L005_การออกแบบวงจร Voltage Amplifier_(9p)

UL-5 (3127-2005) การควบคุมการเคลือนทแี ละตําแหน่ง (Motion and Position Control) การออแบบวงจรขยายสัญญาณในรูปแบบของแรงดนั (Voltage Amplifier) การออกแบบวงจรทางดา้ นอิเล็กทรอนิกส์ ในบทนีจะขอกล่าวถึงวงจรขยายสัญญาณใน รูปแบบของแรงดัน หรือทีเรียกวา่ “Voltage Amplifier” นะครับ โดยถา้ จะพูดถึงวงจรขยายเสียง หรือทีเราเรียกวา่ วงจรเพาเวอร์แอมป์ นนั ในปัจจุบนั มีวงจรอยมู่ ากมายหลายแบบมากเลยครับ แต่ถา้ จะพูดถึงวงจรเพาเวอร์แอมป์ ทีได้รับความนิยมจากอดีตจนถึงปัจจุบัน ก็คงจะหนีไม่พ้นวงจร เพาเวอร์แอมป์ ทีใช้หลอดอย่างแน่นอนใช่ไหมครับ เพราะด้วยคุณสมบตั ิการทาํ งานทีให้เสียง ตอบสนองทีนุ่มนวลและมีความชดั เจนเป็ นอยา่ งมากเลยครับ ซึงทีกล่าวมานนั กไ็ ม่ไดห้ มายความวา่ วงจรเพาเวอร์แอมป์ ทีสร้างจากหลอดนีจะมีขอ้ เสียนะครับ ซึงขอ้ เสียทีเห็นไดช้ ัดก็คงจะเป็ นค่า ความตา้ นทานทางด้านเอาตพ์ ุตทีมีค่าคอ้ นขา้ งสูงมากเลยครับ ด้วยเหตุนีเราจึงไม่สามารถทีจะนาํ วงจรขยายเสียงทีสร้างจากหลอดไปขบั ออกลาํ โพงทีมีค่าความตา้ นทานตาํ ๆ ไดค้ รับ ซึงดว้ ยขอ้ เสีย นีเราจึงจาํ เป็ นทีจะตอ้ งมาทาํ การศึกษาการออกแบบวงจรขยายแรงดนั ทีทาํ จากหลอดกนั ดูนะครับวา่ จะมีวิธีการออกแบบอย่างไร ก่อนทีจะนาํ วงจรขยายแรงดนั นีไปใช้งานร่วมกบั วงจรอืนๆ ต่อไป เพือทีจะทาํ ให้วงจรเพาเวอร์แอมป์ ทีสร้างจากหลอดนี ให้ผลตอบสนองออกมาอยา่ งทีเราตอ้ งการ นนั เองครับ และในบทนีจะขอกล่าวถึงการออกแบบวงจรขยายแรงดนั (Voltage Amplifier) ทีทาํ การ สร้างจากอุปกรณ์ทีเรียกว่า “ Triode Vacuum Tube “ โดยมีการนาํ มาใช้งานกนั อย่างแพร่หลายใน ปัจจุบนั ซึงจะมีดว้ ยกนั หลายเบอร์ทีถูกนาํ มาใช้งานและหาซือได้ตามทอ้ งตลาด เช่น เบอร์ 6DJ8, 6SN76TB, 300B, 12AX7 และเบอร์ 12AU7 เป็ นต้น โดยในทีนีจะเลือกใช้เบอร์ 12AU7 ในการ อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-1

ออกแบบและนาํ มาสร้างเป็ นโมเดลเพือใชง้ าน…เรามาดูโครงสร้างของ Triode Vacuum Tube กนั ต่อนะครับ 5.1) ความรู้พืนฐานเกยี วกบั การออกแบบวงจร - โครงสร้างของหลอดเบอร์ 12AU7 และความรู้เบืองต้นเกยี วกบั หลอดเบอร์ 12AU7 (ก) (ข) รูปที (ก) รูปสัญลกั ษณ์ของหลอด 12AU7 (ข) รูปหลอด 12AU7 ทีใชง้ านจริง ตารางที 1 แสดงขาต่างๆของ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 ขาที ชือขา 1 Anode Triode (2) 2 Grid Triode (2) 3 Cathode Triode (2) 4 Heater (Triode 2) 5 Heater (Triode 1) 6 Anode Triode (1) 7 Grid Triode (1) 8 Cathode Triode (1) 9 Heater Center tap อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-2

