Rødhette (og ulven)

jane

Hi-Fi freak
Ble medlem
27.06.2004
Innlegg
3.064
Antall liker
1.055
Sted
'
Dette er historien om Snøhvit, de sju dvergene og en hodetelefonforsterker, eller kanskje ikke. Det er i alle fall noen teoretiske betraktninger om hvordan man konstruerer en slik forsterker basert på rørteknologi.
Når det gjelder den praktiske gjennomføringen kommer denne senere.

Å følge denne teksten krever egentlig ikke så mye forkunnskap, men å vite forskjellen på strøm og spenning vil jeg tro hjelper en del.


Hva er en hodetelefonforsterker?

For å svare på det, kan man starte med å spørre: hva kjennetegner en forsterker i utgangspunktet? Et gyldig svar er effektforsterkning, altså at produktet av strøm og spenning som forsterkeren gir ut er høyere enn inngangssignalet. I det ligger at noen forsterkere har høy strømforsterkning, noen har høy spenningsforsterkning og noen har begge deler, men regelen er at effekten ut er høyere enn effekten inn.

En forenklet modell av en forsterker kan se ut som dette:



Hvor forsterkningen Av er spenningsforsterkningen og ubelastet er denne gitt ved Av=Vo/Vin eller skrevet på en annen måte Vo=Vin*Av, det vil si utgangsspenningen er lik inngangsspenningen ganget med spenningsforsterkningen (Av).

Jeg har foreløpig ikke sagt noe om effektforsterkning, men jeg kan ta et eksempel. En preamp kan ha en spenningsforsterkning (Av) i området 10 ganger. 1 volt inn gir 10 volt ut, og slik sett skulle det være mulig å koble et par høyttalere direkte på utgangen siden omsatt effekt er gitt av Vo^2/RL, eller 10^2/8 i en 8 ohms høyttaler, som burde gi 12.5 watt.
Imidlertid har en forsterker også en gitt inngangs og utgangsimpedans, det siste er av spesiell interesse i dette tilfellet og for en preamp er det ikke uvanlig at utgangsimpedansen ligger i området 100 ohm og ofte betydelig høyere. Hvis vi sier 100 ohm i dette eksemplet blir modellen seende ut som følgende:



Vi har altså en kilde som gir 1V inn til en forsterker med spenningsforskning (Av) på 10x og en utgangsimpedans (Ro) på 100 ohm, lasten (RL) er en høyttaler på 8 ohm.

Som tidligere er spenningsforsterkningen (Av) gitt av Vo/Vin, men siden vi nå tar hensyn til utgangsimpedans og last blir Vo = Vin x Av x RL / (RL + Ro) og utgangsspenning i dette eksemplet blir 1v x 10 x 8 / (8+100) = 0.74v.
Vi ser altså at spenningsforsterkningen er redusert fra 10x til under 1, men hvis vi regner på det har vi fortsatt en gyldig forsterker siden effektforsterkningen er høyere enn 1. Uansett er den lite egnet til å drive en høyttaler.


Utgangsimpedans, effekt, valg av topologi.

Noe av samme problemstillingen dukker opp når det er snakk om hodetelefoner. Disse har lav impedans (fra rundt 30 til noen hundre ohm) og de er avhengig av effekt for å gi et hørbart signal. En tommelfingerregel er at 100mW (0.1 watt) gir et lydtrykk som er en god del høyere enn normalt lyttenivå, så 100mW utgangseffekt bør være et godt utgangspunkt med tanke på maks utgangseffekt. For at denne effekten skal omsettes i hodetelefonene og ikke brennes av i forsterkeren (jmf eksemplet ovenfor) ønsker vi lav utgangsimpedans. Dette kan oppnås på flere måter og en måte er impedanstransformering ved hjelp av en transformator.



For eksempel vil en 600:8 ohm transformator gi en utgangsimpedans på 8 ohm når kildeimpedansen er 600 ohm. Halveres kildeimpedansen til 300 ohm vil det redusere utgangsimpedansen til 4 ohm, og så videre. Et matematisk uttrykk for dette kan settes opp som Zo = Zd / (600/8 ), hvor Zo er utgangsimpedans og Zd er driverimpedans.
For en katodefølger som i skissen ovenfor er Zd stort sett gitt av det som kalles rørets steilhet eller transkonduktans (gm). Eksempelvis har et rør som 6EM7 i følge databladet en steilhet rundt 7.2 mA/V og siden Zd er 1/gm gir dette ca 140 ohm i driverimpedans. For da å finne utgangsimpedansen på den andre siden av trafoen bruker vi ligningen ovenfor og finner Zo = 140/(600/8 ) = 1.9 ohm. Vi må imidlertid huske på at vi her har betraktet transformatoren som perfekt, uten noe som helst form for tap, så den reelle utgangsimpedansen vil nok bli en del høyere. Hvis vi sier 5 ohm er vi antagelig ikke langt fra det praktiske resultatet.


Vi har sett at en utgangstrafo er godt egnet til å senke utgangsimpedansen, i dette tilfellet fra 140 til ca 5 ohm, men det skjer også en spenningstransformering, at spenningen på utgangssiden (sekundær) er lavere enn på inngangssiden (primær). Dette er gitt av trafoens omsetningsforhold n som er kvadratroten av impedansforholdet. Det betyr at n = rot(Z1/Z2), i dette tilfellet kvadratroten av (600/8 ) = 8.7. Altså betyr det at for å få 1 volt ut må trafoen mates med 8.7 volt på primærsiden.

Så tilbake til kravet om 100mW utgangseffekt. For å omsette 100mW i 32 ohm, for eksempel Grado hodetelefoner, trengs en gitt spenning. Siden effekten P=Vo^2/RL kan vi finne Vo når P og RL er kjent:: Vo = rot(P*RL) = rot(0.1*32) = 1.8 volt. Igjen må vi tenke på at forsterkeren har en gitt utgangsimpedans (5 ohm) og at noe av spenningen derfor brennes av i denne uten å omsettes i selve lasten. Med Ro=5 og RL=32 er dette forholdet som tidligere vist gitt ved RL/(Ro+RL) = 32/(5+32) = 0.86. Hvis vi sier at 0.5V inn til forsterkeren skal gi 1.8V (100mW) ut tilsier dette at spenningsforsterkningen (Av) minst må være (1.8/0.86)/0.5 = 4x.
Da blir modellen av hodetelefonforsterkeren slik:



Vi har nå en forsterker med Av=4 og Ro=5 ohm.
Ved 0.5v inngangsignal blir utgangsspenningen Vo = Vin x Av x RL/(RL+Ro) som gir Vo = 0.5*4*32/(32+5) = 1.73 volt, som er temmelig nær 100mW.

Da har vi på mange måter kartlagt en del vesentlig parametere: utgangseffekt (P), utgangsimpedans (Ro) og spenningsforsterkning (Av). Vi har også valgt topologi i selve utgangstrinnet, trafokoblet katodefølger.


Prinsippskisse for forsterkeren, pluss noen enkle beregninger.

Da har vi sett på en del basiskrav, vi har vært innom omsetningsforholdet i utgangstrafoen og sett at det kreves høyere spenningssving på primærsiden enn på utgangen. For å realisere 100mW i lasten kreves ca 20V fra drivertrinnet (Vd = Vo * n). Det vil si at det kreves en del spenningsforsterkning før utgangstrinnet. Hvis følsomheten skal ligge på 0.5v for maks utstyring betyr det av forsterkningen før katodefølgeren minst må være (20v/0.5v) = 40 ganger. Når jeg sier minst, så er det fordi en katodefølger alltid har forsterkning lavere enn 1.
Det betyr at driverrøret bør være av typen høy µ. Typiske rør med høy µ er ECC83/12AX7, 5751, 6SL7 og en del andre. Utgangsrøret på sin side bør ha høy steilhet, som betyr lav utgangsresistans, høy perveans, som betyr muligheten til høyt spenningssving og greie å gi fra seg en del effekt.
Et rør som har begge disse egenskapene er 6EM7, det inneholder både en høy µ triode og en effekttriode, altså to rør i samme kolbe. Høy µ siden ligner veldig mye på 6SL7 (den er omtrent identisk) og effektsiden minner om 2A3 i karakteristikk. Begge disse er gode og anerkjente audiorør.



Ovenfor er en prinsippskisse av forsterkeren med gainsteg i fronten og katodefølger i utgangen. For mulighet til høyest mulig spenningssving i utgangstrinnet ønsker jeg at katodespenningen er i nærheten av B+/2. (B+ har jeg valgt til å være 250 volt) Det medfører at utgangen kan svinge ned til null (rimelig opplagt) og opp til i nærheten av B+ (avhengig av rørets perveans). Siden dette er et klasse A trinn er det gitt hvor høy hvilestrømmen i utgangstrinnet bør være. Hvilestrømmen (Iq) må minst være Vmax/Rload. Vi vet både Vmax (20Vrms) og (Rload), rundt 2400 ohm last i parallell med Rk2. Egentlig vet vi ikke verdien av Rk2, det er jo den dette regnestykket skal gi oss svar på, så sånn sett er dette en umulig oppgave. Men vi kan finne nødvendig Iq uten Rk2 til å begynne med.
For klasse A er minimum Iq = Vmax * 1.4 / Rload = 20 * 1.4 / 2400 = 12mA. Hvis vi antar at Rk2 er mindre enn Rload (noe som er en rimelig antagelse) blir Iq maks 24mA. Dette gir Rk2 = (B+/2)/24mA = 125/25E-3 = ~5k ohm, eller 4k7 som er en standardverdi.

