Buizenversterker ontwerpen voor school

[timpert]

Dat is inderdaad waar.
Maar ik heb inmiddels in LTspice gezien dat de piek van de stroom 110mA is met mijn instelpunt.
Met 70mA als middelpunt van de sinusvormige stroom.

Dat moet je even toelichten...

[Leemhuis01]

Als je een sinus als ingangssignaal hebt, wat ik dus even heb gedaan.
Er staat een sinus op het rooster van 7,5 Volt.
Dan zie je dat er rond de 70 mA (instelpunt).
De stroom ook mee schommelt op het ingangssignaal.
Dus + en - 40 mA, op de instelstroom. dus van 30mA tot 110 mA.

[timpert]

Ah zo, ik dacht aan de voedingstrafo.

Maar die stroom moet je keer 2 doen voor een PP eindtrap, en dus keer 4 voor stereo. Misschien tijd voor een paar LTSpice handigheidjes, te beginnen met de voeding.

Een hypothetische maar representatieve eindversterker heeft 2 eindbuizen per kanaal en een drivertrap. Met vaste roosterspanning in klasse AB kan je de anodes van de eindbuizen biasen op 50 mA per stuk. De schermroosters pakken daar zo'n 15% van, dus dan zit je op 57,5 mA per eindbuis, keer twee maakt 115 mA. Pak dan voor de driver nog 20 mA en dan ben je er wel zo'n beetje. De totale stroom in rust per kanaal wordt dan 135 mA, voor stereo zit je dus op 270 mA DC. Daar gaan we een voeding voor maken, we mikken op 400 V. Dat geeft voor de belastingsweerstand 400/0,27 = 1,481 kOhm. Een simpele voeding wordt dan zoiets:

Ik draai een transient anlysis met een stoptijd van 2s en een "time to start saving data" van 1s om te zorgen dat in de data die ik bekijk geen opstartfenomenen meer zitten. De trafo heb ik uitgelegd op 300 Vrms bij een belasting van 600 mA en een inwendige weerstand van 10 Ohm. Dat geeft een amplitude van 433 V. Als ik nu de uitgangsspanning in beeld breng krijg ik dit:

Een handig trucje is nu om "ctrl" ingedrukt te houden en op de naam van de trace te gaan staan, dan komt er een dialoogje naar boven dat me vertelt dat de gemiddelde spanning 407,38 V bedraagt en de RMS spanning 407,44 V. Doe ik nu hetzelfde voor de stroom door R2, dan krijg ik een gemiddelde stroom van 275,07 mA en een RMS stroom van 275,11 mA. Handig!

Dat kan ik ook voor de stroom door R1 doen, dat is immers de AC stroom die de trafo moet leveren. Dit is de stroom, een ietsje ingezoomd zodat ik de vorm goed kan zien. Da's heel geen sinus, de piekwaarde is bijna 2A!

Doe ik nu weer hetzelfde ("ctrl" ingfedrukt houden en op de naam van de trace klikken), dan krijg ik voor de gemiddelde stroom -130,59 uA (die zou precies nul moeten zijn, maar er zit altijd ene klein afrondfoutje in zo'n simulatie) en voor de RMS stroom... tromgeroffel... 640,58 mA!

Dus in rust is de RMS stroom die de secundaire wikkeling die de trafo moet leveren al 640 mA RMS, en dat is toch wel ruim meer dan waarvoor de trafo gespecificeerd is. Een 400 mA trafo zit dus ruim in zijn jasje voor een mono versterker, maar is overbelast bij een stereoversterker. En dan speelt 'ie nog geen noot! Dat het in de praktijk goed gaat komt doordat zo'n trafo meestal is gemaakt om in een tamelijk hete omgeving te werken. Maar als ik de trafo zo overbelast, dan knabbel ik wel de aanwezige veiligheidsmarges weg.

En mocht je je afvragen of het in werkelijkheid ook zo erg is: ja, dat is het. Ik heb dit soort simulaties regelmatig nagemeten, en ze klopten elke keer.

