ห้องเรียนพื้นฐานการออกแบบแอมป์หลอด

[Cijtele52]

เดี่ยวถึงเรือง cathode follower แล้วจะแถมการคำนวน mu-follower ให้ด้วยครับ

[atriam]

เรื่องพวกนี้ถ้าอยากศึกษามีแต่ภาษาอังกิดคนอ่อนภาษายากที่จะเข้าใจรออ่านครับอาจารย์ ขอบคุณครับ

[Cijtele52]

เรื่องต่อไปเป็นการทำ cathode bias ครับ หลังจากทดลองออกแบบวงจรที่ใช้ fixed bias ที่เราเอาไฟลบไปจ่อที่ grid ผ่าน grid resistor แล้ว จะเห็นว่าถ้าในวงจรมีหลอดหลายหลอด ก็ต้องมีชุดจ่ายไฟลบหลายชุด อาจะใช้ร่วมกันได้บ้าง แต่ไม่สะดวกแน่ๆ ดังนั้น cathode bias จะมาช่วยเราได้ครับ

หลักการของ cathode bias ก็ตรงตามชื่อครับ คือ เอาไฟจาก cathode มา bias หลอด แทนที่จะใช้วิธีต่อไฟลบที่ grid

การทำงานของหลอดจะถูกกำหนดด้วยแรงดันเทียบกันระหว่าง grid กับ cathode สัญลักษณ์ของแรงดันระหว่าง grid กับ cathode คือ Vgk ถ้าเราให้ Vg เป็น 0 และใส่ resistor เข้าไปที่ cathode เมื่อมีกระแส Ia ไหลผ่าน plate ลงมาที่ cathode จนถง resistor จะมี voltage เกิดขึ้น เพราะฉนั้น

V_gk = V_g - V_k

เมื่อ Vg เป็น 0 ดังนั้น V_gk = -V_k

รูปแบบวงจรก็จะเป็นแบบข้างล่างนี้ครับ เราสามารถเลือก Rk ได้จากสูตร

R_k = V_k / I_a



โดยเรากำหนด V_k ได้ตามต้องการ

[Cijtele52]

ตัวอย่าง ต้องการ bias หลอด 6DJ8 ที่ 145V, Ia 5mA , grid bias -4V โดยใช้ RL (loadline) 10K จะใช้วิธีคำนวนตามนี้



ตามรูปด้านล่าง เราคำนวนค่า voltage คร่อม RL เท่ากับ 10Kohm x 5mA หรือ
10,000 ohm x 0.005A = 50V

และ R_k = Vk / Ia โดยแทนค่า V_k = 4V และ I_a = 5mA (0.005A)
จะได้ R_k = 800 ohm

ส่วน B+ หรือ HT ได้จาก
B+ = VRL + Vak + Vk
B+ = 50V + 145V +4V
      = 199V

ถึงแม้ว่าเราจะให้ V_g เป็น 0 เราไม่สามารถต่อ grid ลง ground ได้ตรงๆ เพราะสัญญาณที่ส่งเข้ามาก็จะถูกส่งลง ground หมด ดังนั้น เราพต้องมี Rg มีไว้เป็น load สำหรับให้ภาคขยายที่อยู่ด้านหน้าอีกทีครับ

แต่ยังไม่จบ!!! เพราะจำได้ไม๊ครับว่าเมื่อมีสัญญาณเข้ามา กระแสที่เปลี่ยนแปลงไปของหลอด (I_a) ทำให้ voltage ตกคร่อม RL เปลี่ยนไปด้วย ดังนั้น voltage ตกคร่อม R_k ก็จะเปลี่ยนแปลงไปตาม Ia ด้วย ทำให้จุด bias เปลี่ยนไปมา ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ดีแน่ๆ

วิธีแก้ไขก็คือใส่ bypass capacitor (C_k) คร่อม R_k เข้าไป โดย bypass capacitor นั้นจะส่งผ่าน (bypass) สัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงลงสู่ ground ไป ทำให้ voltage ตกคร่อม Rk นั้นคงที่อยู่ตลอดเวลา ตอนนี้ผมใช้ค่า 100uF ไปก่อน แต่เดี๋ยวจะมีวิธีการคำนวนค่า C_k ด้วยครับ ในเรื่อง input output impedance



ถึงตรงนี้ ใครมีอะไรสงสัยก็สอบถามได้นะครับ หรือจะทดลองออกแบบเองซัก 2-3 แบบผึกหัดก็ได้ครับ

[Cijtele52]

หลอดแรกเป็นหลอดที่ผมชอบมากๆ  6N1P ใช้ loadline ประมาณ 15K จุด bias ตามใจชอบ


หลอดถัดไปเอาอันนี้เลย 2A3 เผื่อใครอยากจะทำ preamp 2A3 แนะนำ loadline 4-5K, Ia ประมาณ 30-50mA เลือกจุด bias ตามใจชอบ

[CreÃte_Lek ♫]

ส่วน B+ หรือ HT ได้จาก
B+ = VRL + Vak + Vk
B+ = 50V + 145V +4V
      = 194V

 B+ = 199V   ครับ Aj Karin

[atriam]

"และ Rk = Vk / Ia โดยแทนค่า Vk = 4V และ Ia = 5mA (0.005A)"

Vk คือ grid bias หรือเปล่าครับอาจารย์เห็นเลขในตัวอย่างไม่ตรงกันครับ

[atriam]

ขอลองออกแบบหลอด 2a3 ครับ
เลือกจุด bias


คำนวณ


ปล. gain ประมาณ 3.x ครับ

[atriam]

อาจารย์ครับขอถาม ถ้าเราเอาหลอด power มาออกแบบเป็นปรี
- สัญญาณที่เข้ากริตมันสวิงนิดเดียวแต่หลอดใช้แรงดันกับกระแสเยาะมันจะมีผลเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนมากกว่าพวกหลอดปรีโดยเฉาะไหมครับ
- แล้วข้อดีของการเอาหลอด power มาทำเป็นปรีคืออะไรครับ


คำถามเรื่อง cathode bias
- ถ้าเอาสัญญาณตรง Vk ออกไปใช้เฟสจะกลับใช้ไหมครับ
- ถ้าเอาสัญญาณตรง Vk ออกไปใช้ห้ามใส่ Ck ใช่ไหมครับ

[Cijtele52]

ส่วน B+ หรือ HT ได้จาก
B+ = VRL + Vak + Vk
B+ = 50V + 145V +4V
      = 194V

 B+ = 199V   ครับ Aj Karin

ขอบคุณคุณเล็กที่ชี้จุดผิดให้ครับ

[Cijtele52]

 
จากรูปคำตอบ คุณ atriam ลืมใส่ cathode bypass capacitor นะครับ

อาจารย์ครับขอถาม ถ้าเราเอาหลอด power มาออกแบบเป็นปรี
- สัญญาณที่เข้ากริตมันสวิงนิดเดียวแต่หลอดใช้แรงดันกับกระแสเยาะมันจะมีผลเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนมากกว่าพวกหลอดปรีโดยเฉาะไหมครับ

คุณสมบัติที่ว่ามา แสดงว่าหลอดมี gain (ใน plate curve เรียก Amplification Factor)
แต่ถ้าดูดีๆ หลอด 2A3 gain ต่ำมากนะครับ เพราะเส้นห่างระหว่าง grid อยู่ในระดับ 10V เทียบกับหลอด 6SN7 อยู่ในระดับ 1V
หลอด power ที่ gain มากๆ เป็นหลอด pentode หรือ hi-mu power triode ที่ plate resistance (หรือ impedance) สูงมากครับ
หลอด gain มาก ก็มักจะมีสัญญาณรบกวนมากขึ้นตามไปด้วยครับ

- แล้วข้อดีของการเอาหลอด power มาทำเป็นปรีคืออะไรครับ

ข้อดีคือหลอดพวกนี้มักจะมี plate resistance ต่ำ ทำให้ output impedance ของวงจรต่ำไปด้วยครับ รายละเอียดตรงนี้ขอยกไปเป็นอีกหัวข้อนึงเลยครับ
ส่วนด้านคุณภาพเสียง หลอด power ให้เสียงที่ต่างออกไปจากหลอดเล็กพอสมควรครับ บางคนชอบ แต่บางคนอาจจะไม่ชอบ
ข้อเสียที่ชัดเจนคือ หลอด power บางหลอดมี input capacitance สูงมาก ถ้าใช้งานกับพวก  CD ที่มี output เป็น solid state ไม่ค่อยมีปัญหา แต่ถ้าไปใช้งานกับ phono ที่มีหลอดเป็น output และไม่มีพวก buffer ตัว phono อาจจะขับไม่ออกครับ

คำถามเรื่อง cathode bias
- ถ้าเอาสัญญาณตรง Vk ออกไปใช้เฟสจะกลับใช้ไหมครับ

สัญญาณจะตรง phase เมื่อเทียบกับ V_g ครับ

- ถ้าเอาสัญญาณตรง Vk ออกไปใช้ห้ามใส่ Ck ใช่ไหมครับ

ใช่ครับ คำถามทั้งสองข้อ จะอธิบายละเอียดขึ้นในหัวข้อ cathode follower ครับ

[atriam]

ขอบคุณที่ช่วยอธิบายครับอาจารย์

[CreÃte_Lek ♫]

"และ Rk = Vk / Ia โดยแทนค่า Vk = 4V และ Ia = 5mA (0.005A)"

Vk คือ grid bias หรือเปล่าครับอาจารย์เห็นเลขในตัวอย่างไม่ตรงกันครับ

อีกหนึ่งคำถามครับ

[Cijtele52]

"และ Rk = Vk / Ia โดยแทนค่า Vk = 4V และ Ia = 5mA (0.005A)"

Vk คือ grid bias หรือเปล่าครับอาจารย์เห็นเลขในตัวอย่างไม่ตรงกันครับ

V_k คือ cathode bias ครับ ครั้งแรกผมจะใช้ที 3.5V แต่เปลี่ยนใจเป็น 4V แล้วลืมแก้ไข ขอบคุณที่ชี้ข้อผิดพลาดให้อีกจุดครับ เดี๋ยวจะแก้ไขครับ

[johnney_chivas]

"และ Rk = Vk / Ia โดยแทนค่า Vk = 4V และ Ia = 5mA (0.005A)"

Vk คือ grid bias หรือเปล่าครับอาจารย์เห็นเลขในตัวอย่างไม่ตรงกันครับ

V_k คือ cathode bias ครับ ครั้งแรกผมจะใช้ที 3.5V แต่เปลี่ยนใจเป็น 4V แล้วลืมแก้ไข ขอบคุณที่ชี้ข้อผิดพลาดให้อีกจุดครับ เดี๋ยวจะแก้ไขครับ

เมื่อวานตอนเย็นว่าจะถามเหมือนกันครับ แต่ไม่มีเวลาว่างเลยลืมไปซ่ะ

[johnney_chivas]

อัดหลอดให้น่วมเลยครับ

+B       = 370V
VPlate  = 250V
Vk        = 4V
I           = 8mA

RP             = 15k
Rk = Vk/I  = 500 ohm

PD 2.2W  ผมอัดไป  (250-4)*8 mA = 1.968W 

[CreÃte_Lek ♫]

  Dissipation ที่เกิดขึ้นกับ Rk ?

[johnney_chivas]

หลอดถัดไปเอาอันนี้เลย 2A3 เผื่อใครอยากจะทำ preamp 2A3 แนะนำ loadline 4-5K, Ia ประมาณ 30-50mA เลือกจุด bias ตามใจชอบ

ขอถามเป็นความรู้หน่อยครับ ว่าทำไมอาจารย์ถึงแนะนำ loadline 4-5k เหรอครับ
เพราะเท่าที่ผมเห็นมา ปกติจะใช้ประมาณ 2.5k ครับ  ขอความรู้ด้วยครับ

[johnney_chivas]

  Dissipation ที่เกิดขึ้นกับ Rk ?

8mA * 4V  = 0.032W  ถูกมั้ยครับ

[CreÃte_Lek ♫]

  ลากเปรียบเทียบกันดูดิครับ  บางครั้งเราก็เลือกความละเอียดอ่อนมากกว่าพละกำลัง 

[Cijtele52]

ใช่ครับ  ลองเทียบกันเลย

เรื่องถัดไปจะเป็น input/output impedance และการเลือก loadline ที่เหมาะสมครับ

[johnney_chivas]

  ลากเปรียบเทียบกันดูดิครับ  บางครั้งเราก็เลือกความละเอียดอ่อนมากกว่าพละกำลัง 

ผมลองลาดูครับ

[johnney_chivas]

ใช่ครับ  ลองเทียบกันเลย

เรื่องถัดไปจะเป็น input/output impedance และการเลือก loadline ที่เหมาะสมครับ

กราฟของ 6N1P มันไม่ค่อยละเอียดน่ะครับ ผมเลยเลือกที่มันดูง่าย ๆ เอาครับ 
แต่ถ้าผมจะเลือกใช้งานจริงก็คงรันไฟที่เพลทอยู่ประมาณ 100 โวลท์กว่า ๆ น่ะครับ 

[johnney_chivas]

Vgrid ไม่ละเอียดนี่ผมไม่ชอบเลยครับ  หาเส้นสวย ๆ ยาก

[atriam]

ตั้งใจรอเรียนครับอาจารย์

[MAX]

รอเรียนต่อครับอาจารย์ 

[Cijtele52]

  ขอโทษที่ update ช้าครับช่วงนี้ กำลังเรียบเรียงเนื้อหาอยู่ครับ

เรื่องถัดไปเป็นเรื่อง input/output impedance ที่เราสามารถนำหลักการนี้ไปใช้กับการคำนวน gain ของวงจรแบบคร่าวๆได้ด้วยครับ

