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Design eines Nutube-Verstärkers von Korg, Teil 2: Prototyp

Dies ist der zweite Teil einer mehrteiligen Serie über das Design eines Nutube-basierten Pedals für Gitarren. Der erste Teil bot eine Einführung in Vakuumröhren. Wenn Sie ihn verpasst haben, finden Sie ihn hier: Teil 1. Wir hatten am Ende damit begonnen, Design und Aufbau von Verstärkern zu betrachten und eine kleine Testschaltung aufzubauen.

Minimaler Schaltkreis

 

Der obige Schaltkreis ist das erforderliche Minimum für einen einstufigen Nutube-Verstärker. Er besteht aus den folgenden Teilen:

  • Einem 3v3-Regler, in diesem Fall einem LM317T
  • Einer Eingangsstufe
  • Vorspannung
  • Einem Ausgangs-Pull-up-Widerstand

Ein Regler ist erforderlich

 

(Minimaler LM317-Schaltkreis; verzeihen Sie das umgekehrte Symbol!)

Der Nutube erfordert eine Vorspannung von ca. 2,5 V, das Filament benötigt 0,7 V. Die Anodenspannung ist davon unabhängig, sodass wir ungeachtet der Betriebsspannung diese Niederspannungsquellen bereitstellen müssen.

Da beide Versorgungsquellen eine niedrige Stromaufnahme aufweisen (wenig mA), können wir einen Linearregler verwenden und wie beim Referenzdesign beide über eine einzige Quelle versorgen, indem wir diese über Widerstände unterteilen.

Ohne zu tief in das Design eines Linearreglers vorzudringen: Sie sind nicht effizient und erzeugen Hitze bei Spannungsabfall. Die Gleichung lautet P= (Vein-Vaus) * I. Mit anderen Worten: Wenn der Spannungsabfall oder die Stromstärke hoch ist, so ist auch die Leistung hoch. Bedenken Sie dies, wenn Sie dem Design zusätzliche Schaltkreise hinzufügen, und versuchen Sie nicht, Ampere zu reduzieren! 

Der Vorteil bei der Verwendung eines Linearreglers besteht darin, dass er einfach ist und wir das Systemrauschen im Vergleich zu Schaltreglern gering halten können – auf Kosten zusätzlichen Leistungsverlusts.

Passiver Eingang/Ausgang

Die Eingangsstufe ist lediglich ein 1-uF-Kondensator für Wechselstromkopplung.

Die Vorspannung wird mithilfe eines 22k-Potenziometers zur Einstellung erzeugt. Dieser erzeugt effektiv eine variable Spannungsversorgung von 0–3,3 V. Die durch das 22k verfügbare Stromstärke beträgt 150 uA und sollte mehr als ausreichen, um den 6-uA-Gitterstrom bereitzustellen.

Der Ausgang ist nur ein Pull-up zur Anodenspannung (dies wird die Ausgangsspannung des Verstärkers sein, wenn der Ausgang nicht AC-gekoppelt ist). Der Wert dieses Pull-ups lässt sich so anpassen, dass mehr Ausgangsstrom bereitgestellt wird, aber es ist wichtig, innerhalb der Leistungsbegrenzung der Röhre von 1,7 mW zu bleiben.

Prüfaufbau

Zum Testen der Schaltung haben wir einen älteren Sinuskurvengenerator verwendet. Im Zeitalter des Arduino könnten Sie jedoch auch einfach mithilfe eines Arduino Due Ihren eigenen bauen; ein Tutorial finden Sie hier. Mit lediglich einem Multimeter erhält man nicht viele Informationen darüber, was passiert, sodass es an dieser Stelle hilfreich wäre, wenn man Zugang zu einem Oszilloskop hat.

Zuerst müssen wir die Vorspannung so einstellen, dass sie bei etwa 2,5 V liegt, indem wir das Poti anpassen; ein DVM kann dafür verwendet werden.