Een ander leuk trucje is om de "alt" toets ingedrukt te houden en met de cursor boven een onderdeel in je schema te gaan staan. De cursor verandert dan in een thermometer, en de trace die je krijgt na klikken geeft het in het onderdeel opgestookte vermogen als functie van de tijd weer. Op zich al nuttig, maar er is meer! Als ik op die trace weer "ctrl"+klik doe, dan krijg ik het gemiddelde vermogen en de integraal over het interval in beeld. Zo kan ik voor R1 (de inwendige weerstand van de trafo) zien dat die gemiddeld 4,2544 W verstookt, en over het interval in totaal 4,2544 J heeft gedissipeerd. Gemak dient de mens nietwaar?

[Leemhuis01]

Bedankt voor de LTspice cursus.
Maar daar heb ik ook al wat geprutst met wat buizenschakelingen etc.
Maar dat vindt ik nu eigenlijk niet zo interessant.

Wat ik nu graag wil doen is een ontwerp maken van de eindtrap, en dan de voorschakeling.
En of die trafo wel of niet genoeg stroom kan leveren zie ik aan het einde wel.
zoal ik al aangaf, kan ik de voortrap ook wel achter een radio trafo doen.
En met die 4X100mA kan ik dan wel de 4XEL34 voeden.

het enige dingetje is dat de trafo en gelijkrichter 425V maken.
En ik eigenlijk 280V Wil hebben.
Maar die spanning is wel omlaag te brengen.

[timpert]

Pas op met omlaag brengen van de spanning, de stroom die de eindtrap trekt varieert nogal als functie van de uitsturing. Zelfs als je 'm in klasse A instelt. Maar ik vraag me af waarom je naar 280 V zou willen gaan, 400V is een prima spanning voor een EL34 eindtrap.

[Leemhuis01]

Omdat mijn belastingslijn er dan zo uit ziet:

[timpert]

Wat is daar mis mee? Typische klasse AB lijn.

[Leemhuis01]

Nou, dat die lijn aan de verkeerde kant zit van het maximale vermogen ...

[timpert]

Dat is geen probleem, want dat maximale vermogen wordt alleen bereikt in de signaalhelft waar de buis geleidt. In de andere helft van het signaal is de buis "uit" (de buur is dan aan het werk) en is het vermogen dat in de buis verstookt wordt nul. Dat middelt vervolgens uit over tijd waardoor de gemiddelde dissipatie netjes binnen Pmax blijft. Dat mag je doen bij buizen omdat de anode een hele lange thermische tijdsconstante heeft.

Bij een MOSFET moet je zoiets niet proberen, doordat de thermische tijdsconstante van de junctie heel kort is is ook een overbelasting van enkele milliseconden in de regel meteen fataal.

[Leemhuis01]

Dan ga ik wel van 8,4 Watt in klasse A.
Naar 2,8 Watt.

Maar dat is opzich geen enkel probleem.
Oke, ik wist dus niet dat dit bij een buis geen probleem is.
Weer wat kennis op gedaan

[Leemhuis01]

Op een ander forum stelt iemand vanuit ervaring het volgende voor:

- Ua = 425V
- Ia = 45mA
- Ubias = +- 35V

Als ik dat teken, dan komt er het volgende uit:

Hier ga ik in klasse A al over de 25 Watt heen.
Dat is dan wel een probleem lijkt mij??
Of werkt dit wel goed??

[timpert]

Nee hoor, geen probleem. Ook hier gaat in de andere signaalhelft de anodedissipatie naar 0, waardoor het weer netjes uitmiddelt tot onder het maximum.

[Leemhuis01]

Oke, dat is dan fijn.
Dan kan ik daar op voort gaan ontwerpen.

Ik moet dan alleen even gaan nadenken,
hoe ik dat een beetje netjes verwoord/aantoon in mijn verslag.
Want het is natuurlijk wel bijzonder dat je voorbij een maximaal vermogen gaat.

[timpert]

Je kan vermelden dat het maximaal gedissipeerde vermogen bij buizen van toepassing is op het gemiddelde vermogen, niet op het momentane vermogen, en dat dat komt doordat de anode een stukje metaal is met een vrij grote warmtecapaciteit en daardoor een lange thermische tijdsconstante. Daardoor is het geen probleem om kortstondig over het maximumvermogen heen te gaan, als daar ook maar evenredig afkoeltijd tegenover staat. Omdat de anode tamelijk traag opwarmt en afkoelt raakt die niet oververhit.

