied is in de praktijk niet optimaal. Daarover verderop meer info want dat kunnen we eenvoudig oplossen.
49 Volt ingangssignaal op deze fasedraaier,
Cathodyne of Concertina
Om het verhaal af te maken zie je in de volgende tabel (figuur 10) hoe een ingangsspanning wisseling van plus en min 49 Volt (98V piek-piek) twee maal een uitgangssignaal van 46 Volt (92V piek-piek) oplevert.
De oplettende lezer ziet dat de R-bias spanning nagenoeg nul Volt is. Zoals gezegd, de R-bias wordt voor wisselstroom kortgesloten door de condensator die parallel aan deze weerstand is geschakeld.
Ook hierbij weer een grafiek (figuur 11) die nagenoeg dezelfde spanningswaardes presenteert als de berekende spanningen zoals die in de tabel staan.
In de grafiek is de AC loadlijn getekend voor de load van anode en kathode samen (11,5 +11,5 =23k). De output spanning die vervolgens uit de grafiek naar voren komt is dus ook de totale output van de buis.
Zowel op de anode en kathode komt daarom de helft van die spanning (92 Volt) tevoorschijn samen optellend tot de 184 Volt die de tabel en de grafiek laten zien.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
Je kunt het ook narekenen
De load aan zowel de anode als de kathode kant is 11,5k. De stroom wisselt van 0,7mA naar 8,7mA.
Op een load van 11,5k levert 8,7mA een spanning op van 8,7mA * 11,5 = 100,05 Volt.
0,7mA levert bij 11,5k een spanning op van 8,05 Volt. Dat is een verschil van 92 Volt piek-piek. Dat is 46 Volt zoals we het regulier meten en benoemen.
Verlies van spanning en vermogen in deze fasedraaier
Je ziet dat de cathodyne wel wat verlies oplevert. WE moeten 49 volt signaal aanleveren om er twee keer 46 volt signaal uit te krijgen.
Deze cathodyne werkt verder uitstekend maar met een kanttekening.
Je ziet in figuur 11 dat de output wordt bereikt door de buis ver in de plus roosterspanning te sturen.
Gelukkig valt dit in de praktijk wel mee. De grafiek tekening is wat gekunsteld met zijn output signaal van 184 Volt. In werkelijkheid komt er aan de kathodekant een wisselspanning van 46 Volt te voorschrijn evenals aan de anodezijde.
Die positieve roosterspanning en de daarbij horende roosterstroom treedt dus in de werkelijkheid niet op!
Lineariteit
Een ander aspect is dat de buis niet helemaal in het rechte deel van zijn karakteristieken optreedt. Dat veroorzaak wel enige vervorming hoewel het effect gering is. Zoals je ziet in figuur 13.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
Pijl 1 en pijl 2 zijn exact even lang. Als je dat weet zie je dat er een klein fractie verschil zit tussen het positieve deel van de sinus en het negatieve deel. We praten over 2 procent verschil.
Ik heb nog niemand getroffen die het hoort. Voor een PA versterker of voor een modulator in je zender is dit niet van belang. Niemand gaat het horen.
Maar als je echt top kwaliteit wilt, als je een hifi enthousiast bent dan wil je dit niet. Gelukkig kun je dit euvel eenvoudig oplossen.
De oplossing die je ziet op figuur 12 benadert perfectie. De overeenkomst tussen de positieve en de negatieve kant van een sinus is 100 procent. Op de Owon oscilloscoop is geen verschil meer zichtbaar terwijl als je naar de grafiek en de theorie kijkt je weet dat er nog een minimaal verschil moet zijn.
Geen enkele buis of transistor schakeling ontkomt hieraan.
In figuur 12 zie je de instelling waarmee dat resultaat bereikt wordt.
- Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? -
Een andere schakeling voor de fasedraaier nodig?
Zoals je in figuur 12 ziet kunnen we het best buiten de kromme delen van de karakteristiek blijven door de ruststroom hoger te nemen. Hier is die ruststroom 7mA bij een negatieve roosterspanning van -6 Volt en een anode-kathode spanning van 172 Volt.
Met een bias weerstand kun je dat nauwelijks voor elkaar krijgen. Bijvoorbeeld met een weerstand van 850 ohm en 7 mA stroom krijg je dan -6Volt. Voor de juiste anode spanning zouden we dan 178 Volt moeten laten verdwijnen.