[Cijtele52]

Input & Output impedance

ก่อนอื่นเริ่มจากพื้นฐานก่อน ความต้านทานมีสองแบบครับ แบบแรกคือความต้านทานไฟ DC เรียก Resistance ส่วนความต้านทานไฟ AC เรียก Impdance ซึ่งบางครั้งเราเรียกรวมๆว่า Impedance ครับ ตัว Resistor ที่เราใช้ๆกันมีค่าความต้านทานที่ใช้สำหรับไฟ DC แต่จริงๆแล้วมันสามารถใช้กับไฟ AC ได้ด้วย เพราะความต้านทานของ resistor นั้นไม่เปลี่ยนไปมากเมื่อใช้งานกับไฟ AC ที่มีความถี่ไม่สูงมากนัก อย่างไรก็ตาม การคำนวน voltage drop ของไฟ AC จะต่างกับไฟ DC ซึ่งผมไม่ลงรายละเอียดตอนนี้ เพราะเดี๋ยวจะสับสน

Capacitor (C) กับ Inductor (L) เป็นอุปกรณ์ที่ impedance ของมันเปลี่ยนไปตามความถี่ของสัญญาณไฟฟ้าที่ผ่านตัวมัน สูตรการคำนวน impedance ของ C กับ L ผมจะบอกทีหลังนะครับ หรือจะลองหาจาก Google ก่อนก็ได้

Input และ Output impdeance มีความสำคัญอย่างไร?
วงจรที่เราเขียนกันในอุดมคตินั้น จริงๆแล้วเราละรายละเอียดบางอย่างใว้ในฐานที่เข้าใจ เช่น แหลงจ่ายไฟ voltage source นั้น ปกติจะมีความต้านทานภายในอยู่ด้วย  แต่น้อยมาก แต่ในความเป็นจริง voltage source ก็มีความต้านฐานภายใน รุปด้านล่างนี้เป็นภาพเปรียบเทียบระหว่าง voltage source ในอุดมคติ กับ voltage source ที่เป็นความจริง

และเมื่อ voltage source ต่อกับ load ก็จะมีหน้าตาแบบนี้ (credit ภาพจาก http://www.electronics-tutorials.ws)

[Cijtele52]

คราวนี้มาดูที่ amplifier ของเรา สมมติว่าเป็น preamp หลอด ซึ่งหลายๆคนเวลาอ่าน review preamp หรือบางครั้งพูดต่อๆกันว่า preamp หลอดบางครั้ง drive poweramp บางตัวไม่ไหว เพราะ output impedance สูงเกินไป เรื่องนี้ สามารถอธิบายได้ตามนี้ครับ

สมมติต่อว่า ถ้า preamp มี output 2V, output impedance ของ preamp เท่ากับ 2K และ poweramp มี input impedance 10K


preamp หลอดนั้น ถือเป็น voltage source อย่างหนึ่ง อย่างที่บอกไว้ในก่อนหน้านั้นว่า voltage source ก็มี output impedance (Ro) ส่วน RL คือ load ที่มาต่อกับ preamp ในที่นี้คือ poweramp คราวนี้เราแทนรูปอุปกรณ์ด้วยสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าได้ตามนี้


จากรูป กระแสที่ไหลจะไหลผ่าน Ro และ RL เกิดเป็น voltage ขึ้นมา เราสามารถใช้สูตรทางคณิตศาสตร์ในการหา voltage ตกคร่อม RL ได้ดังนี้นี้

V = IR
2 = I x (Ro + RL)
I = 2 / (2K + 10K)
I = 0.167 mA

ดังนั้น voltage ตกคร่อม Ro = 0.167mA x 2Kohm = 0.334V
และ voltage ตกคร่อม RL=0.167mA x 10Kohm = 1.67V

คราวนี้ลองเปลี่ยนค่า RL ไปเรื่อยๆ จะได้ผลลัพธ์แบบนี้


จาก % ของ voltage ที่ drop ที่ load สรุปอะไรได้บ้างครับ?

[akradech]

ขอตอบว่า  ยิ่ง Input impedance ของเพาเวอร์แอมป์ สูงเท่าไร ยิ่งทำให้ความสูญเสียของสัญญาณ ลดลง

น่าจะมีผลทางคุณภาพเสียง หรือ เกณฑ์การขยายหรือเปล่าครับอาจารย์ 

ถ้า Input impedance น้อยๆ ก็จะทำให้เกณฑ์การขยายน้อย อาการก็จะเหมือนแอมป์ไม่แมทช์ และเสียงอั้นๆ

ผมคิดว่าแบบนี้ครับ