Vel, da kan vi se hvordan en gammeldags lastlinje ser ut i kurvesettet tilhørende 6EM7, med 4k7 statisk last.



For et trenet øye ser dette rimelig vakkert ut. De røde prikkene representerer maks anodetap for røret, hvilket vi ligger godt under, men det vakreste er lineariteten altså at avstanden mellom linjene (grid volts) rundt 120 "plate volts" er temmelig konstant. Det borger for god linearitet og lav forvrengning.

Dett var dett, i alle fall for i kveld, senere kommer jeg tilbake med betraktninger om inngangstrinn, strømforsyning og en del annet dill og dall.


Ha en god kveld.
Jan E Veiset
 

Delle

Hi-Fi freak
Ble medlem
09.03.2007
Innlegg
1.496
Antall liker
267
Glimrende.
Midt i blinken for en som venter i spenning på Fløtres Rørteori.
Gleder meg til fortsettelsen.

Mvh
 

VegardW

Hi-Fi freak
Ble medlem
08.02.2007
Innlegg
4.045
Antall liker
2.796
Sted
Kolsås
Torget vurderinger
4
Strålende Jane. Dette er til stor nytte for mange. God jul .
 

andreas

Hi-Fi freak
Ble medlem
03.10.2003
Innlegg
2.366
Antall liker
146
Gleder meg også til fortsettelsen, og ikke minst setter jeg pris på å lese slike betraktninger på norsk.
Jeg har noen spørsmål som jeg kanskje ikke forventer å få svar på sånn på direkten, ikke minst er det litt off topic, men jeg setter det på "ønskelisten" over spørsmål du, jane, og andre gjerne må skrive betraktninger rundt:

Hva skjer når et trafokoblet rør - utgangstrinn skal drive en høytaler?
Min erfaring er at verdien "følsomhet" som ofte oppgis i en HTs datablad er dårlig egnet til å vurdere hvordan en rørforsterker driver HTen. Hvorfor er det slik at når vi skifter fra en 40W push pull rørforsterker til et 300W transistoreffekttrin koblet opp på en høytaler med doble åttetommere og høy følsomhet så spiller det kanskje ikke så mye høyere, men der rørforsterkern hadde grei bass føles det som transistorampen skal blåse ned vegggene. Hvilke egenskaper hos høytaleren er det som gjør at den er vanskelig å drive for rørforsterkeren og hvilke data fra høytalerne er det vi trenger for på et teoretisk plan å kunne vurdere om en høytaler er en lett eller vanskelig last for en rørforsterker. Du skriver jo litt om spenning og spenningstransformasjon i utgangstrinnet, men det går vel også litt strøm der. Hvorfor er det slik at man i hifilitteraturen* kobler begrepet "forsterker -watt" til evnen til å skape lydtrykk, mens følsomhet (som også uttrykkes i dB) er koblet til et gitt spenningssving. Hvordan påvirker forsterkerens utgangsimpedans spenningsving og strøm i kretsen mlm forsterker og HT, og i den boksen du kaller "last" i modellene dine vil det der også være kapasativ last slik at utgangstrinnet må levere strøm også til å "lade opp" HTen?

Vet ikke om jeg klarer å utrykke meg presist nok eller om dette er spørsmål som er morsomme for andre, men jeg har diskutert dette i flere sammenhenger i det siste i tillegg til at jeg registrerer stor interesse rundt spørsmål som hvilke HT som passer til rørforsterkere her på HFS. Når jeg i det siste har prøvd en rekke ulike HT på min egen rørforsterker blir man jo lettere himmelfallen over hvor forskjellig det låter. Nå skulle jeg sikkert også laget en egen tråd om dette, men dine betraktinger og utlegg overfor er veldig inspirerende og jeg fikk lyst til å spørre om disse tingene.

*Med hifilitteratur tenker jeg på reklamebrosjyrer, hifiblekker og nettsider av ymse slag.
 

jane

Hi-Fi freak
Ble medlem
27.06.2004
Innlegg
3.064
Antall liker
1.055
Sted
'
Mange gode og interessante spørsmål der Andreas.
Det kunne blitt en lang avhandling å svare på dette, jeg får se om jeg er i stand til å gi noen fornuftige svar senere og kanskje i en separat tråd.

God jul
Jan E Veiset
 

jane

Hi-Fi freak
Ble medlem
27.06.2004
Innlegg
3.064
Antall liker
1.055
Sted
'
Først litt historie: Arbeidsnavnet for denne forsterkeren er Spud som er US slang for potet. Siden forsterkeren har ett rør per kanal er det en one tuber eller bare tuber som er et annet ord for potet. Av en eller annen grunn har spud blitt hengende igjen som en betegnelse på forsterkere med bare ett rør.

Så tilbake til tegnebordet.
Vi hadde kommet så langt at arbeidsforholdene for utgangsrøret var klarlagt, B+ er valgt til 250 volt og vi ønsket en katodespenning på ca 120-130v og en katodestrøm i området 25 mA.



Hvis vi ser på den røde lastlinjen så ser vi at ved 120 plate volts (markert med blå strek) som er spenningen mellom anode og katode så korresponderer den med kurven merket med -20. Dette er gitterforspenningen.
Siden drivertrinnet og utgangstrinnet er DC-koblet trenger vi egentlig ikke å tenke alt for mye på denne spenningen, det kommer av seg selv så lenge spenningen mellom anode/katode er ~120 volt og lastlinjen er gitt av motstanden på 4k7. Det eneste vi bør tenke på er at gitterspenningen ligger 20 volt lavere enn katodespenningen. Og når vi ser på skjemaet så ser vi at gitterspenningen er den samme som anodespenningen i trinnet foran.



Som sagt så er det anodespenningen i inngangstrinnet som bestemmer arbeidspunket i utgangstrinnet. Vi ønsket en anode/katode-spenning på 120 volt som tilsier at spenningen mellom katode og jord blir 130 volt (B+ -Vak = 250-120=130v). Vi vet også at gitterspenningen ligger 20 volt under dette, og da havner vi på 110 volt gitterspenning i forhold til jord. Siden gitteret er direkte koplet til anoden i inngangstrinnet må også anodespenningen være 110 volt.

Da har vi kommet til det punktet hvor vi skal velge anodelast (Ra1) for inngangsrøret. Dette er ingen eksakt vitenskap men man må bruke erfaring, tommelfingerregler og noen generelle betraktninger.



På kurven over er det tegnet inn 3 ulike lastlinjer som representerer Ra1=180k, 100k og 56k ohm. Som vi ser, jo lavere verdi lasten har jo brattere blir lastlinjene. Og det fører til lavere forsterkning og lavere maks spenningssving, spesielt i dette tilfellet hvor anodespenningen skal ligge på 110v uten påtrykt signal. Anodespenningen kan variere langs lastlinjen fra 110v og mot venstre til det treffer på den første kurven som representerer en gitterspenning på 0 volt i forhold til katode. Som vi ser er maks spenningssving med 56k last lik 110v-90v=20v og for 180k last lik 110v-35v=75v. Med 100k last ligger maks sving en plass mellom disse verdiene.
Beregningene vi gjorde for utgangstrinnet sa at vi minst trengte 20Vrms fra drivertrinnet. 20Vrms tilsvarer 28V peak og da er det rimelig klart at 56k som anodelast med de 20Vp som det gir er en dårlig løsning. En tommelfingerregel som er nevnt flere plasser, blant annet i Fløtres rørteori er at lasten for en triode av denne typen bør ligge i området 4 ganger rørets indre motstand eller høyere. Indre motstand i 6EM7 er ~40k og 4*40k gir 160k.
Ut fra betraktningene ovenfor velges 180k (den røde lastlinjen) som anodelast til inngangstrinnet.

Da har vi gjort et valg og vi kan lese en del mer informasjon ut i fra grafen. Vi kan lese av hvilestrømmen ved 110v på skalaen til venstre. Hvor 110v krysser lastlinjen leser vi av 0.7mA. Gitterspenningen i arbeidspunket ser vi ligger midt mellom de to linjene som angir grid voltage -1 og -2, altså 1.5 volt. Da har vi det vi trenger for å beregne katodemotstanden Rk1.
Røret har katodebias, det vil si at det er spenningsfallet over katodemotstanden som gjør katoden positiv i forhold til gitteret (eller sagt på en annen måte; gitteret negativt i forhold til katoden). Vi vet at gitterforspenningen skal være -1.5v og vi vet hvilestrømmen som er 0.7mA. Dette gir oss en katodemotstand Rk1=Vk/Ik = 1.5/0.7=2143 ohm eller 2k2 som er en standardverdi.



Da har vi fått på plass inngangstrinnet og et utkast til skjema med verdier kan tegnes.



Jeg skal gjennomgå resten en annen dag.

Ha fortsatt en trivelig jul.
Jan E Veiset
 

slarssen

Overivrig entusiast
Ble medlem
18.03.2003
Innlegg
679
Antall liker
13
Alltid berikende Jane!

Har noe på gang selv i samme gate, så dette var flott inspirasjon!

Slarssen
 

jane

Hi-Fi freak
Ble medlem
27.06.2004
Innlegg
3.064
Antall liker
1.055
Sted
'
Valg av koplingskondensator.

Utgangstrafoen er en type beregnet for parafeed. Det vil si at det ikke skal gå likestrøm gjennom trafoen og for å skille likespenningen som er i utgangstrinnet fra transformatoren trenger vi en kondensator som DC-sperre.

Vi kan sette opp en forenklet modell over utgangstrinnet.


Vi har en generator (utgangsrøret) med en indre resistans (Ro), koblingskondensatoren C2 og utgangstrafoen som vi her har redusert til en last. Viktige parametere for å modellere trafoen er reflektert sekundærlast og primærinduktans. Reflektert last vil si den reelle lasten som er tilsluttet sekundærsiden multiplisert med trafoens impedansforhold. Trafoen er oppgitt til å være 600:8 ohm som betyr at ved å koble en 32 ohms hodetelefon til sekundærsiden vil dette reflekteres som 32 ohm x (600/8) = 2400 ohm på primærsiden. Den andre parameteren, primærinduktans, er ikke oppgitt i databladet, men tilsvarende trafoer har ofte Lprim i området 100 Henry, så det blir på en måte best guess.

Jeg skal ikke komme drassende med mer eller mindre unyttige formler her, jeg har tenkt å ta en litt mer praktisk tilnærming. Men det man bør ha i tankene er at C2 og lasten danner et høypass filter og at C2 og trafoens primærinduktans utgjør en resonanskrets. (For de som er interessert i å lese om LCR-kretser, Q-verdi og andre ting kan dette [1] være en plass å starte.)

For bokstavelig talt å se på forholdene har jeg matet modellen ovenfor inn i Spice [2] og latt koblingskondensatoren C variere fra 3 til 20uF:


Som ventet vil 3uF starte å rulle av ved ca 20Hz som vi ser av den grønne kurven. De andre kurvene representerer 5, 10 og 20uF. Vi ser også at resonansen mellom C og Lprim er godt dempet ved en last på 32 ohm og at vi kun har en antydning til peak nede ved 4Hz når C=20uF.

Simulerer vi med en noe høyere sekundærlast vil resonansene bli mindre dempet og komme tydeligere frem, men alle ligger under det hørbare området og vil neppe skape mye trøbbel i audiobåndet.
I dette plottet har lasten (hodetelefonene) en impedans på 200 ohm:


Det vi kan slutte av dette er at en verdi for C i området 5uF eller større ikke påvirker frekvens eller faseresponsen i det hørbare området. Mange har ulike preferanser når det gjelder kondensatorer og i dette tilfellet ser vi at C ligger i et område hvor det er mulig å velge kondensator av både film, olje og elektrolytt-typen.
På skjemaet har jeg antydet en verdi på 20uF, men som vist kan vi gå noe lavere i verdi. Den største usikkerheten i dette er den reelle verdien for Lprim i utgangstrafoen, som sagt var 100H bare best guess og hvis det viser seg at Lprim er betydelig lavere kan det lønne seg å være litt sjenerøs ved valg av verdi for C.


Ha fortsatt en god jul og alt det der. :)
Jan E Veiset

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/RLC_circuit
[2] http://www.linear.com/designtools/software/ltspice.jsp
 

Delle

Hi-Fi freak
Ble medlem
09.03.2007
Innlegg
1.496
Antall liker
267
Det eneste utydelige her var vel uttrykket "og alt det der." ;D

Mvh
 

VegardW

Hi-Fi freak
Ble medlem
08.02.2007
Innlegg
4.045
Antall liker
2.796
Sted
Kolsås
Torget vurderinger
4
Godt nyttår Jan E
Jeg har lett etter ulven her , og lurer på når den kommer frem :)
Jeg ser du har valgt en "plain " katodefølger kan det være aktuelt med en ccs ?
Ser frem til betraktningene rundt strømforsyningen.
primærinduktansen i trafoen din : lar den seg måle ?
 
Topp Bunn