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DC - Kathodyn

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Offline _peter

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DC - Kathodyn
« am: 28.09.2011 13:23 »
Hallo,

da bei valve wizard nur die AC-Variante der Kathodyn-Schaltung erklärt wird, möchte ich hier zu meiner
Selbstvergewisserung und Interessierte einmal die DC-Variante durchrechnen, wie sie z.B. in alten
Matamps und Orange-Amps zu finden ist (Bild0). Das tolle an der Schaltung - gerade für
Gitarrenverstärker - ist, dass im Vergleich zur AC-Variante weniger Bauteile benötigt werden und sie
einen Kompressionseffekt erzeugt, der dem des berühmten Kathodenfolgers in 22xx Marshalls entspricht.

Ich nehme zunächst eine Anodenspannung von 400V an - in Matamps liegt sie z.T. deutlich höher, in
Oranges eher niedriger. Als Anoden- und Kathodenwiderstand wähle ich, der Vorlage entsprechend, 100k.

Zunächst zum rechten Teil der Schaltung - also der eigentlichen Kathodyn. Ist das Ziel der Schaltung ein
möglichst hoher Output (da die Stufe eine steuerspannungshungrige Enstufe versorgt) wird man zunächst
versuchen wollen, den Arbeitspunkt etwa in die Mitte - sagen wir bei -2V zu legen (Bild1).

Der Aussteuerungsbereich zwischen cut off und Gitterstromeinsatz beträgt etwa 320V. Da sich die beiden
Ausgänge diesen Bereich teilen müssen, haben wir theoretisch für jeden Ausgang etwa 160Vpp zur Verfügung.
Die Anoden-Kathoden-Spannung liegt bei 225V, die restlichen 175V, die bis zu unserer 400V Betriebsspannung
noch fehlen, verteilen sich je zur Hälfte über dem Ra und Rk. Damit liegt die Uk bei 87,5V.

ABER wenn man sich jetzt der anderen Stufe zuwendet, wird man sehen, dass alles leider nicht so schön
bleibt, wie bisher angenommen. Denn an der Anode der ersten Stufe brauchen wir nun eine Spannung, die
in etwa unserer berechneten Uk von 87,5V entspricht. (Die sich von selbst einstellende Gittervorspannung
der Kathodynstufe sei hier außen vor gelassen.) Nimmt man als Anodenwiderstand frei nach Schnauze 200k,
so ergeben sich die Verhältnisse in Bild2 (blaue Linie): Der Arbeitspunkt bei Ua = 87,5V liegt fast auf der
0V-Linie und der schöne große Aussteuerungsbereich der Kathodynstufe kann so gar nicht genutzt werden,
da die vorhergehende Stufe viel früher begrenzt. Was nun?
« Letzte Änderung: 28.09.2011 18:11 von _peter »
vintagevalveamps
Der Imperativ von "messen" lautet: miss!

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Offline _peter

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #1 am: 28.09.2011 13:24 »
Zunächst könnte man den Ra der ersten Stufe vergrößern. Mit 390k (grüne Linie) verbessert sich die

Situation ein wenig. 390k werden daher übrigens auch in Matamp/Orange eingesetzt. Falls sich jemand
mal gefragt hat, warum dort so ein großer Ra sitzt - hier liegt der Grund.

Eine zweite Möglichkeit ist es, den Arbeitspunkt der Kathodynstufe so zu verändern, dass ihre
Uk - und damit die Ua und der Aussteuerungsbereich der ersten Stufe - steigt. Damit verringert man
allerdings wiederum den Aussteuerungsbereich der Kathodynstufe. (Wobei das Problem hier nicht ist,
dass die Kathodyn übersteuert wird, sondern einen möglichst hohen Ausgangspegel zu behalten.) Es geht
also darum, ein Optimum zu finden, bei dem die Aussteuerungsbereiche beider Stufen etwa gleich groß sind.

In Bild3 wurde der AP der Kathodyn auf -1,5V gesenkt. Das ergibt eine Ua-k von etwa 190V. Die restlichen
210V verteilen sich wieder auf Ra und Rk und man erhält somit eine Uk von 105V. In positiver Richtung
hat der Aussteuerungsbereich jetzt zwar weniger Luft bis zur Gitterstromgrenze, jedoch kann dank direkter
Kopplung diese überschritten werden, solange die erste Stufe den Gitterstrombedarf bedienen kann. Danach
wird das Signal weich begrenzt. Der gesammte Ausgangspegelliegt damit bei mindestens 230Vpp für beide Augänge und bei über 115Vpp pro Seite. Dank direkter Kopplung ist er wahrscheinlich um einiges größer.

In Bild4 ist der neue AP der ersten Stufe zu sehen. Hier hat sich der Aussteuerungsbereich vergrößert
auf über 65V in positiver Richtung und damit mindestens 130Vpp. Um auf diesen AP zu kommen, wird ein
Rk von 0,8V / 0,8mA = 1k benötigt. Damit liegt man wieder zwischen Matmamp (1k15) und Orange (0,6k).

Gruß, Peter
« Letzte Änderung: 28.09.2011 18:13 von _peter »
vintagevalveamps
Der Imperativ von "messen" lautet: miss!

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Offline Nils H.

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #2 am: 28.09.2011 14:31 »
Moin,

ich finde das gut, wenn hier auch mal was vorgerechnet durchgerechnet wird; Daumen hoch! Eine Anmerkung von mir:

Zunächst zum rechten Teil der Schaltung - also der eigentlichen Kathodyn. Ist das Ziel der Schaltung ein
möglichst hoher Output (da die Stufe eine steuerspannungshungrige Enstufe versorgt) wird man zunächst
versuchen wollen, den Arbeitspunkt etwa in die Mitte - sagen wir bei -2V zu legen (Bild1).

Der Aussteuerungsbereich zwischen cut off und Gitterstromeinsatz beträgt etwa 320V. Da sich die beiden
Ausgänge diesen Bereich teilen müssen, haben wir theoretisch für jeden Ausgang etwa 160Vpp zur Verfügung.
Die Anoden-Kathoden-Spannung liegt bei 225V, die restlichen 175V, die bis zu unserer 400V Betriebsspannung
noch fehlen, verteilen sich je zur Hälfte über dem Ra und Rk. Damit liegt die Uk bei 87,5V.

wir hatten das doch vor einer Weile mal im Thread über die Haltbarkeit der EH 12AX7, der dann in eine DC-Kathodenfolger-Diskussion ausuferte und von Dirk abgetrennt wurde; der Gitterstromeinsatz geschieht bei der ECC83 deutlich vor Ug=0V, je nach Datenblatt ist hier irgendwas um -0.9V angegeben; insofern verlierst Du in negativer Richtung nochmal einiges an Aussteuerungsbereich, wenn Du den Gitterstromeinsatz vermeiden willst.

Außerdem werden sich vermutlich, verursacht durch leichten Gitterstromfluss und ähnliche Ausgleichsvorgänge wie beim DC-CF, leicht andere Arbeitspunkte einstellen als die per Arbeitsgerade ermittelten.

Gruß, Nils
« Letzte Änderung: 28.09.2011 14:40 von Nils H. »

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Offline SvR

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #3 am: 28.09.2011 14:43 »
Salü,
Der Thread kam mir auch gleich in den Sinn, als ich den Titel hier gelesen habe.
...der Gitterstromeinsatz geschieht bei der ECC83 deutlich vor Ug=0V, je nach Datenblatt ist hier irgendwas um -0.9V angegeben; insofern verlierst Du in negativer Richtung nochmal einiges an Aussteuerungsbereich, wenn Du den Gitterstromeinsatz vermeiden willst.
Wobei sich das gesamte System aus beiden Röhren ziemlich dynamisch Verhalten dürfte. Wird zu weit ausgesteuert, fängt V2 an Gitterstrom zu ziehen. Dieser Strom muss dann ja über den Ra von V1 und verursacht einen Spannungsabfall. Als Folge sinkt die Anodenspannung von V1, was gleichzeitig die Gittervorspannung von V2 negativer macht. Damit sollte sich das ganze System selbst im "gitterstromlosen" Betrieb halten, solangen V2 nur leicht übersteuert wird. Das dürfte wahrscheinlich auch die Erklärung für den Kompressionseffekt sein, oder?
Ich denke hier ist mit statischen Kennlinienfeldern nur ne grober Abschätzung möglich. Eine Simulation (gibt es Modelle, die den Gitterstromeinsatz vernünftig wieder geben?) oder Messen am lebenden Objekt dürfte die bessere Methode für den Feinschliff sein.
mfg sven
Rettet den Wald, esst mehr Biber!
PIC32-Tutorial

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Offline Nils H.