ตารางที 2 แสดง Specification and max ratings ของ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 Filament Voltage 6.3-12V Filament Current 300-150mA Plate Voltage (max) 330V Plate Current (max) 22mA Plate Dissipation (max) 3W Screen Voltage (max) -V Screen Current (max) -A Screen Dissipation (max) -W โดยโครงสร้างของ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 ดงั แสดงในรูปที 1 และจากขอ้ มูล จากตารางที 1 และตารางที 2 สามารถทีจะนาํ มาสร้างโมเดลเพือใชใ้ นการออกแบบวงจรก่อนทีจะ นาํ ไปสร้างเป็นวงจรจริงหรือพฒั นาตอ่ ไป แสดงดงั รูปที 2 รูปที 2 โครงสร้างโมเดลและลกั ษณะของ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 ทีนาํ มาใชง้ าน ถา้ ผอู้ า่ นท่านใดสนใจทีจะสร้างโมเดลเองก็ไดน้ ะครับ โมเดลของ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 คือ .SUBCKT AU -X ; P G C; NEW MODEL + PARAMS: MU= . EX= . KG = KP= KVB= RGI= + CCG= . P CGP= . P CCP= . P ; ADD . PF TO ADJACENT PINS; . TO OTHERS. E VALUE= +{V( , )/KP*LOG( +EXP(KP*( /MU+V( , )/SQRT(KVB+V( , )*V( , )))))} RE G G VALUE={(PWR(V( ),EX)+PWRS(V( ),EX))/KG } อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-3

RCP G ; TO AVOID FLOATING NODES IN MU-FOLLOWER C {CCG} ; CATHODE-GRID; WAS . P C {CGP} ; GRID-PLATE; WAS . P C {CCP} ; CATHODE-PLATE; WAS . P D DX ; FOR GRID CURRENT R {RGI} ; FOR GRID CURRENT .MODEL DX D(IS= N RS= CJO= PF TT= N) .ENDS *$ แต่สําหรับการนาํ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 มาประยุกต์ใช้งานเป็ นวงจรขยาย แรงดนั นนั ทางผูเ้ ขียนขอยกตวั อยา่ งการออกแบบวงจรทีไดท้ าํ การออกแบบไวแ้ ลว้ ดงั แสดงในรูปที 3 เพอื ทีจะนาํ มาทดสอบกบั โมเดลทีไดส้ ร้างขึนมานี มาดูกนั เลยครับวา่ ผลเป็นอยา่ งไร……… 5.2) ตวั อย่างการออกแบบวงจร - ตวั อย่างวงจรขยายแรงดันทอี อกแบบและผลการทดสอบ วงจรขยายแรงดนั ทีออกแบบมีลกั ษณะแสดงดงั รูปที 3 โดยในทีนีนนั ใช้ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 มาสร้างเป็นวงจรขยายแรงดนั รูปที 3 วงจรขยายแรงดนั ทีใช้ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 5-4 อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ

จากรูปวงจรดังแสดงในรูปที 3 นันจะเห็นว่าเป็ นวงจรขยายแรงดันทีได้ออกแบบซึงจากการ วเิ คราะห์ขอ้ มูลจะสามารถกาํ หนดจุดของแรงดนั ทีตอ้ งการไดด้ งั นี 1.) คา่ ของแรงดนั ทีป้อนใหก้ บั วงจรขยายแรงดนั มีค่าเท่ากบั (Vcc  220V ) 2.) คา่ ของกระแส (IP ) ทีไหลมีค่าเทา่ กบั (IP  5.438mA) 3.) ค่าของแรงดนั ทีจุด (Va ) มีคา่ เทา่ กบั (Va 112.77V ) 4.) ค่าของแรงดนั ทีจุด (Vb ) มีค่าเท่ากบั (Va 110V ) 5.) คา่ ของแรงดนั ทีจุด (Vc ) มีคา่ เท่ากบั (Vc  2.773V ) ดงั นนั จากขอ้ มูลทีกาํ หนดในตอนตน้ เราจะสามารถทาํ การคาํ นวณหาค่าอุปกรณ์ต่างๆ ในการสร้าง วงจรขยายแรงดนั ทีไดอ้ อกแบบวงจรไดด้ งั นี - ในส่วนคา่ ความตา้ นทานทีใชง้ าน R4  Va Vb  (112.77V )  (110V )  509.378  510 IP 5.438mA R3  Vc  2.773V  509.930  510 IP 5.438mA และในส่วนของตวั ตา้ นทาน R1 , R2 จะกาํ หนดใหใ้ ชค้ า่ ดงั นี R1  1M , R2  10K - ในส่วนค่าตวั เก็บประจุทีใช้งานนันเป็ นค่ามาตรฐานทีใช้งานกนั ส่วนใหญ่ครับ และที สาํ คญั สามารถหาซือไดไ้ มย่ ากครับตามทอ้ งตลาด ดงั นนั จึงกาํ หนดใหใ้ ชค้ ่าตา่ งๆ ดงั นีครับ C1  0.47F, C2  1, 000F, C3  0.47F อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-5

