Prosta obciążenia we wzmacniaczu klasy AB

[kvl]

Dzień dobry.

Przepraszam bardzo za tak podstawowe pytania, jednak od paru dni nie dają mi one spokoju.

Mianowicie, chcę zaprojektować stopień końcowy wzmacniacza w klasie AB1 na lampach EL-34. Wzmacniacz ma oddawać moc użyteczną 30W. Oczywiście dodatkowym kryterium są jak najmniejsze zniekształcenia.

Cały projekt opiera się na założeniu wykorzystania konkretnego transformatora głośnikowego. Jest nim TGL 60/001, konkretnie ten egzemplarz. Impedancja wejściowa przy 4 omach obciążenia jest podana jako 3000Ohm.

W książce A. Zawady "Lampy elektronowe w aplikacjach audio" znajduje się taki wzór (w rozdziale nt wzmacniacza mocy pracującego w klasie AB):

Dla prezentowanego układu* moc oddana przez lampy może być obliczona ze wzoru:
Puż = (2*Ua*I0max)/pi
gdzie:
I0amax=Iamax-I0 , amplituda prądu lampy
Ua - zasilanie wzmacniacza"

* - narysowany jest schemat typowej końcówki mocy z trafem bez odczepów ultraliniowych

Czy ten wzór jest w ogóle poprawny i czy można stosować go również do układu w którym siatki drugie są podłączone do odczepów ultraliniowych? Jest to pewnie głupie pytanie, jednak nie daje mi spokoju.

A teraz właściwie najważniejsza dla mnie sprawa - prosta obciążenia. Cytat z tej samej książki:

We wzmacniaczach przeciwsobnych klasy AB rezystancję obciążenia określa się jako oporność od 'anody do anody':
Raa = 2*R0 = 4U0max/I0max
gdzie:
U0max - amplituda napięcia na obciążeniu R0
I0max - amplituda prądu lampu
R0 - rezystancja obciążenia Robc po przetransformowaniu do obwodu pierwotnego

Moje pytanie brzmi: jakie nachylenie powinna mieć prosta obciążenia dla mojego transformatora, który ma podane Z=3000R ?
Zgodnie z powyższym wzorem, po wstawieniu za Raa impedancji wejściowej transformatora oraz wybraniu deltaU 300V (aby łatwo bylo odczytać z ch-ki - mogę tak w ogóle zrobić?) wyliczam deltaI, a więc mogę już określić nachylenie tej prostej. Rysunek pod spodem przedstawia 3 proste obciążenia (ich położenie nie jest dla mnie teraz istotne, interesuje mnie nachylenie):


Kolor czerwony to prosta dla Raa = 3000R, niebieska to Raa=1500R, zielona to Raa = 750R.
Przeszukałem już tyle różnych źródeł, że aktualnie mam taki mętlik w głowie, że nie jestem w stanie zrozumieć, którą prostą obciążenia mam "ustawiać" aby wybrać odpowiedni punkt pracy.

Z góry dziękuję za pomoc.

[Oloorin]

Zaglądnij do tego tematu od strony 5. Panowie z forum wyłożyli mi ustalanie punktu pracy dla klasy AB. Może Ci to trochę pomoże.

[szalony]

Pewnie zaraz odpisze Ci Autor cytowanej przez Ciebie książki

[kvl]

Zaglądnij do tego tematu od strony 5. Panowie z forum wyłożyli mi ustalanie punktu pracy dla klasy AB. Może Ci to trochę pomoże.

Super dzięki dzięki, przeglądałem różne tematy na tym forum, ale ten jakoś mi umknął A jest w nim praktycznie wszystko co potrzebne.
Na razie z ciekawości szukam jeszcze wspomnianego w którymś miejscu wzoru na średnią moc w klasie AB, tak aby wiedzieć czy nie przekraczam dopuszczalnego Pa.

Pewnie zaraz odpisze Ci Autor cytowanej przez Ciebie książki

Hah, poważnie, jest to możliwe? :> Zresztą, w takim czy innym wypadku - pozdrawiam go, może czyta ten temat ;p

[Piotr]

Na razie z ciekawości szukam jeszcze wspomnianego w którymś miejscu wzoru na średnią moc w klasie AB, tak aby wiedzieć czy nie przekraczam dopuszczalnego Pa.