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #4 am: 28.09.2011 14:46 »
Moin,

gibt es Modelle, die den Gitterstromeinsatz vernünftig wieder geben?

die "Universaltriode" von Duncan (dmtriodep.inc) modelliert Gitterstrom und erlaubt zumindest eine gute Abschätzung der tatsächlichen Verhältnisse.

Gruß, Nils

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Offline _peter

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #5 am: 28.09.2011 18:39 »
Hallo Nils und Sven,

ja - ich hatte den Thread auch noch im Hinterkopf. Daher bin ich auch auf die Gittervorspannungseinstellung
und den Kompressionseffekt nicht mehr eingegangen - ist so schon ziemlich lang geworden.

Zu der Gechichte mit dem Gitterstrom hat Sven ja eigentlich schon alles gesagt - mehr weiß ich dazu auch
nicht. Wie sich das in Realität verhält, müsste man mal empirisch ermitteln.

Übrigens sollte eine perfekt eingestellte Kathodyn damit doch eigentlich schön symmetrisch klippen - auf
der einen Seite schärfer begrenzt durch current limiting der ersten Stufe, auf der anderen Seite weicher
durch den DC-Kopplungs-Kompressionseffekt. Und beide Begrenzungen verhindern wiederum ein Übersteuern
der Kathodynstufe, was ja sehr bescheiden klingen soll.

Das sich das ganze wie beim DC-KF verhält denke ich auch - ist ja das gleiche Prinzip. Das ist ja das geniale
an Mat's Schaltung - sie macht mit 2 Röhren, was Jim mit 3 Röhren macht.  (Gut - über Details kann man da
streiten)  :P  ;D

Gruß, Peter
vintagevalveamps
Der Imperativ von "messen" lautet: miss!

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Offline _peter

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #6 am: 28.09.2011 20:35 »
Hallo Franz,

ich bin mir nicht sicher, was du meinst. Du hast recht, dass das erste System sehr sensibel auf
Abweichungen zwischen der konkreten Röhre und dem Datenblatt reagiert, da der AP ja recht
wenig Spielraum lässt. Aber das zweite System kriegt doch vom ersten "vorgeschrieben", wie
es sich zu verhalten hat: Gitter 2 liegt auf Potential der ersten Anode, also muss! durch die
Kathode 2 genau so viel Strom fließen, dass sich über deren Rk ein fast ebenso großer (- Ubias)
Spannungsabfall ergibt, wie am Gitter anliegt. Dazu müssen eigentlich die Werte der beiden Systeme
untereinander nicht unbedingt gleich sein. Oder übersehe ich was?

Gruß, Peter
vintagevalveamps
Der Imperativ von "messen" lautet: miss!

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Offline cca88

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #7 am: 28.09.2011 22:28 »
Hallo Franz,

ich bin mir nicht sicher, was du meinst. Du hast recht, dass das erste System sehr sensibel auf
Abweichungen zwischen der konkreten Röhre und dem Datenblatt reagiert, da der AP ja recht
wenig Spielraum lässt. Aber das zweite System kriegt doch vom ersten "vorgeschrieben", wie
es sich zu verhalten hat: Gitter 2 liegt auf Potential der ersten Anode, also muss! durch die
Kathode 2 genau so viel Strom fließen, dass sich über deren Rk ein fast ebenso großer (- Ubias)
Spannungsabfall ergibt, wie am Gitter anliegt. Dazu müssen eigentlich die Werte der beiden Systeme
untereinander nicht unbedingt gleich sein. Oder übersehe ich was?

Gruß, Peter

Hallo Peter,
...bei einem Kathodyn ist die Gleichheit der Systeme so ziemlich wurscht.....

selbst bei einem Longtail; ich habe mal probeweise eine 12DW7 anstatt einer ECC83 im JTM45 gehabt.....

Grüße

Jochen

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Offline _peter

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #8 am: 28.09.2011 22:54 »
...bei einem Kathodyn ist die Gleichheit der Systeme so ziemlich wurscht.....