รูปที 4 วงจรขยายแรงดนั ทีใช้ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 เมือไดแ้ ทนค่าตวั อุปกรณ์ตา่ งๆ ลงไปและทาํ การทดสอบเพอื ดูค่าแรงดนั และค่ากระแส จากรูปที 4 จะเป็ นการทดสอบวงจรเพือดูในส่วนของแรงดนั และกระแส เมือเราทาํ การ แทนค่าตวั อุปกรณ์ต่างๆ ลงไปแลว้ วงจรขยายแรงดนั นีทาํ งานตรงตามทีไดอ้ อกแบบไวห้ รือไม่ ซึง จะเห็นว่าวงจรขยายแรงดนั ทีออกแบบนีทาํ งานไดต้ รงตามทีตอ้ งการครับ คือ เมือเราป้อนค่าของ แรงดนั ใหก้ บั วงจรขยายแรงดนั มีค่าเท่ากบั (Vcc  220V ) แลว้ เราจะได้ ค่าของกระแส (IP ) ทีไหล มีค่าเท่ากับ (IP  5.438mA) , ค่าของแรงดันทีจุด (Va ) มีค่าเท่ากับ (Va  112.77V ) , ค่าของ แ ร งดัน ที จุ ด (Vb ) มี ค่ าเท่ ากับ (Va 110V ) แ ล ะ ค่ าข อ งแ ร งดัน ที จุ ด (Vc ) มี ค่ าเท่ ากับ (Vc  2.773V ) ซึงตรงตามทีตอ้ งการครับ ทีนีเราจะมาทาํ การทดสอบการทาํ งานในลกั ษณะการป้อนสัญญาณความถีกนั บา้ งนะครับ วา่ วงจรจะทาํ งานเป็ นอยา่ งไรกนั บา้ ง ซึงวงจรไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 5 นะครับ โดยจะเห็นวา่ ทางดา้ น อินพตุ นนั เราไดป้ ้อนความถีเท่ากบั 1KHz มีค่าแรงดนั เท่ากบั 1V ครับ อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-6

รูปที 5 วงจรขยายแรงดนั ทีใช้ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 ทีจะทาํ การทดสอบการทาํ งาน 1V Vin 2V 125.378V 12.605V Vout 112.773V 25.866V 99.512V รูปที 6 ผลการจาํ ลองการทาํ งานแบบโดเมนทางเวลา (Time Domain) อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-7

