Pääteasteen biasointi vakiovirtageneraattorilla?

[F-Jag]

Kun satuin ohimennen lukemaan biasoinnin automatisoinnista jopa ohjelmallisesti, niin tässä tuli niin yksinkertaisen kerettiläinen ajatus, että on ihan pakko kysyä viisaammilta. Tämä tietysti tuo puolijohteen putkikoneeseen, ja sitä eivät kaikki puristit hyväksyisi, mutta mutta… Miksi ei käytetä fixed-arvoon säädettyä vakiovirtageneraattoria päätteen biasointiin?  :- Ainakin single-ended koneeseen pitäisi sopia kuin nenä päähän, ja miksei myös vuorovaihepäätteeseen? Haetaan sopiva biasvirta-arvo, ja niitataan se kiinteää vastusta ja vakiovirtagenua käyttäen paikalleen. Putken voi vaihtaa toiseen enempiä ihmettelemättä, ja vakiovirta asettuu säädetyksi aina. No, mitäs sanotte, halpa ja idioottivarma ratkaisuko?

EDIT:  tarkemmin ilmaisten, pitäisi kai puhua katodibiasoiduista, johon vakiovirtagenu sopisi ainakin hienosti. Miten sitä soveltaisi ns. fixed-bias vahvistimiin, on varmaan mutkikkaampi juttu.

[Faylon]

Täältä heti karmea vastalause. Jäiskö isolla työllä tekemäni biasprobet, ja taskulaskin
kynä, Puimuri kaava, ja ym, ja se koulutus myös nyty yhtääkkiä työttömäksi.
Ite oon EL-84 hommat jättänyt ihan radioihin. Se on niiden paikka. EL-34 llä mennään.
Tuskinpa kovin reguloitua hommaa saat kehitettyä, veikkaan. Hyvä idea kyllä,
putkethan ruukaa kulua samaan tahtiin alusta loppuun, hyvä pari. Siinäpä värkkää.

[F-Jag]

Ei tässä tarkoitus työttömyyttä lisätä, 😉 mutta kun tuossa värkkäilin aiemmin yhden led-projektin kanssa, niin huomasin, että niitä vartenhan on vakiovirtasysteemeitä jos jonkinlaisia. Luulisinpa, että yhdellä aktiivikomponentilla ja vastuksella saisin kyllä milliampeerin tarkkuudella toimivan biasvirrankin aikaiseksi. Ei tee tuskaakaan.

[artosalo]

Katodibiasoidussa putkiasteessa katodivastus pyrkii vakauttamaan putken virran.
Jos virta pyrkii putkessa jostakin syystä kasvamaan, niin katodivatuksessa syntyvä jännitehäviö kasvaa ja samalla hilan ja katodin välinen jännite kasvaa, jolloin virran kasvu jää pieneksi.
Katodibiasoinnissa “menetetään” osa käyttöjännitteestä katodivastukseen, jolloin putken todellinen anodi-katodijännite
on alentunut sillä määrällä joka katodivastuksen yli jää.  Esimerkiksi 6L6-sukuisilla putkilla tämä jännitehäviö on jopa n. 40 V luokkaa.

Kiinteästi biasoidussa putkiasteessa ei tällaista virran kasvua kompensoivaa mekanismia ole.
Siinä (ohjaus)hilalle on tuotu kiinteä negatiivinen jännite, joka asettaa putken lepovirran tiettyyn arvoon.
Jos putken virta jostakin syytä pyrkii kasvamaan, niin mikään ei sitä rajoita.
Onneksi putket ovat hyvin stabiileja tässä suhteessa, joten ns. fixed bias on yleensä ihan toimiva ratkaisu.
Koko käyttöjännite on myös samalla anodi-katodijännite.

Vakiovirtaregulaattorin voi helposti sijoittaa katodibiasoituun vahvistimeen. Sillä korvataan katodivastus, mutta katodilyytti tarvitaan edelleen, koska signaalivirtojen pitää päästä kulkemaan vakiovirtaregulaattorin ohi esteettä. Vain tasavirran määrää rajoitetaan.

Yksinkertaisimmillaan tällainen vakiovirtageneraattori/-regulaattori syntyy vaikkapa LM317 jänniteregulaattorista.
Se on käyttökelpoinen 40 V jännitteelle saakka.

Alla periaatekytkentä sillä erotuksella, että putken katodi kytketään LM317:n nastaan “Vin” ja piirin kuormaksi kuviteltu “LOAD” jätetään pois ja korvataan suoralla kytkennällä maihin. C1 on putken katodilyytti (22…220 uF).
Kuvassa on näkyvissä yhtälö, jonka avulla tarvittavan R1:n arvon saa laskettua. “Vref”:n arvo on 1,25 V.
Regulaattori pitää kiinnittää jäähdytyslevyyn tai eristelevyn ja muoviprikan avulla vahvistimen runkoon, jotta syntyvä teho ei lämmitä piiriä yli sallitun.

[F-Jag]

Just noin se menee, kuin Salo esittikin ihan kaaviolla. Jos ei nyt halua varautua ampeerien virtoihin, niin käytännössä regulaattorin voinee aivan hyvin jättää ilman jäähdytystä, ja 2 watin vastuksen korvata vaikka 0.25 wattisella. Esim hyvin yleisen 6V6 putken, ja taisi olla myös 6L6:n biasvirta on muistaakseni jossakin 45mA hujakoilla.

Mielenkiintoista olisi myös muuten nähdä vastaava regulaattorikytkentä fixed-koneeseen toteutettuna jopa niin, että kummallekin putkelle olisi oma regulointi. Tässä siis on kyseessä jännitevakavointi, joka ei liene sen kummoisempi toteutattava, ja joka korvaisi sen bias-trimmerin. Sitä mitä tapahtuu, kun putki vaihdetaankin toiseen, en pysty kuvittelemaan, kun en ole asiantuntija.

Kitaravahvistimissa paljonkin mainetta niittäneet tweed-Fenderit, mm. '59 Bassman ja 5E3 Tweed Deluxe ovat katodibiasoituja. Samoin esim. edelleen tietääkseni Voxin mallit AC15 ja AC30. Etuina sanotaan lämpimämpi soundi ja nätimpi säröytyminen. Myös kovassa maineessa olevat Black Face Fenderit ovat taas fixed-bias koneita, joista puolestaan lähtee enemmän tehoja. Suo siellä vetelä täällä. Jyrkkää jakoa ei kuitenkaan kannata tehdä. Molemmilla lienee puolensa, mutta putkisäröillä soitteleva saattanee kääntyä katodibiasoidun puoleen. Toivoisin tänne kovasti lisää asiantuntijakommentteja. Esim. harryk:n (Bluetone) painava sana olisi hyvästä 🙂

[artosalo]

Soundeihin en ota mitään kantaa, kun en edes ole kitaramiehiä. Ei tämä asia ole hifi-puolellakaan lainkaan yksiselitteinen.
Esimerkkinä soundien arvioinnista voisin mainita erään tapauksen:

Minulla on Sinovt-merkkinen EL34 SE-hifivahvistin, jossa pääteputki on triodiksi kytketty ja vahvistin on toteutettu ilman vastakytkentää.
Mittausten mukaan se on luonnollisesti säröjen osalta kaukana hifi-vahvistimesta.
Olen kuitenkin koekuunteluttanut sitä kahdella hifiharrastaja-kaverillani, jotka kumpikin ovat vakavasti otettavia harrastajia.

Ensimmäinen koekuuntelija piti vahvistimen soundia aivan ylivertaisena, ja hän ryhtyi vielä samana iltana kotiin palattuaan rakentamaan itselleen samalaista.
Toinen koekuuntelija suoritti koekuuntelut kotonaan kaikessa rauhassa. Lopputulos oli musertava.
Hänen mielestään vahvistin oli aivan luokaton ja soundi ala-arvoinen.

Olen tämän kokemuksen jälkeen tullut siihen tulokseen, että ns. “hyvä soundi” on mitä suurimmassa määrin subjektiivinen
kokemus eikä sitä voi lähteä pitämään kovinkaan suurena faktana.

Mutta aiheeseen.
Fixedbias-vahvistin muuttuu sillä hetkellä katodibiasoiduksi, kun sen pääteputkien katodeille asennetaan vakiovirtageneraattorit.
Mutta tässä asiassa voidaan tehdä sellainen kompromissi, joka sisältää kummankin biastavan hyvät ominaisuudet.  
Oletetaan sellainen kiinteästi biasoitu (vuorovaihe)pääteaste, jonka negatiivinen hilaetujännite on alkuaan 40 V.
Rakennetaan katodeille vakiovirtageneraattorit, mutta säilytetään kiinteä bias ja säädetään hilaetujännite – 30 V:iin.
Tästä seuraa, että vakiovirtalähteen yli jää 10 V tasajännite, kun lepovirta on säädetty vastaavaksi, kuin se oli fixedbias-tapauksessa.  
Nyt vahvistimessa on vakavoitu lepovirta vakiovirtalähteen ansiosta, mutta käyttöjännitteestä on “hukattu” vain 10 V, jolloin vahvistimen maksimi lähtöteho on lähes alkuperäistä tasoa.

Lepovirtaa ei enää voi säätää entisestä biastrimmeristä, vaan se säädetään kummastakin vakiovirtageneraattorista erikseen.
Biastrimmeristä säätyy enää vain vakiovirtageneraattorin kynnysjännite tai kutsuisiko sitä toimintajännitteeksi.

Kuka kokeilee ensimmäisenä ?

[F-Jag]

Mutta aiheeseen.
Fixedbias-vahvistin muuttuu sillä hetkellä katodibiasoiduksi, kun sen pääteputkien katodeille asennetaan vakiovirtageneraattorit.
Mutta tässä asiassa voidaan tehdä sellainen kompromissi, joka sisältää kummankin biastavan hyvät ominaisuudet.  
Oletetaan sellainen kiinteästi biasoitu (vuorovaihe)pääteaste, jonka negatiivinen hilaetujännite on alkuaan 40 V.
Rakennetaan katodeille vakiovirtageneraattorit, mutta säilytetään kiinteä bias ja säädetään hilaetujännite – 30 V:iin.
Tästä seuraa, että vakiovirtalähteen yli jää 10 V tasajännite, kun lepovirta on säädetty vastaavaksi, kuin se oli fixedbias-tapauksessa.  
Nyt vahvistimessa on vakavoitu lepovirta vakiovirtalähteen ansiosta, mutta käyttöjännitteestä on “hukattu” vain 10 V, jolloin vahvistimen maksimi lähtöteho on lähes alkuperäistä tasoa.

Lepovirtaa ei enää voi säätää entisestä biastrimmeristä, vaan se säädetään kummastakin vakiovirtageneraattorista erikseen.
Biastrimmeristä säätyy enää vain vakiovirtageneraattorin kynnysjännite tai kutsuisiko sitä toimintajännitteeksi.

Kuka kokeilee ensimmäisenä ?

En varmaan ennätä kokeilla ensimmäisenä. Ehkä syksyllä olisi aikaa taas. Toteutustapasi on mielenkiintoinen. Itsekin mietin, miten kiinteän biaksen voisi toteuttaa reguloidusti. Tuli mieleen 1 ohmin vastus katodilta maihin, ja piiri tarkkailisi sen yli olevaa jännitehäviötä (millivoltit vastaavat siis biasvirran milliampeereita), ja säätäisi hilaetujännitettä sen mukaan. Tämä kuitenkin vaatisi varmaan monimutkaisemman järjestelyn. Yhdellä simppelillä regupiirillä siitä ei selvinne. Joku op-amp toteutus taas vaatisi omat järjestelynsä, ja se menee mun mielestä kitaravahvistimen kyseessä ollen turhan vaikeaksi hienosteluksi.

Bias-säätö tulee kysymykseen esim. vuorovaihevahvistimessa silloin, kun vaihdetaan pääteputkia, jolloin vahvistin pitäisi periaatteessa biasoida uudelleen. En ihan nyt osaa järkeillä, miten ratkaisusi hoitaisi tämän asian? Biasvirta ei siis putken vaihdosta olisi moksiskaan?

Saapa nähdä tosiaan kuka haluaa kokeilla esittämääsi ratkaisua. En ole itse rakentanut vuorovaihekonetta, kun yksi sellainen hyvä talossa on. Tuon pienen single-ended masiinan kokosin itse.

[artosalo]

Katodivastuksen yli jää lepovirran aiheuttaman jännitteen lisäksi signaalivirran aiheuttama jännite, joten tämä pienikin katodivastus pitäisi ohittaa, muuten bias vaihtelisi signaalijännitteen mukana.
Ja koska katodivastus on pieni 1…10 ohmia, pitää ohituskonkan olla hirmuisen suuri, jotta taajuusvaste säilyy hyvänä.
Kyllä biaksen vakavoinnin voi toteuttaa tuollakin tavalla, mutta tavaraa tarvitaan paljon.

Tuo edellä esittämäni regulointi toimisi putkenvaihtotapauksessa sillä tavalla, että vakiovirtageneraattori säätäisi lepovirran automaattisesti alkuperäisen asetuksen mukaiseksi. Ainoa mikä muuttuisi on vakiovirtageneraattorin yli jäävä tasajännite.

Kuvitellaan, että uudet juuri vaihdetut putket ottavat hiukan suuremman virran kuin vanhat samalla (-40 V) hilaetujännitteellä.
Tässä tapauksessa vakiovirtageneraattorin yli on jäätävä hiukan suurempi jännitehäviö, jotta putken lepovirta asettuisi
ennalta asetettuun arvoon. Nyt vakiovirtageneraattori säätäisi omaksi jännitehäviökseen esim. 12 V (kun se oli alunperin 10 V), jolloin todellinen hilaetujännite kasvaa -40 V:sta – 42 V:iin ja virta pysyy samana, kuin vanhoilla putkilla.

[F-Jag]

Tuo edellä esittämäni regulointi toimisi putkenvaihtotapauksessa sillä tavalla, että vakiovirtageneraattori säätäisi lepovirran automaattisesti alkuperäisen asetuksen mukaiseksi. Ainoa mikä muuttuisi on vakiovirtageneraattorin yli jäävä tasajännite.

Kuvitellaan, että uudet juuri vaihdetut putket ottavat hiukan suuremman virran kuin vanhat samalla (-40 V) hilaetujännitteellä.
Tässä tapauksessa vakiovirtageneraattorin yli on jäätävä hiukan suurempi jännitehäviö, jotta putken lepovirta asettuisi
ennalta asetettuun arvoon. Nyt vakiovirtageneraattori säätäisi omaksi jännitehäviökseen esim. 12 V (kun se oli alunperin 10 V), jolloin todellinen hilaetujännite kasvaa -40 V:sta – 42 V:iin ja virta pysyy samana, kuin vanhoilla putkilla.

Hienoa! Nyt putkimiehet asialle ja kokeilemaan. Käytännön kysymyksissä ja säätämisessä sinä varmaan olet paremmin avuksi kokeneena mahdollisen kytkisesimerkin muodossakin. Itse olen tosiaan aika kokematon näissä putkijutuissa, vaikka pienellä ohjauksella omaksun aika nopeasti. Voisin mahdollisesti syksyllä ajatella rakentaa pienen vuorovaihevahvistimen vaikka sitten vanhemman pojan varalle, kun onnettomalla trankkukoneella soittelee. Esim. joku Fender Deluxe (Reverb) johdannainen tai vastaava voisi tulla kysymykseen.

Tässä vielä saman tein yksi kysymys. Otetaan esim. katodibiasoitu single-ended vahvistin. Sanotaan, että anodilla olisi vaikka 320 volttia. Katodilla vaikka 10V (hatusta). Biasvirta vaikkapa 30 mA. Miten lasketaan häviöteho? Onko se 320V*30mA vaiko 320V-10V*30mA? Jossain olen kuullut jonkin sanovan, että tuosta 30mA:stakin hila ottaisi muutaman milliampeerin, mutta vaikuttaako se laskelmaan? Kitaramaailmassa toiset haluavat biaksen ns. kuumaksi paremman soundin vuoksi, ja siinä pelissä suurin pitää suurin sallittu häviöteho pitää mielessä.

[artosalo]

Yritän piirrellä mallikytkennän vielä tänään.

Pentodiasteen katodivirta sisältää anodivirran ja suojahilavirran. Tyypillisillä pääteputkilla suojahilavirta on jotakin 5…10 % anodivirrasta.
Esimerkkitapauksessasi putken kokonaishäviöteho, joka sisältää anodi- ja suojahilahäviötehon on (320 V -10 V ) x 30 mA = 9,3 W edellyttäen, että suojahilajännite on myös 320 V. Anodihäviöteho on siis n. 8,5 – 9 W ja loput suojahilahäviötä.
Lepotilassa olevan putken – jolloin biasia säädetäänkin – suojahilatehohäviö on siis aika marginaalinen.

Sitten on vielä katodivastuksessa tapahtuva tehohäviö 10 V x 30 mA = 0,3 W

[Sancho]

Mielenkiintoista keskustelua. Voishan tuota joskus tulevaisuudessa kokeillakin. Mitenkä tuossa menee tuo kytkentä jos tuo lm317 menee rikki, onko se oikosulussa vai auki?

Eikö Marshallilla ole joitakin malleja missä bias säädetään automaattisesti napeilla? Olikohan tässä Slashin nupissa ainakin tämmönen ominaisuus.

[artosalo]

No tässä olisi kytkis malliksi:

[img]http://kuva.termiitti.com/image/33820.GIF[/img]

Siinä on esitetty puolikas EL34 vuorovaiheasteesta. Oletetaan, että vahvistin on ollut alunperin kiinteällä biaksella toteutettu ja negatiivinen hilaetujännite on tuotu – ja tuodaan vieläkin – ohjaushilalle kohtaan “-Ug1”.

Alkuperäinen 10 ohmin katodivastus on olemassa edelleen ja näkyy LM317:n alinpana komponenttina.
Tämän yli mitataan putken katodivirta vanhaan tapaan. Kuvassa näkyvää 0,6 V vastaava virta on 60 mA.

Vakiovirtaregulaattorin virran määrävat ylempi 10 ohmin kiinteä ja 50 ohmin trimmerivastus.
Näillä komponenttiarvoilla virran säätöalue on skemaankin merkitty n. 20 mA – 125 mA.

Alunperin negatiivinen hilaetujännite on ollut 35 V ja sitä vastaava katodivirta 60 mA. Nyt muutoksen jälkeen hilaetujännite säädetään n. 25 V:iin, jolloin vakiovirtaregulaattorin yli jää n. 10 V.

Tämän muutoksen jälkeen pääteputket voi vaihtaa ilman uutta biasointia. Virta pysyy samana, vain vakiovirtaregulaattorin yli jäävä jännite voi hieman vaihdella.

Negatiivisen hilaetujännitteen voi myös jättää kokonaan pois ja maadoittaa hilavastuksen (470k) alapää.
Siinä tapauksessa vakiovirtaregulaattorin yli jää hilaetujännite kokonaisuudessaan, mutta virta pysyy vakiona.

[artosalo]

Mitenkä tuossa menee tuo kytkentä jos tuo lm317 menee rikki, onko se oikosulussa vai auki?

En osaa sanoa. Yleisesti ottaen puolijohteiden luotettavuus on erittäin hyvä, mutta jos tällainen mahdollisuus huolettaa, niin ongelman saa poistettua sopivalla sulakkeella. Näin olen tehnyt itsekin jonkun kerran.

[F-Jag]

Paljon kiitoksia skemasta ja keskustelusta tähän asti myös. Kytkentää katsoessani itselle tuli mieleen, että tuollaisen trimmerisäädön jälkeen itse ehkä mittaisin arvon, ja laittaisin lopulliseen kytkentään sopivan kiinteän vastuksen trimmerin ja sen kanssa sarjassa olevan 10 ohmisen tilalle. Kytkennässä olevaa 100 ohmista en välttämättä oikein ymmärrä?

Sancholle, noita erilaisia bias-toteutuksia on varmaan paljonkin. Ei ole kovin suuri homma elektroniikkaa ja ohjelmointia osaavalle rakennella sulautetulla prossalla vahvistimen sisään zydeemi, joka paitsi mittaa biaksen ja näyttää sen vaikka LCD-näytössä, ja napeilla sen saa säädetyksi sen sitten. Tuo vaatii siis prosessorin AD-muuntimella ja sopivan analogialähdön, jolla ohjataan vakiovirtaregua. AD-tuloja ja DA-lähtöjä 1 per säädettävä putki. Helppoa kuin heinän teko (=aamuviideltä tallille valakkaa valjastamaan jne… ;D ).

[artosalo]

Tuo 100 ohminen on vain LM317:n “grid stopperi” ja sen voi tässä tapauksessa jättää pois.
Joskus tein mittauksia, joissa LM317 oli vakiovirtageneraattorina LTP-vaiheenkääntäjän katodeilla.
Silloin havaitsin, että tuo “grid stopperi” paransi vaiheenkääntäjän yläpään taajuusvastetta.
Nyt käsiteltävässä kytkennässä sillä ei ole mitään merkitystä, kun koko LM317 ohitetaan isolla elkolla.

[Julkaisija]

Artikkelit