Sag ich doch.  :bier:
Dennoch sollte aber das erste System relativ genau dem Kennlinienfeld entsprechen,
sonst macht man dich die Arbeitspunkte gleich beider Systeme kaputt und der
Aussteuerungsbereich verringert sich unter Umständen recht stark.

Als ich vorhin von symmetrischem Klippen sprach, ging es mir auch nicht um die
Gleichheit der beiden Ausgangssignale, sondern die Form der erzeugten Verzerrung
bei Übersteuerung - symmetrisches vs. asymmetrisches clipping.

Unabhängig davon: Das mit der 12DW7 ist krass. Sch*** auf balanced-Röhren.  ;D

Gruß, Peter
vintagevalveamps
Der Imperativ von "messen" lautet: miss!

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Offline cca88

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #9 am: 28.09.2011 23:18 »
Sag ich doch.  :bier:
Dennoch sollte aber das erste System relativ genau dem Kennlinienfeld entsprechen,
sonst macht man dich die Arbeitspunkte gleich beider Systeme kaputt und der
Aussteuerungsbereich verringert sich unter Umständen recht stark.

Als ich vorhin von symmetrischem Klippen sprach, ging es mir auch nicht um die
Gleichheit der beiden Ausgangssignale, sondern die Form der erzeugten Verzerrung
bei Übersteuerung - symmetrisches vs. asymmetrisches clipping.

Unabhängig davon: Das mit der 12DW7 ist krass. Sch*** auf balanced-Röhren.  ;D

Gruß, Peter

Hallo Peter,
auch das mit dem "Kathodyn klippt asymmetrisch - klingt suboptimal" - kann ich mal ncht wirklich so bestätigen...

Mein 5E3 tut das nachweislich ziemlich, aber der Sound der dadurch entsteht ist wirklich brauchbar. Vielleicht nicht für Hardrock und Metal, aber es führt dazu, daß bei Übersteuerung auf einmal "Höhen" - spric Obertöne entstehen, die den Zerrsound beim Solospiel sehr durchsetzungsfähig und alle andere als häßlich erschenen läßt.
Zumindestens im Blues und Bluesrock-Umfeld. Er hängt dadurch perfekt am Gitarrenvolume und der Anschlagsstärke. Damit läßt sich wirklich arbeiten.

Ich habe auch schon ein paar SUNNS in der Mangel gehabt - da war es auch kein echtes Problem, sondern eher "Charakter". Im richtigen Umfeld, sehr fein  ;D

Einfach ausprobieren - Sound entseht nicht immer ausschließlich aus Kennlinien und Scope-Schönheiten..

Der Zerrsound des 5E3 sieht an den Gittern der Endstufenröhren sogar ziemlich "sonderbar" aus; auch am Speaker Out. Ich glaube ich habe die Bilder schon mal irgendwann gepostet...

Grüße

Jochen



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Offline _peter

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #10 am: 28.09.2011 23:48 »
Hallo Jochen,

ja auf solche "Vorurteile" wie "dieses clipping kling besser/schlechter als jenes" gebe ich eigentlich
auch nicht so viel. Ist ja auch immer eine Frage des Zusammenspiels.

Aber bist du sicher, dass in deinem Fall die Begrenzung durch die in den cut off gehende Kathodynstufe
eingetreten ist - also wirklich nur das rechte System - und nicht schon durch Gitterstrom bei der direkt
gekoppelten Stufe davor? Zumindest bei Orange/Matamp ist das ganze so dimensioniert, dass eben
zuerst diese vorhergehende Stufe begrenzt und somit die Kathodyn selbst gar nicht mehr in den cut off
kommt.

Also falls es noch nicht rübergekommen ist: Ich bin Fan dieser Schaltung und will die auf keinen Fall
schlecht reden!
Im Gegenteil: Bei Orange-Besitzern liest man immer wieder von Umbauten auf die 1972er Schaltung,
wo noch ein AC-Kathodyn benutzt wurde. Das soll angeblich besser klingen, mehr Headroom bringen.
Ich bin dagegen der Überzeugung, dass die DC-Variante in den Oranges einfach schlechter dimensioniert
ist, als in den alten Matamps, die dann einfach mal 430V auf den PI losgelassen haben, dafür aber
entsprechend mehr Headroom hatten.