รูปที 7 ผลการจาํ ลองการทาํ งานแบบโดเมนทางความถี (Frequency Domain) จากผลการทดสอบวงจรขยายแรงดนั ทีไดอ้ อกแบบนี ไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 6 และรูปที 7 ซึง แสดงให้เห็นในรูปแบบของโดเมนทางเวลา (Time Domain) และโดเมนทางความถี (Frequency Domain) โดยในการทดสอบการทาํ งานของวงจรนนั ไดท้ าํ การป้อนแรงดนั เท่ากบั 1 โวลท์ ดว้ ยใช้ ความถีเท่ากบั 1 KHz ในการทดสอบวงจรขยายแรงดนั นีนะครับ ซึงจากการทดสอบผลการทาํ งาน ของวงจรขยายแรงดนั ไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 6 นะครับ โดยถา้ ดูจากรูปจะเห็นวา่ แรงดนั อา้ งอิงจะมีค่า เท่ากบั 112.773V , แรงดนั สูงสุดมีค่าเท่ากบั 125.378V , แรงดนั ตาํ สุดมีค่าเท่ากบั 99.512V ซึง จากขอ้ มูลแรงดนั ทีไดน้ นั ถา้ เรานาํ มาพิจารณาเพือหาค่าแรงดนั (VP ) จะมีค่าเท่ากบั 12.605VP หรือ ถา้ นาํ มาพิจารณาเพือหาคา่ แรงดนั (VPP ) จะมีคา่ เท่ากบั 25.866VPP นนั เองครับ ส่วนในรูปที 7 นนั จะเป็ นการแสดงในรูปแบบโดเมนทางความถีนะครับ เพือจะเป็ นการ ตรวจสอบดูวา่ วงจรทีเราไดอ้ อกแบบนนั มีผลตอบสนองทางความถีเป็ นอยา่ งไรนนั เองครับ ซึงใน การทดสอบนีไดท้ าํ การป้อนแรงดนั เท่ากบั 1 โวลท์ ดว้ ยใช้ความถีเท่ากบั 1 KHz ในการทดสอบ วงจรขยายแรงดนั นีนะครับ ซึงผลการทดสอบจะเห็นได้ว่าสัญญาณทีป้อนทางอินพุทนันเมือ ตรวจเช็คดูแลว้ จะมีค่าเทา่ กบั 1V (0dB) ทีความถี 1 KHz ครับ ส่วนทางเอาตพ์ ุทนนั เมือเราตรวจเช็ค ดูแลว้ จะมีคา่ เทา่ กบั 12.946V (22.2427dB) ทีความถี 1 KHz นนั เองครับ จากผลการทดลองทีผ่านมาทงั หมดนันจะเห็นไดว้ า่ วงจรขยายแรงดนั ทีไดอ้ อกแบบ ทีใช้ Triode Vacuum Tube เบอร์ 12AU7 นนั สามารถทาํ งานไดเ้ ป็นอยา่ งดีและใหผ้ ลการทดสอบออกมา ตรงตามทีผอู้ อกแบบตอ้ งการมากเลยครับ แต่เพียงแคเ่ ราออกแบบวงจรขยายแรงดนั อยา่ งเดียวนนั ก็ ยงั คงไม่สามารถนําไปใช้งานได้อย่างสมบูรณ์นะครับ ดงั นันในฉบบั หน้าก็จะขอกล่าวถึงการ อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-8

ออกแบบวงจรอีกวงจรหนึงนะครับนนั ก็คือวงจรขยายกระแส (Current Amplifier) นะครับ เพอื ทีจะ ทาํ ให้เราสามารถทีจะออกแบบและสร้างวงจรเพาเวอร์แอมป์ ทีดีไวใ้ ช้งานเองได้หรือใช้เป็ น แนวทางในการออกแบบวงจรทีมีความซบั ซอ้ นมากยงิ ขึนต่อไปครับ เป็ นอยา่ งไรบา้ งครับพอทีจะเขา้ ใจหลกั การการออกแบบวงจรขยายสัญญาณแรงดนั กนั บา้ ง แลว้ ใช่ไหมครับ วา่ วงจรแบบนีนนั จะตอ้ งมีการพิจารณาและวิเคราะห์อย่างไร ก่อนทีจะนาํ สูตร ต่างๆ ไปใช้งานไดอ้ ย่างถูกตอ้ งต่อไป ซึงในบทนีจะเน้นในส่วนของสมการของแต่ละวงจรว่ามี สมการทีไดแ้ สดงไวน้ นั จะใหผ้ ลตรงตามกบั ทีออกแบบวงจรจริงหรือไม่ ซึงก็ไดท้ าํ การทดสอบผล การทาํ งานของวงจรให้เห็นควบคู่ไปดว้ ย เพือทีจะไดเ้ ป็ นการยืนยนั วา่ วงจรทีเรากาํ ลงั ศึกษาและ ออกแบบอยนู่ ีให้ผลตรงตามทีเราตอ้ งจริง ก่อนทีจะนาํ ไปสร้างเพือประยุกต์ใช้งานจริงต่อไปครับ ซึงในการนาํ ไปใช้งานจริงนนั ผูท้ ีจะทาํ การออกแบบก็ตอ้ งพิจารณาในส่วนของตวั อุปกรณ์หลอด สูญญากาศทีจะนํามาใช้งานด้วยนะครับ ว่าหลอดสุญญากาศเบอร์ทีนํามาใช้งานนันมีค่าของ Specification and max ratings เป็ นอยา่ งไร เพือทีจะทาํ ให้วงจรทีออกแบบนีให้แรงดนั ทางเอาทพ์ ุต (Output Voltage) สูงสุดเท่าไร และค่าของแรงดนั ทางเอาทพ์ ุตทีไดจ้ ากวงจรทีออกแบบนนั จะให้ค่า ของแรงดนั มากพอหรือตรงตามทีเราตอ้ งการหรือไม่ ซึงในส่วนนีก็คงจะตอ้ งไปหาขอ้ มูลของ หลอดสูญญากาศในแต่ละเบอร์ดูนะครับ **************************** อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 5-9