[timpert]

Check dit: https://frank.pocnet.net/sheets/010/sup ... 2Part4.pdf

Kopje 7 op pagina 19 (nummering volgens PDF reader) geeft je de info die je zoekt. Als je hiernaar verwijst in je rapport ben je klaar.

[Leemhuis01]

Oke, bedankt voor de literatuur.
Maar ik ga in klasse B toch wel behoorlijk over het maximale vermogen heen.
Als je naar deze afbeelding kijkt, dan heb je op dat punt toch al zon 50Watt.
Is dat ook geen probleem voor de buis??

[timpert]

Geen probleem, zolang je de eindtrap maar gebruikt voor spraak of muziek (zie handboek paragraaf 7.1). Want op het punt dat de ene buis 50 Watt staat te knorren doet de andere precies 0.

Voor de grap kan je bijvoorbeeld eens naar het volgende klasse B instelpunt kijken:
Va = 800 V
Vg2 = 400 V
Raa = 11 kOhm
Vg1 = -39 V
Staat gewoon als voorbeeld in de Philips data, en levert 100 Watt met twee stuks EL34.

[Leemhuis01]

Ja, maar in dat handboek staat ook max. 10% bij spraak en muziek.
En dit is toch wel even 100%

Met die gegevens ziet de lijn er inderdaad anders uit.
Maar ook de impedantie van de trafo speel daar nog een rol.
Moet ik die lijnen trouwens ook met Z, of met 1/2Z gaan tekenen?
Want ik heb nu nog de hele tijd met Z gedaan

[timpert]

Ja, maar die 10% slaat op de gemiddelde waarde over 1 seconde, niet op de momentane waarde, en op testen met een sinussignaal. Omdat testen met sinus een iets hogere gemiddelde dissipatie optreedt dan typisch met muziek gebeurt is die voorziening in het handboek opgenomen.

Als je een PP eindtrap simuleert moet je bij de load de Raa opgeven, dus de impedantie van de volledige primaire van de uitgangstrafo.

[Leemhuis01]

Dit is hem dan geworden.
Wat denken jullie hiervan?
Ik heb de trafo ook nog even nagemeten, en die is zeker weten 3500 Ohm

[Leemhuis01]

Op een ander forum, beveelt iemand 50mA in rust aan.
Gaat dat nog veel veranderen?

[timpert]

Dat gaat niet veel veranderen, alleen krijg je een beetje groter klasse A werkgebied. Voor de levensduur van de buizen helpt het juist om ze wat koeler in te stellen. Maar als je de roosterspanning instelbaar maakt (sowieso doen!) en je neemt een weerstand van 1 Ohm op tussen de kathode van de buizen en massa, dan kan je de ruststroom makkelijk meten en instellen. Je kan dan experimenteren met het instelpunt.

Ik zou zeker ook de ultralineair taps van de uitgangstrafo gebruiken!

[Leemhuis01]

Ja, dat instelbaar maken van de roosterspanning zie ik vaak voorbij komen inderdaad.
Maar, bedoelt men daarmee bij een kathode weerstand, dat dat een potmeter wordt??

[timpert]

Ik denk dat je er goed aan doet om eens een boek te raadplegen dat uitlegt hoe het een en ander precies in elkaar steekt. "Valve Amplifiers" (4de editie) van Morgan Jones is anno nu een absolute aanrader, die zou ik zeker aanschaffen als je budget het ook maar enigszins toelaat. De derde editie is als pdf ook via Google te vinden.

Ook een dikke aanrader (en gratis): http://www.tubebooks.org/ en dan doorklikken naar "Technical books", daar vind je een hoop uitstekende literatuur van vroegâh. De kans bestaat dat je verzuipt in de info, maar de kans dat je er iets leerzaams en waardevols treft is 100%. Bijvoorbeeld hoofdstuk 6 van dit boek http://www.tubebooks.org/Books/army_theory.pdf geeft een mooi antwoord op je vraag, een stuk beter dan je ooit in een forum zal krijgen.

[Leemhuis01]

bedankt voor de tip. heb beide boeken als pdf. zal ze eens doornemen.