Gruß, Peter
vintagevalveamps
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Offline cca88

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #11 am: 29.09.2011 07:04 »
Hallo Jochen,

ja auf solche "Vorurteile" wie "dieses clipping kling besser/schlechter als jenes" gebe ich eigentlich
auch nicht so viel. Ist ja auch immer eine Frage des Zusammenspiels.

Aber bist du sicher, dass in deinem Fall die Begrenzung durch die in den cut off gehende Kathodynstufe
eingetreten ist - also wirklich nur das rechte System - und nicht schon durch Gitterstrom bei der direkt
gekoppelten Stufe davor? Zumindest bei Orange/Matamp ist das ganze so dimensioniert, dass eben
zuerst diese vorhergehende Stufe begrenzt und somit die Kathodyn selbst gar nicht mehr in den cut off
kommt.

Also falls es noch nicht rübergekommen ist: Ich bin Fan dieser Schaltung und will die auf keinen Fall
schlecht reden!
Im Gegenteil: Bei Orange-Besitzern liest man immer wieder von Umbauten auf die 1972er Schaltung,
wo noch ein AC-Kathodyn benutzt wurde. Das soll angeblich besser klingen, mehr Headroom bringen.
Ich bin dagegen der Überzeugung, dass die DC-Variante in den Oranges einfach schlechter dimensioniert
ist, als in den alten Matamps, die dann einfach mal 430V auf den PI losgelassen haben, dafür aber
entsprechend mehr Headroom hatten.

Gruß, Peter

Hallo Peter,
ich hab mir ehrlich noch keine echten Gedanken gemacht, ob es vom Gitterstrom des PI selbst oder durch EndstufenGitterstrom - und dadurch Blastung des PI kommt.

Ich habe mal meine alten Screenshots nochmals angehängt


Grüße

Jochen

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Offline snyder80

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #12 am: 29.09.2011 09:05 »
Hallo Peter!

Ich finde es super, wie Du dieses ein Thema im Blencowe-Stil aufbereitet hast. Dankeschön.

Ich hätte da aber noch eine kurze Frage.
Ich erinnere mich, in einigen DC-Kathodyn-Schaltungen (aber auch bei dem ein oder anderen CF-Design) einen recht großen Widerstand (220k-1M ??) zwischen der Anode der 1.Stufe und dem Gitter des Kathodyn gesehen zu haben. 
Soll dadurch die Gitterspannung etwas verringert und etwas mehr "Headroom" erzielt werden oder unterstützt dies eher einen Kompressionseffekt?

Gruß,
snyder

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Offline _peter

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #13 am: 29.09.2011 09:44 »
Hallo und danke,

auf beide Beiträgen hin möchte ich nochmal auf die valvewizard-Seite verweisen.
Dort wird nänmlich zum einen die "nipple distortion" erklärt, die im zweiten von Jochens
Oszi-Bildern zu sehen ist. Diese wird zum Glück meist nicht mehr mit übertragen, da sich
bei AB-Klasse-Amps die entsprechende Seite der Endstufe schon im cut off befindet.

Zum anderen wird dort auch der große grid stopper empfohlen. Dieser soll den Gitterstrom
in Zaum halten. Wenn dieser einsetzt, verursacht er einen Spannungsabfall über dem grid
stopper, der die Ansteuerung der Röhre zurückgehen lässt und dadurch den Gitterstrom
wieder verringert - genau das gleiche, was sonst auch im Normalfall über dem Anodenwiderstand
passiert, nur eben mit verstärktem Effekt.

Vor Gitterstromeinsatz hat der grid stopper keinerlei Auswirkungen. Weder auf den Signalpegel,
noch auf den Frewuenzbereich. Ist alles bei valvewizard in der Kathodyn-Rubrik ganz unten zu lesen.

Gruß, Peter

vintagevalveamps
Der Imperativ von "messen" lautet: miss!

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Offline Grooverock

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Re: DC - Kathodyn
« Antwort #14 am: 29.09.2011 12:15 »

Ich habe auch schon ein paar SUNNS in der Mangel gehabt - da war es auch kein echtes Problem, sondern eher "Charakter". Im richtigen Umfeld, sehr fein  ;D



Neid!!! ;D
Aber sind die in der Regel nicht auch DC-Gekoppelt?
VIele Grüße, Kim
Dreckig und laut...