6SN7 – optymalny punkt pracy dla wysokiej dynamiki, ustawienia Ua, Ia, Ra, Ugk

Pytanie

jaki powinien być punkt pracy lampy 6SN7 dla uzyskania dobrej dynamiki

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Dla lampy 6SN7, pracującej w klasie A jako stopień napięciowy, „bezpieczny” i jednocześnie zapewniający bardzo dobrą dynamikę punkt pracy to:
  • Ua ≈ 250–300 V • Ia ≈ 6–8 mA • Ugk ≈ -5 … -8 V • Ra ≈ 22–47 kΩ
• Przy zasilaniu 300 V optymalnie ustaw Va₀ ≈ 0,55 · B+ (≈ 160-180 V), tak aby możliwy swing wyjściowy był symetryczny.
• Moc strat Pₐ = Ua · Ia nie powinna przekraczać 2,5–3 W (≈ 60 % katalogowego maksimum 5 W) – to gwarantuje zapas termiczny i niski szum.

Szczegółowa analiza problemu

1. Kryterium „dobrej dynamiki”

1.1 Zakres liniowego sygnału (headroom) – musi być możliwie szeroki, aby głośne transjenty nie wchodziły w obszar odcięcia ani w „grid current region”.
1.2 Niskie zniekształcenia w części średnich głośności – wymaga pracy w najbardziej liniowym fragmencie charakterystyki Ia(Ua).
1.3 Stosunek sygnał/szum – prąd spoczynkowy nie może być zbyt niski, bo wtedy wzrasta 1/f i szum rezystora katodowego.

2. Wyznaczanie punktu pracy – procedura graficzna

1. Wybierz B+ (najczęściej 250–350 V).
2. Określ maksymalny dopuszczalny Ia z warunku Pₐ < 3 W:
   \[ I_{a,\text{max}} \approx \frac{3\ \text{W}}{B+/2} \]
   Dla 300 V daje ~20 mA, ale w praktyce dla liniowości przyjmuje się 6–10 mA.
3. Naszkicuj linię obciążenia:
   \[ I_a = \frac{B^+ - U_a}{R_a} \]
   Dobry punkt to środek najbardziej prostoliniowego odcinka.
4. Odczytaj odpowiadające Ugk – dostosuj Rk:
   \[ Rk = \frac{|U{gk0}|}{I_{a0}} \]

3. