Elektronkový expander s ECH81

Zhruba před dvěma lety jsem si říkal, že ještě postavím něco s elkama. O expander jsem se snažil už dříve, ale dlouho mi trvalo pochopit pracovní bod heptody.

Díky tomu, že změnou předpětí se změní i celkový proud elky, tak expander prakticky nejde realizovat s katodovým odporem. Navíc triody mají společnou katodu s heptodami. Předěláním zapojení na pevné mřížkové předpětí začalo zapojení konečně fungovat.

Heptoda se zapojí jako pentoda, vstupní signál na g1, výstupní z anody. Mřížka g2 je zapojena na kladný potenciál jako u běžné pentody. Za ní následuje druhá řídící mřížka g3, tu použijeme k regulaci zesílení, ta má svoji stínící mřížku g4 a nakonec následuje g5 spojená s katodou.

Regulací předpětí na g3 měmíme zesílení stupně v dostatečně velkém rozsahu bez zkreslení. Nutností je akorát oddělení stejnosměrné složky, protože změnou napětí na g3 se částečně posouvá pracovní bod a tím úbytek na anodovém odporu.

Schema:

Zbývající dvě triody z ECH81 můžeme použít jako zesilovač a detektor pro získání stejnosměrného řídícího napětí. První stupeň zesiluje sloučený signál R+L za potenciometrem citlivosti. Druhá trioda pracuje jako mřížkový detektor, to znamená, že mřížka je použita jako dioda proti katodě. C3 se pak nabíjí na amplitudu zesíleného napětí. Na první pohled se může zdát, že mřížka bude přetížená, ale trioda v ECH81 byla na tohle přesně určená, dokonce je uvnitř vidět sada závitů mřížky navíc, které zřejmě tvoří tu diodu navíc. Výstup z anody je potom inverzí stejnosměrného potenciálu nabitého na C3. Máme tedy na výběr dva signály, první s amplitudou vstupu klesá a druhý roste, můžeme využít oba pomocí přepínače kompresor/expander.

Dále následuje potenciometr a kapacita, které nastavují časovou konstantu odezvy expanderu/kompresoru.

Zdroj zde není zakreslen, při ladění jsem používal malý flyback s 6,3V a 150V výstupem, nakonec jsem tam zamontoval malé síťové trafo a diodový usměrňovač. Mřížkové předpětí je získáno usměrněním a dobrým vyhlazením CRC členem ze žhavícího napětí.

Ve finále jsem tam chtěl doplnit malé 2x přepínací relé, které při vypnutém napájení přemostí vstup na výstup, aby zařízení mohlo být trvale umístěno v cestě signálu.

Ladění na destičce s paticemi a flyback zrojem

Zapojení je spíše tak na hraní a pro inspiraci co se dá se dvěma heptodami realizovat. Funkce expanderu se dá ocenit samozřejmě jen pečlivým nastavením a jen na některé hudbě. Kompresor se může hodit, při běžném poslechu u PC k vymazávání hlasitých zvuků, kterých by se člověk lekl.

Zajímavým vylepšením obvodu by mohlo být získání řídícího napětí ze sofistikovanějšího obvodu, protože heptodový "regulátor hlasitosti" funguje velmi dobře. Jeho možnosti směrem dolů omezuje jen brum síťového zdroje a zdroje mřížkového předpětí, které je třeba dobře filtrovat, jinak lze stupeň záporným předpětím na g3 prakticky úplně zavřít.

Literatura:

Rca Receiving Tube Manual: expander/mixer

Jednočinný zesilovač s EBL21

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit. 

Po mnoha letech jsem se rozhodl postavit ještě jeden elektronkový zesilovač. Už mi přišlo dlouho, koukat na EBL21 jen ve vitríně, protože nemám žádné šasi na ně v provozu.

Celé roky jsem používal OTL s EL34 anebo tranzistorový Ge zesilovač vyjímečně. Chtěl jsem postavit něco malého, co se vejde na stůl, úsporného aby se to dalo provozovat běžně jako zesilovač k PC a aby to výkonově překonalo OTL.

Poslední podmínka je složitější než se zdá, OTL má RMS výkon sice 250mW ale poslechově odpovídá asi 4W zesilovači díky specifickému chování elektronek v limitaci.
Přemýšlel jsem nad mnoha variantami, i nad použitím jiných elektronek, ale nakonec jsem se rozhodl postavit s EBL21 a EF22 nebo ECH21 (kdyby nestačilo zesílení) úplně klasický jednočinný koncový stupeň.

Začal jsem vybíráním výstupních transformátorů, chtěl jsem využít hotové, výkonově budou vyhovovat. Hledal jsem druhé do páru k některým co mám, anebo rovnou dva stejné. Nakonec jsem pobral dvojici Phillips PW30362.

Síťové trafo z radia výkonově vyhovuje, dlouho jsem váhal u řešení usměrňovače, AZ1, plynové diody, selen, historický můstek anebo křemíkové diody. AZ1 by bohužel zvýšila příkon asi o 1/3 a byla by zřejmě nejslabší částí zesilovače. Můstek 250V/75mA z radia by šel, ale nakonec jsem zvolil průmyslové KYY85.

Elektrolyty jsem dal šroubové TC519, po pár hodinách formování sníženým napětím fungují perfektně a zesilovač nebručí.

Konstrukce je na pájecích lištách, odpory se podařilo najít shodného typu ze začátku 50. let.

Zesilovač hrál na první zapnutí, hodnoty součástek nebylo třeba ladit. Větší problém byl s výběrem dvou přibližně shodných EBL21, nakonec jsem musel dát do vitríny jinou, protože zrovna tam byla jedna z mála dobře fungujících.

Nejvíce mě překvapila výkonová rezerva zesilovače oproti OTL, ale na odlišnou frekvenční charakteristiku a hlavně malý výstupní odpor si budu zvykat asi hodně dlouho. Silně uvažuju o zavedení některého typu zpětné vazby.

Zajímavé bylo zkoumání výstupních transformátorů. primár se jeví jako vinutí s odbočkou na 10% impedance, tedy se moc nehodí na ultralineární zapojení. Spíš mi přijde, že bylo použito jako tlumivka pro napájecí zdroj, chtělo by to dohledat, kde byly osazeny.

Protože cílem bylo přiblížit se OTL, aby změna pro poslech nebyla tak velká, volil jsem spíš triodovou charakteristiku.

Nakonec to vedlo k experimentu s přepínáním mezi pentodovým a triodovým zapojením a opakovanému poslech. Po čase jsem se však rozhodl zavést zpětnou vazbu a výrazně tak zlepšit přenosovou charakteristiku. Zejména u malých transformátorů je to poslechově velmi znát. SE zapojení bez zpětné vazby je možné pouze s opravdu velikými transformátory, tak jak jsem to stavěl  dávno s PL504/509.

 Schema jednoho kanálu a zdroje (verze 4 - aktuální)

 Rozmístění na šasi je trochu nelogicky obráceně než cesta signálu, ale je to hlavně kvůli tomu, aby EBL21 neohřívaly elektrolytické kondenzátory. EF22 jsou za chodu vlažné protože mají velkou plochu skla vzhledem k malému proudu žhavení jen 0,2A.

 Podařilo se ještě najít odpory ALWAYS a TESLA "always" z konce 40. let.

Na vnitřní stěně anody EBL21 jsou vidět proužky kam dopadají elektrony skrz stínící mřížku. Elektronky jsou většinou z let 1947 - 1949.

4.2017
Tak mi tak dlouho vrtalo hlavou proč to hraje tolik jinak oproti OTL až jsem se rozhodl zlepšit přenosovou charakteristiku zpětnou vazbou.

Vazbu jsem zavedl celkovou prostě z výstupu do katody vstupní elky. Aby byla záporná, musí být výstupní napětí ve fázi se vstupním, proto jsem do schématu označil začátky vinutí výstupního trafa.

 Naměřené charakteristiky. Červená je ze stavu, kdy R6 nekonečno a R12 2K0. Žlutá pro R6 = 3K2 a R12 = 12K. Samozřejmě silnější vazba snižuje zesílení, které už takhle není příliš vysoké pouze u dvou stupňů.

Nakonec jsem zjistil, že kratší vinutí na výstupním trafu je s největší pravděpodobností určeno jako tlumivka napájecího zdroje a má velký rozptyl. Tu část vinutí vůbec nepoužil.

12.2018
Byl jsem dotázán na téma fyziologické regulace hlasitosti. Přestože nemám korekce rád, zkusil jsem do zesilovače jedno primitivní zapojení zadrátovat a výsledek překvapivě není vůbec špatný, naopak. Přepočítal jsem schema odsud: https://www.belza.cz/audio/lpots.htm pro potenciometr 470k a součástky, sice už ne dobové, osadil.

Zesilovač nemá velké zesílení a cca odpovídá, že potenciometr na konci dráhy dá v místnosti 90dB z linkového výstupu. To je požadavek fyziologického regulátoru, aby při 90dB už byla charakteristika zase plochá. na kraji dráhy se už přidané RC články neuplatní.

Pro kontrolu jsem ještě změřil v krajní poloze pár bodů v charakteristice. Do odporové zátěže cca 1W, abych se ujistil, že na konci dráhy se zapojení neuplatní.

Poslechově se úprava projevuje tak, že při ztlumování zesilovače při poslechu večer nemizí hloubky tak prudce jako obvykle. Člověk má pocit, že i při tichém poslechu slyší z hudby trochu víc detailů. Naopak vždycky ví, že vytočením potenciometru do krajní polohy se může účinku přidaného obvodu snadno zbavit.

Konečně jsem také po dvou letech dodělal a uzavřel šasi, už to vypadá trochu rozumně:

Hybridní elektronkový - germaniový zesilovač

Uvádím pro inspiraci jedno z možných řešení hybridního zesilovače s dvojitou triodou na vstupu a tranzistorovým koncovým stupněm. Zapojení je s germaniovými tranzistory, ale přepočítat pro křemíkové není problém.

Schema:

Zapojení obsahuje DC servo s operačním zesilovačem, které po nažhavení triod dokáže bezpečně nastavit nulové stejnosměrné napětí na výstupu, není tedy třeba vybírat dvojité triody, kde mají obě sekce shodné parametry. Než se triody nažhaví je ale na výstupu plné napětí zdroje jedné polarity. Je tedy nutno zesilovač zapnout s odpojenými reproduktory! Nejlépe je chránit obvodem s automatickou detekcí DC napětí, co ne nepřipojí dříve, než se elektronky nažhaví a DC servo ustálí nulu na výstupu!

Zenerova dioda D4 je zde jen kvůli malému dovolenému Uce T2. Pro větší výkon zapojení potřebuje budící tranzistory před koncovými. Takto má zesilovač velmi malou rychlost přeběhu.

Oproti čistě Ge řešení je výhoda v odstranění problémů se šumem při nastavení většího zesílení díky tomu, že v diferenciálním stupni je elektronka. Elektronka také obstarává veškeré napěťové zesílení, zesilovač by tedy mohl mít "elekronkový zvuk". Pravdou je, že se blíží zvuku OTL a je příjemnější na poslech než plně Ge zesilovač s GD241B publikovaný dříve. Tato podobnost je ale pravděpodobně způsobena mizernými parametry koncového stupně, ne tím, že by na vstupu byla elektronka.

Cílem další práce by tedy mělo být vylepšení koncového stupně a další testování. Toto je spíše ukázka možného řešení jednoduchého hybridního zesilovače.

Pár fotek:

Jednočinný zesilovač se dvěmi EL34 paralelně

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit. 

Byl jsem požádán o postavení kytarového komba s elektronkovým zvukem. Dostal jsem poměrně hodně času, tak jsem se dal do stavby prototypu s tím, že se to pak doladí. Nakonec čas uplynul tak rychle, že bylo jasné, že z prototypu bude konečná konstrukce. Ale i přesto bylo potřeba odzkoušet spoustu věcí a dotáhnout elektrickou i mechanickou část konstrukce od jednotlivých součástek až po finální výrobek.
Jednoznačně jsem se rozhodl pro jednočinnou A třídu s velkým výstupním transformátorem v ultralineárním zapojení a s katodovými rezistory. S podobným zapojením jsem už měl poměrně dost zkušeností, tak jsem se rovnou pustil do návrhu výstupního trafa na obrovském jádru EI40x70.

Vinutí tří sekcí primáru o pěti vrstvách a mezi tím dvě vrstvy sekundáru v serii zabralo nakonec jen jeden celý den. Na velké jádro se pohodlně vejde hodně mědi, tak jsem zvolil vinutí primáru drátem 0,4mm, který se snadno klade závit vedle závitu. Primár rozdělený na tři díly má celkem 1700z., sekundár 64z. drátem 1,3mm.

Pak jsem vyrobil desku koncového zesilovače a začal zkoušet. Zesilovač osazený novými E34L od JJ dával bez zkreslení cca 12,5W do 8R.
Bude to chtít hodně citlivý reproduktor, abychom nahnali ten výkon, říkal jsem si.

Nakonec jsem koupil 32W širokopásmový s citlivostí 96dB. Byl jsem docela zvědav, jestli je ta citlivost reálná. O tom mě spolehlivě přesvědčil hlasitý brum hned po prvním zapnutí s novým reproduktorem. Bylo třeba zdvojnásobit odpor prvního vyhlazovacího článku zdroje, aby brum ztichl na únosnou míru.
A citlivost je skutečně reálná, se sluchátky na uších jsem z toho v pokoji podle měřáku vymáčkl stabilně 107dB/m bez slyšitelného zkreslení.

Ale později se stejně ukázalo, že požadavky na hlasitost jsou u kytarového komba poněkud jinde, než poslech burácející hudby byť se sluchátky na uších. Příště to bude chtít výkonnější reproduktor, ne proto, že by ho zesilovač snad přetěžoval, to není fyzikálně možné, ale ačkoli není slyšet žádné zkreslení a výše zmiňovaný zesilovač má zjevně stále rezervy, tak reproduktor hraje jako za hranicemi svých možností. To je zřejmě způsobeno větším výstupním odporem zesilovače, tedy nedostatečným tlumením vlastních oscilací membrány ze strany elektrické, tak pravděpodobně i po straně mechanické. Zvolil jsem konstrukci z 12mm tlustého dřeva a mám pocit, že jeho tuhost není dostatečná.

schema koncového zesilovače a navazujícího předzesilovače a ekvalizéru

Klasicky paralelně zapojené koncové elektronky jsou buzeny sledovačem osazeným elektronkou ECC83/12AX7. Zde je teoretický kámen úrazu, napájecí napětí je poměrně vysoké a při připojení žhavení na zem dochází při vybuzení zesilovače k překročení povoleného izolačního napětí Ukf=200V mezi žhavícím vláknem a katodou, ve které je umístěno. Z dvojitých triod jsou ECC82/83 a jejich zahraniční ekvivalenty 12AU7/12AX7 jedny z mála elektronek, co mají povoleno takto vysoké, byť stále nedostatečné Ukf. Lépe jsou na tom snad jen tzv. budící triody např. ECC99 od JJ.

Problém Ukf řeší dělič napětí blokovaný elektrolytickým kondenzátorem.

Ekvalizér je klasický typ, co se používal v elektronkových zesilovačích celá léta, kvůli požadavku dvou kanálů je zde ještě zesilovací stupeň s pentodou EF86. Výstup obou předzesilovačů je sloučen na odporech 330K. Jejich hodnota závisí na hodnotách potenciometrů hlasitosti a ty zase na výstupním odporu ekvalizéru. Kvůli tomu nemůže být katoda následujícího stupně (budiče koncovek) blokována kapacitou vůči zemi. Při blokování docházelo ke slyšitelnému potlačení vyšších kmitočtů. vlivem kapacity systému elektronky a velkému výstupnímu odporu zdroje (1M potenciometry a 330K odpory).

Ekvalizér je možno přepínačem odpojit a přemostit. Dále je osazen spínač Bright na zvýraznění středů a výšek. Připojení malé blokovací kapacity k první katodě ECC83 způsobí závislost zesílení stupně na frekvenci.

pár fotek:

 Vinutí výstupního transformátoru, začátek:

Konec prostřední sekce primáru:

Vinutí výstupního trafa: konec poslední vrstvy, hotovo...

Osazená deska ekvalizéru:

Ekvalizér ze strany spojů:

Montování na šasi:

Konstrukce z tenkých dřevěných desek lepených epoxidem:

Nalakováno, reproduktor najednou vypadá neúměrně malý...

Umístění šasi:

Zapojení mělo zatím jednu vadu, při přebuzení odešla budící elektronka koncového stupně, předpokládal jsem průraz katody na vlákno, ale z neznámého důvodu byla horní polovina v pořádku, izolace držela Ukf=400VDC!! protože spodní trioda se ač nažhavená chová, jako kdyby nebyla zapojena, nevede žádný proud.

Po čase bylo jasné, že je potřeba osadit větší reproduktor:

Detail PES tlumící výplně

11.2.2012: Vyřešeno Ukf budící triody a provedeny další drobné změny v zapojení, výše aktuální schema. Nakonec osazen 12'' reproduktor. Přijde mi to jako rozjíždět tramvaj baterkama ze záložních zdrojů, ale hraje to, protože má ještě větší citlivost.