The Black Art of Biasing Part 2
Na het ‘waarom’ (zie voorgaande blog) van de noodzaak om tubes te biasen komt nu het ‘hoe’: verschillende meetprocedures en technieken worden in detail uit de doeken gedaan, voor- en nadelen worden toegelicht. Het tipje van de sluier wordt wat verder opgelicht! DISCLAIMER Op bepaalde componenten in een buizenversterker kunnen hoge spanningen staan, zelfs nadat deze uitgeschakeld is. Als je geen ervaring met hoogspanning in elektronische schakelingen hebt, is het geen goed idee om meteen de bias van je eigen versterker te gaan bijstellen, maar wend je je beter tot een vakman. Zelfs met veel ervaring is het nog steeds levensgevaarlijk en hou je best 1 hand in je broekzak tijdens het onderzoeken van een versterker onder spanning. Vooraleer men gaat solderen of onderdelen vervangen is het aan te raden dat de versterker niet op het net is aangesloten. De grote elektrolytische condensatoren (elco’s) in een buizenversterker kunnen hun dodelijke lading voor langere tijd vasthouden, zelfs na het uitschakelen van de versterker. Deze elco’s worden het best ontladen vooraleer er aan de versterker wordt gewerkt. Hang ook altijd een belasting aan de versterker in de vorm van een dummy load of luidspreker, anders loop je het risico op permanente schade aan de versterker. Voor de illustratie van deze bias-methodes wordt onze KT Audio JTM45 gebruikt:
Alvorens enkele courante biasmethodes uit de doeken te doen is het belangrijk om deze basisbegrippen te definiëren: - biasspanning: het spanningsverschil tussen het rooster en de kathode van een tube; - bias- of ruststroom: de stroom die in de tube vloeit van de kathode naar de anode zonder signaal op het rooster; - cut-off en saturatie: om een signaal maximaal te kunnen versterken moet het werkpunt of de DC-ruststroom van de tube mooi gelegen zijn tussen cutoff (er vloeit geen stroom door de tube) en saturatie (de maximale stroom die door de tube kan vloeien en die zelfs tot blijvende schade zou kunnen leiden). Het is de bedoeling om de (negatieve) voorspanning optimaal (=70% van de maximale anodedissipatie, zie nieuwsbrief maart) in te stellen om de tube zo goed mogelijk te laten versterken. Deze biasspanning genereert een bepaalde stroom, nl. de bias- of ruststroom door de tube. En hier zit het addertje onder het gras: het is bij het biasen enkel deze ruststroom die van belang is, niet de biasspanning, want deze zal voor elke tube weer anders zijn door productietoleranties, verschillen van merk tot merk en verouderingsverschijnselen ten gevolge van slijtage van de tubes. Bij het instellen van de bias moeten er dus methodes toegepast worden die de ruststroom zelf gaan meten. De biasspanning kan hierbij ook worden gemeten maar is eigenlijk minder van belang.
Voor de volledigheid van deze nieuwsbrief worden de volgende twee methodes vermeld maar niet verder besproken, dit omdat ze minder nauwkeurig of zelfs gevaarlijk zijn:
- rechtstreeks de anodestroom meten door de aansluiting op de uitgangstransformator te onderbreken en een ampèremeter in serie te plaatsen;
- de transformator-shuntmethode, waarbij een ampèremeter in parallel met de uitgangstransformator wordt geplaatst.
Bovenstaande methodes maken gebruik van een (liefst laagohmige) ampèremeter die, eens de ene meetpen op de hoogspanning staat, via de andere pen ook onder spanning komt te staan. Deze situatie is bijzonder gevaarlijk. Daarenboven zal een kwalitatief goed (laagohmig) en dus duur meettoestel noodzakelijk zijn voor een accurate meting, iets wat niet voor iedereen haalbaar is. Ten slotte zijn deze metingen ook niet zo accuraat omdat stroommetingen op multimeters vaak vrij onnauwkeurig zijn t.o.v. spannings- en weerstandsmetingen.
De voorkeur gaat dus uit naar een onrechtstreekse stroommeting via een spanningsmeting. Daarbij worden de volgende twee methodes breed toegepast:
- de spanningsval over een (extra) te plaatsen kathodeweerstand meten;
- de bias meten via de weerstand van de primaire van de uitgangstransformator.
De meest veilige methode is diegene waarbij er een 1 of 10 Ohm weerstand in de kathodekring van een tube wordt geplaatst. Deze methode is veilig want er wordt geen contact gemaakt met de hoogspanning op de tube. Deze methode wordt soms commercieel toegepast (bijvoorbeeld de Marshall JCM2000 reeks) maar heel vaak ook via een modificatie aan bestaande amps toegevoegd. Een zeer kleine weerstand in de kathodekring heeft overigens geen enkele invloed op de werking van de tube of de klank.