Określenie mocy traconej na elemencie jest bodaj najtrudniejszym zadaniem z całego zagadnienia, gdyż wymaga obliczenia jej całki za okres. Do tego nie wiadomo przy jakim wysterowaniu będzie największa, bo wcale nie przy pełnym.
W praktyce można pójść na łatwiznę:
-Przy klasie A sprawa jest prosta. Największą moc traci się przy braku wysterowania, więc całka redukuje się do prostego Ua*Ia (spoczynkowe).
-W klasie AB z dużym prądem spoczynkowym moc tracona co prawda nie będzie spadać wraz z wysterowaniem tak wyraźnie, jak w klasie A, ale wciąż można pozostać przy założeniu, że największą moc traci się w spoczynku.
-W klasie B zakłada się, że prąd spoczynkowy jest pomijalnie mały, więc całka staje się banalna. Tu uwaga, bo nadal moc tracona nie jest największa przy pełnym wysterowaniu.
-Klasa AB z niskim prądem spoczynkowym jest najtrudniejsza i często moc traconą się szacuje jako wartość wyliczona jak dla klasy B plus lekko zaniżona moc tracona w spoczynku. W tym przypadku warto się podeprzeć danymi katalogowymi.

[kvl]

Piotr, dzięki za wyjaśnienia, muszę to jeszcze przetrawić.

Natomiast, uzbrojony w nową wiedzę:D wybrałem sobie taką oto linię obciążenia (kolor zielony):

Punkt pracy oczywiście Ua0 = 250V Ia0=30mA.

Czy to ma w ogóle ręce i nogi?
I teraz moc. Jak liczę wg wzoru, który podałem w pierwszym poście, wychodzi mi eleganckie 32.5W (oczywiście dla całego układu) .
Jak liczę sposobem podanym na tej stronie, wychodzi mi jakieś kosmiczne 50W (no fajnie, że więcej, ale mnie jest potrzebne 30, zresztą pewnie gdzieś coś źle podstawiłem, jeszcze zaraz sprawdzę).

Zakładając optymistycznie, że ten punkt pracy ma sens, jaka jest moc użyteczna oddawana przez ten układ? Tzn. jaka będzie moc wydzielana na obciążeniu?

[Oloorin]

Moc wzmacniacza w klasie AB wg. tej strony wyniesie:
Ua=250V, Ia=30mA (spoczynkowe), Raa=3133, Ua dla (Us1=0V) =75V
(250V-75V)*2*0,707=251,692
251,692*251,692/3133=20,22W

[kvl]

Racja, oczywiście. Podstawiłem zasilanie z poprzednich obliczeń, 350V zamiast 250V.
W każdym razie, któremu ze wzorów "wierzyć" ?


EDIT:
Tak, wychodzi na to, że jak byk przy takim zasilaniu ciężko będzie te 30W uzyskać, biorąc pod uwagę zniekształcenia. Skleiłem więc drugą prostą obciążenia dla wyższego napięcia siatki drugiej i zasilania:

Przy takim punkcie pracy (Ua0 = 360V Ia0 = 55mA) moc wychodzi jednak o dużo za duża - 55W. Czy dobrze rozumiem, że zamiast kręcić teraz napięciem zasilania lepiej po prostu sterować końcówkę niższym napięciem (linia czerwona oznacza maksymalne napięcie wejściowe/wyjściowe dla mocy 30W) czyli amplituda napięcia sterującego Uster = 22V ?
No tak, ale w ogóle koszmarnie wygląda fakt przekraczania hiperboli mocy admisyjnej... Piotr pisał wyżej, że można faktyczną moc traconą na lampie pracującej w klasie AB obliczyć przy pomocy całki.. tylko jaką funkcję całkować..?

p.s. metodę uproszczoną podaną również w poście Piotra przerobię jutro, gdyż dziś już nie mam siły.
p.s.2 bardzo, bardzo bym tylko prosił, aby ktoś skomentował generalnie moje punkty pracy. Czy tam nie ma jakiś bijących po oczach herezji?

[Piotr]

moc wychodzi jednak o dużo za duża - 55W

A dlaczegóż to dlaczegóż? Pierwsze słyszę, żeby ktoś narzekał na nadmiar mocy

Czy dobrze rozumiem, że zamiast kręcić teraz napięciem zasilania lepiej po prostu sterować końcówkę niższym napięciem (linia czerwona oznacza maksymalne napięcie wejściowe/wyjściowe dla mocy 30W) czyli amplituda napięcia sterującego Uster = 22V ?

Chyba nie słuchasz generatora, prawda? Nie ma czegoś takiego, jak stały poziom sygnału odwzorowującego muzykę. W każdym momencie to napięcie jest inne, a ponadto gwarantuję, że rzadko by przekraczało owe 22V w warunkach domowych.
W każdym razie coś tu źle kombinujesz...

No tak, ale w ogóle koszmarnie wygląda fakt przekraczania hiperboli mocy admisyjnej...

Przyzwyczaj się, jak chcesz robić wzmacniacze

Piotr pisał wyżej, że można faktyczną moc traconą na lampie pracującej w klasie AB obliczyć przy pomocy całki.. tylko jaką funkcję całkować..?

Moc chwilową (Ua chwilowe * Ia chwilowe) po czasie. Ug z założenia przebiega sinusoidalnie w funkcji czasu, ale i tak całka jest wredna. Powiem w tajemnicy, że nigdy jej nie rozwiązywałem "ręcznie", nawet nie wiem, czy jest to wykonalne bez jakichś drastycznych uproszczeń. Ale nic to, metody uproszczone są jak najbardziej przeznaczone do stosowania na serio. Ewentualnie salwuj się matlabem, jakeś dociekliwy.

Czy punkt pracy wg mojego rysunku ma "mały" czy "duży" prąd spoczynkowy?;]

Spory. Punkt pracy wygląda poprawnie. Chyba nawet w katalogu zaproponowana jest podobna konfiguracja. Do wyciśnięcia większej mocy trzeba by zwiększyć Ua.
Ale zaraz, chciałeś mniej... ale dlaczego

[kvl]

Dziękuję bardzo za odpowiedź!

Co do nadmiaru mocy - rozumiem, że nie ma nic za darmo, a więc punkt pracy wybrany przeze mnie, który "oferuje" 55W mocy, robi to kosztem np. większej odległości "na plus" od hiperboli Pa lub większymi zniekształceniami, niż w przypadku gdyby był wybrany "na styk" dla ~30W. Ale teraz jestem już okropnie śpiący i mogę trochę bredzić

Czy dobrze rozumiem, że zamiast kręcić teraz napięciem zasilania lepiej po prostu sterować końcówkę niższym napięciem (linia czerwona oznacza maksymalne napięcie wejściowe/wyjściowe dla mocy 30W) czyli amplituda napięcia sterującego Uster = 22V ?

Chyba nie słuchasz generatora, prawda? Nie ma czegoś takiego, jak stały poziom sygnału odwzorowującego muzykę. W każdym momencie to napięcie jest inne, a ponadto gwarantuję, że rzadko by przekraczało owe 22V w warunkach domowych.
W każdym razie coś tu źle kombinujesz...

Oczywiście, przebieg muzyczny jest bardzo złożony. Miałem na myśli taką sytułację, w której stopień sterujący dostarcza sygnał, którego maksymalna amplituda sięga 22V czyli wysterowuje siatkę pentody końcowej do okolo -6V. Wtedy zmiana napięcia wyjściowego, zgodnie z charakterystykami, przy takim obciążeniu powodowałaby wydzielenie się maksymalnie 30W mocy. Ale jestem świadomy faktu, że trochę za bardzo tutaj teoretyzuję i stwarzam sztuczne problemy:D Oraz mam wrażenie, że mylę pojęcia mocy chwilowej i skutecznej

Moc chwilową (Ua chwilowe * Ia chwilowe) po czasie. Ug z założenia przebiega sinusoidalnie w funkcji czasu, ale i tak całka jest wredna. Powiem w tajemnicy, że nigdy jej nie rozwiązywałem "ręcznie", nawet nie wiem, czy jest to wykonalne bez jakichś drastycznych uproszczeń. Ale nic to, metody uproszczone są jak najbardziej przeznaczone do stosowania na serio. Ewentualnie salwuj się matlabem, jakeś dociekliwy.

Ja bym tę całkę właśnie numerycznie policzył z chęcią

Czy punkt pracy wg mojego rysunku ma "mały" czy "duży" prąd spoczynkowy?;]

Spory. Punkt pracy wygląda poprawnie. Chyba nawet w katalogu zaproponowana jest podobna konfiguracja. Do wyciśnięcia większej mocy trzeba by zwiększyć Ua.
Ale zaraz, chciałeś mniej... ale dlaczego

Tak jak pisałem wcześniej, pewnie źle rozumuje, ale generalnie założyłem sobie, że wzmacniacz, który oddaje 30W powinien być zaprojektowany właśnie tak na mniej więcej te 30W (no powiedzmy na trochę więcej uwzględniając straty np. na transformatorze wyjściowym). Wzmacniacz na "więcej" wat, umożliwia oddanie takiej mocy kosztem np. większych zniekształceń, czy mylę się?

Jeszcze raz dziękuję za odpowiedzi, dziś muszę spasować bo zasypiam

[Piotr]

Ja też się zawijam, ale tak na szybko:
Ograniczenie napięcia sterującego jest kompletnie bez sensu, bo przecież przycięcie przebiegu to jego zniekształcenie w najbardziej bezwstydnej postaci. Co z tego, że stopień mocy będzie liniowy, skoro potraktujesz go zniekształconym sygnałem? Prawidłowe podejście to zapewnienie zawsze większej dynamiki we wcześniejszych stopniach, tak żeby stopień mocy przesterowywał się jako pierwszy.
Jeżeli twoim celem są minimalne zniekształcenia i zastosowanie EL34, to ciężko wykombinować coś lepszego ponad słynny ultralinear z Ua=400V, Raa=6k6 i automatyczną polaryzacją. Ewentualnie próbuj trybu triodowego, ale tam ledwie przekroczysz 15W, podczas kiedy UL zapewnia spokojne 40W i rewelacyjnie niskie zniekształcenia przy mniejszych mocach. Dla zaawansowanych pozostaje jeszcze zabawa w QUAD.

Wzmacniacz na "więcej" wat, umożliwia oddanie takiej mocy kosztem np. większych zniekształceń, czy mylę się?

Generalna zasada jest taka, że wzmacniacz na "więcej wat" umożliwia oddanie takiej mocy kosztem ceny. Ze zniekształceniami nie ma prostej reguły.

[kvl]

Ograniczenie napięcia sterującego jest kompletnie bez sensu, bo przecież przycięcie przebiegu to jego zniekształcenie w najbardziej bezwstydnej postaci. Co z tego, że stopień mocy będzie liniowy, skoro potraktujesz go zniekształconym sygnałem? Prawidłowe podejście to zapewnienie zawsze większej dynamiki we wcześniejszych stopniach, tak żeby stopień mocy przesterowywał się jako pierwszy.

Ale ja go nie chce przycinać. Po prostu myślałem o sytuacji, w której przy maksymalnie odkręconym potencjometrze na wejściu, oraz przykładowym maksymalnym napięciu ze źródła Vpk-pk 1V, stopnie przed końcówką wzmacniałyby ten sygnał maksymalnie do 44Vpk-pk (wszystko wartości chwilowe). Zastanawiam się nad sensem tego, ale powiedzmy, że mam głośniki tylko na 30W i nie chce się obawiać o poziom potencjometru, może być nawet maksymalnie odkręcony.
EDIT:
Właściwie, to o tym pisałem już wcześniej, tylko tak niefortunnie, że wywołało to chyba mały communication breakdown

Czy dobrze rozumiem, że zamiast kręcić teraz napięciem zasilania lepiej po prostu sterować końcówkę niższym napięciem (linia czerwona oznacza maksymalne napięcie wejściowe/wyjściowe dla mocy 30W) czyli amplituda napięcia sterującego Uster = 22V ?

Chyba nie słuchasz generatora, prawda? Nie ma czegoś takiego, jak stały poziom sygnału odwzorowującego muzykę. W każdym momencie to napięcie jest inne, a ponadto gwarantuję, że rzadko by przekraczało owe 22V w warunkach domowych.
W każdym razie coś tu źle kombinujesz...

Przez "kręcenie" napięciem rozumiałem wybór odpowiedniego pktu pracy na ch-ce, natomiast te Uster=22V, to maksymalna amplituda napięcia, którą chciałem uzyskać z poprzedniego stopnia wzmacniacza.

Jeżeli twoim celem są minimalne zniekształcenia i zastosowanie EL34, to ciężko wykombinować coś lepszego ponad słynny ultralinear z Ua=400V, Raa=6k6 i automatyczną polaryzacją. Ewentualnie próbuj trybu triodowego, ale tam ledwie przekroczysz 15W, podczas kiedy UL zapewnia spokojne 40W i rewelacyjnie niskie zniekształcenia przy mniejszych mocach.

No niestety, tak jak pisałem na początku, projekt ma być do konkretnego trafa. Również trafo zasilające już posiadam, uzwojenie anodowe to 290AC, więc tak optymistycznie przyjmuje, że te 375V dla EL34 będę miał.
Mam jeszcze wiele pytań i wątpliwości, natomiast teraz jeszcze chciałem się zapytać tylko o jedno:

No tak, ale w ogóle koszmarnie wygląda fakt przekraczania hiperboli mocy admisyjnej...

Przyzwyczaj się, jak chcesz robić wzmacniacze

Czy tak "na oko", pi razy drzwi, taka prosta pracy jaką tam ostatnio wyrysowałem może przekraczać aż (lub tylko?) o tyle moc admisyjną? Czy w tego typu wzmacniaczach klasy AB tak to mniej więcej wygląda, czy powiedzmy przeważnie ta prosta jest dużo "niżej"?


EDIT:
Tak jeszcze jedna sprawa nie daje mi spokoju.

peak anode voltage swing = Ea at Q - Ea minimum.
max Vrms = 2 x pk swing at each anode x 0.707 Vrms
maximum class AB power = max Vrms squared / RL a-a

gdzie Ea@Q to po prostu Ua0, Ea minimum to minimalne napięcie wyjściowe wyznaczone przez prostą obciążenia dla klasy B.
Czy prosta dla klasy B MUSI przecinać się z osią Ua dla wartości zasilania?
Biorąc pod uwagę moją sytuację (założone Raa, napięcie zasilania <375V) całkowita moc oddawana zależy tylko od wyboru napięcia zasilania? Zależy tylko od położenia prostej dla klasy B? W każdym razie, ja praktycznie mogę wybrać tylko i wyłącznie Ua0, natomiast wartość prądu Ia0 będzie miała wpływ tylko na moc w momencie pracy lampy w klasie A? To ma sens, że moc całkowita zależy tylko od prostej dla pracy w klasie B?

[kvl]

Czy impedancja wejściowa dla transformatora push-pull, to impedancja widziana "od anody do anody" ? Np. czy impedancja tego transformatora, 3000Ohm to będzie od anody do anody?

[Oloorin]

Tak, od anody do anody w końcu masz Ra-a a nie Ra

[jethrotull]

Tej nadmiernej mocy bym nie demonizował. Od czego jest potencjometr głośności? Jego skręcenie spowoduje zmniejszenie amplitudy sterującej stopień mocy, mocy oddawanej i zapewne też zniekształceń. Różnica między 30W a np. 55W jest bardzo mała "na ucho". Jeśli jesteś bardzo zainteresowany zniekształceniami, to dla konkretnego punktu pracy można je wyznaczyć graficznie z charakterystyk (wygodnie się wyznacza drugą i trzecią harmoniczną, co do praktycznych celów wystarcza).