Daarvoor is dan een weerstand nodig van 178/7 = 22,25k nodig. Afgerond twee weerstanden van 11k. Die weerstand is echter te klein om de gewenste output van 46 Volt te realiseren.
Wat mogelijk op valt dat in figuur 12 de kathode loadlijn zuiver horizontaal loopt. Dat klopt en dat is het succes van deze aangepaste schakeling. Geen bias weerstand meer maar een rooster instelling die je bij buizen vrijwel nooit ziet maar we wel vaak bij transistoren tegenkomen.
Zie figuur 14. Het werkt fantastisch.
De twee weerstanden RG1 en RG2 vormen samen een zeer hoogohmige spanningsdeler die bij een voedingsspanning van 350V bij een buis zonder ingangssignaal 78 Volt op het rooster aanbiedt.
De kathode ziet dan 6*12 = 72 Volt zodat het resultaat is -6 Volt rooster-kathode spanning.
Tot zover, veel succes met je push-pull buizen versterker.
-
Koos Overbeeke
Terug van Hoe werkt de fasedraaier, hoe werkt de Cathodyne? naar diverse in De Radio Amateur
Reactie van Site volgers
Frans
Mooie en leerzame uitleg over de werking van fasedraaiers.
Maar ik zit toch nog met een vraag, hoe wordt de keuze gemaakt van de waarde voor de anode weerstand (zelfde voor kathode weerstand)?
Ik heb al schakelingen gezien van fasedraaiers met anode en kathode weerstanden van 2x 15k, 2x 22k, 2x47k en 2x 100k.
Alle berekeningen starten met de keuze van die weerstanden maar nooit wordt uitgelegd wanneer en waarom voor deze waarden gekozen wordt.
Misschien weet heb jij daar een uitleg voor.
..Koos
Goede vraag over hoe werkt de fasedraaier, Frans,
De waarde van die twee weerstanden hangt af van een flink aantal variabelen. Ik zet ze even op een rijtje.
- Watt gaat vooraf aan de fasedraaier. Hoeveel signaalspanning kan die voorversterker leveren?
- Wat komt er na die fasedraaier. Een EL34 vraagt meer power als input dan een EL84.
- De ideale stroom door de buis. Voor bijvoorbeeld een ECC83 is dat een paar mA terwijl een ECC82 goed 10 mA kan hebben. Voor die ECC83 zijn dan grotere weerstanden nodig.
- De gewenste uitgangsspanning. Voor bijvoorbeeld een onbelast signaal van 30V -60V PP- heb je bij een ECC83 een stroom wisseling (delta stroom) van 0,5 mA en weerstanden van 60K nodig. Bij een ECC82 kun je makkelijk een delta stroom van 5 mA bereiken. Voor een onbelast 30V signaal heb je dan weerstanden van 6k nodig. Voor 50V heb je 10K nodig.
- Onbelast heb je niets aan. De eindtrap moet worden aangestuurd en dus is er een belasting. De weerstand van die belasting bepaalt ook mede de weerstandswaarde in de fasedraaier.
Is de belasting weerstand bijvoorbeeld 100k dan heb je bij voorgaand voorbeeld van de ECC83 nu weerstanden nodig van meer dan 81k om nog steeds op een buisbelasting van 60k uit te komen.
Bij een eindtrapbelasting, een eindbuisbelasting van 20k moeten de weerstanden een oneindig en onhaalbare hoge impedantie bezitten. Dat dwingt je om bijvoorbeeld een ECC82 in de fasedraaier te zetten. Die laatste buis kan met weerstanden 22k zich aan deze belasting aanpassen en dan bij delta van 5 mA een uitgangssignaal van 50V produceren.
Heb ik hiermee je vraag over, hoe werkt de fasedraaier, voldoende beantwoord?
Frans
Dat is een zeer duidelijke en begrijpelijke uitleg over over hoe werkt de fasedraaier.
In de meeste technische boeken wordt verteld : " we nemen een bepaalde waarde van anode weerstand " en dan volgt een bladzijden lange berekening
voor de instelling van de buis , maar er wordt niet verteld waarom ze die keuze maken .
Alles begint eindelijk met de keuze van de anode weerstand , maar in mijn boeken bestand wordt nooit verteld waarom ze die keuze maken.
In de volgende dagen zal ik toch eens een proefopstelling maken om wat metingen te doen.
Ik hou je nog op de hoogte
Bedankt voor de info
Vriendelijke groeten
Frans,