Danach injizieren wir eine Sinuswelle von ca. 200 mV (diese Zahl ist für Gitarren-Pickups angemessen). Wie in der obigen Grafik zu sehen ist, verstärkt die Nutube um etwa das 3,5-Fache. Dies ist zu erwarten, da das Maximum bei 5 Mal liegt und weniger wahrscheinlich ist, da die von uns bereitgestellte Last einen Spannungsteiler erzeugt. – Aber wir haben keine Last, oder doch?

Wir verwenden ein Oszilloskop zur Messung der Ausgabe und der äquivalente Schaltkreis des Oszilloskops wird letztlich zu einem Widerstand zur Masse mit einer Impedanz von 1 MΩ. Dies ist nur das 3-Fache des Anodenwiderstands und hat somit erhebliche Auswirkungen, die im letzten Schaltkreis behandelt werden müssen, da wir uns nicht auf eine Eingangsimpedanz von 1 MΩ (oder mehr) im dem an unseren Ausgang angeschlossenen Gerät verlassen können. 

Nun können wir ein paar andere Signalformen ausprobieren: eine Sinuswelle mit viel höherer Frequenz und eine Rechteckwelle (ziemlich garstig für einen Verstärker).

 

Die Hochfrequenzwelle macht nicht den Anschein, dass sie abgeschwächt oder verzerrt wird (schon gar nicht visuell), sodass die Nutube gut funktioniert und zumindest für Audio über eine ausreichende Bandbreite verfügt. Die Rechteckwelle ist interessant, da sie uns einen Hinweis auf die Stabilität des Verstärkers gibt; die sehr scharfen Start/Stopp-Kanten können zur Überprüfung der so genannten „Sprungantwort“ dienen. Ein stabiles oder übermäßig gedämpftes System wird in einem solchen Fall nicht überschwingen. Die Nutube ist definitiv auf der übermäßig gedämpften Seite der Gleichung. Das ist gut und sollte dazu beitragen, einen „Klangeffekt zu erzeugen, der den Audioton verändert.

Abschließend sollten wir den Maximaleingang testen, bevor wir Verzerrungen erreichen. In diesem Fall handelt es sich um etwa 1 Vpk-pk. Bei höherer Spannung kommt es zum „Clipping“ und das Signal wird verzerrt (eventuell ist dies tatsächlich der gewünschte Effekt). Die gute Nachricht ist, dass wir dieses Clipping verändern können, indem wir die Vorspannung anpassen.

Weitere Schritte

An diesem Punkt, wir sind fast bereit für den Übergang zu CAD. Wir müssen die Ausgangsimpedanz berücksichtigen, möglicherweise auch den Eingang. Auch wenn wir durch ein anderes Gerät gespeist werden, erwartet es eine Impedanz von 10 kΩ, von der wir durch die Verwendung eines Poti mit einer Vorspannung von 22 kV nicht allzu weit entfernt sind.

Der Ausgang würde von einer Form von Verstärker mit Einheitsverstärkung profitieren; dieser könnte ein Operationsverstärker oder ein einfacher FET/BJT-Schaltkreis sein, der einfach von einer hohen Impedanz zu einer niedrig(er)en Ausgangsimpedanz wechselt. Diese Ausgangsimpedanz kann auch ein Problem für die Kaskadierung zweier Verstärker sein, sodass AC-Kopplung erforderlich wird. 

 

Wir können es mit Audio über das Design versuchen, obwohl die Steckplatine ziemlich laut ist, sodass wir möglicherweise nicht genau das erhalten, was wir erwarten. Außerdem wäre es zu diesem Zeitpunkt eine gute Idee, auch einige Ausgangsverstärker mit Einheitsverstärkung zu testen.

Abschließende Worte

Nachdem wir unsere Nutube getestet und Vertrauen in den Schaltkreis gewonnen haben, ist dies ein guter Zeitpunkt um abzubrechen und Fortsetzung beim nächsten Mal hinzuzufügen. Ungeduldigen sei versichert, dass an diesem Punkt der Aufbau einer Streifenrasterplatine gut möglich ist, und am Ende des nächsten Beitrags werden wir an einem Punkt angekommen sein, an dem wir zum CAD übergehen und einen Prototyp bauen können.

Karl is a design engineer with over a decade of experience in high speed digital design and technical project leadership in the commercial electronics sector.

21 Feb 2019, 13:54

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