Praktisch: een 1of 10 Ohm precisieweerstand wordt in de kathodekring geplaatst.
Echter, deze methode heeft ook enkele nadelen:
- de weerstanden moeten precisieweerstanden zijn (1%) of de meting is niet nauwkeurig genoeg;
- de kathodestroom bestaat uit de som van de anodestroom en de schermroosterstroom, de berekende biasstroom zal dus enkele milliampères extra bevatten, bovenop de zuivere anodestroom. Die paar extra milliampères maken misschien niet het grote verschil, maar de kans op een iets te koude biasinstelling is wel groot.
Alhoewel elegant is deze methode dus niet de meest nauwkeurige.
Praktisch: de spanningsval over de 1 Ohm weerstand wordt gemeten en via een berekening wordt de stroom door de tube achterhaald. Eenvoudiger kan haast niet!. De biasstroom bleek te laag en werd via de 22k potentiometer verhoogd. Toegepast op de KT Audio JTM45 zijn de gemeten spanningswaarde 43 en 44 millivolt, met de wet van Ohm (0,043/1) leidt dit tot respectievelijk 43 en 44 mA. Zoals verder te lezen is zal dit resultaat rond de ideale 70% uitkomen.
De schematische voorstelling van een uitgangstransformator voor een balanstrap. De primaire (links) heeft een centertap (*Red), de metingen bij deze transformator gebeuren vanaf deze pen en de twee aansluitingen naar de anodes (Blue & brown). Een andere methode is diegene waarbij we de stroom berekenen via het meten van de weerstand van de primaire wikkelingen van de uitgangstransformator. Op een bepaalde manier is dit een betere methode, want er hoeft niets aan de amp te worden aangepast en de meting is dus in heel korte tijd uit te voeren. De enige (kleine) bottleneck hier is de kwaliteit van ons meettoestel, alhoewel de hedendaagse digitale meettoestellen meer dan voldoen. Omdat de centertap en de anodes van de tubes in deze meting betrokken worden moet er wel veel aandacht naar veiligheid gaan. Hoe pak je dit praktisch aan? Vooraleer de versterker op spanning te brengen wordt met de multimeter op het weerstandsbereik (Ohm) de weerstand van de primaire wikkelingen gemeten. Bij een balanstrap (=push-pull) zullen we dus twee waarden nameten, namelijk tussen de centertap van de OT en de twee ‘kanten’ van onze push-pull. Deze twee waarden zullen in de meeste gevallen trouwens heel dicht bij mekaar liggen, anders is de kwaliteit van de transfo niet bijzonder groot.
Praktisch: de weerstand tussen de anode (pen 3 bij EL34, KT66, 6L6, 6V6, 6550, 5881 etc.) en de centertap van de uitgangstransformator wordt gemeten. Nadien meten we de spanning over deze punten Nadat de versterker op spanning werd gebracht vloeit er een stroom doorheen de wikkelingen en kan je de spanning over elke kant meten. Bij goed gematchte tubes zullen deze waarden in mekaars buurt liggen, bij versleten tubes zal hier meteen een duidelijk verschil te meten zijn. Vervolgens wordt de stroom berekend met de wet van Ohm.
Het chassis van de KT Audio JTM45. Hier volgt een uitgewerkt voorbeeld, toegepast op de JTM45, waarvan de biassetting ongewijzigd bleef na instellen met de bovenstaande methode: - deze versterker bevat twee KT66 tubes, 70% (zie nieuwsbrief maart) van de 25W maximale anodedissipatie komt neer op 17,5 W per tube; - de B+ op de anodes van de tubes bedraagt 413 Vdc, de ideale (70%) ruststroom door elke tube zou dus neerkomen op 17,5/413 = 42,3 mA; - de weerstand van de primaire van de OT voor de beide kanten bedraagt 110 Ohm, repsectievelijk 103 Ohm; - de spanning over de beide helften bedraagt respectievelijk 4,64 en 4,56 Vdc; - de opgewarmde versterker trekt in rust dus 4,64/110 = 42 mA en 4,56/103 = 44 mA, aardig in de buurt van de ideale (70%) waarde. De twee methodes die bovenstaand werden toegelicht kan iedereen die in het bezit is van een multimeter in principe zelf uitvoeren. Belangrijk om te vermelden is hierbij wel dat de versterker ten alle tijden moet belast worden met een luidspreker of dummy load. Zonder deze secundaire belasting van de uitgangstransformator kan de spanning op de primaire zo groot worden dat permanente beschadiging het gevolg zal zijn. Deel drie van deze reeks gaat nog een stap verder en zal de biasmethode met behulp van de oscilloscoop behandelen. Stay tuned!
Voor meer informatie over versterkers verwijs ik graag naar onze andere blogs:
Meer informatie over de versterkers die wij aanbieden, modificaties en herstellingen, vind je hier:
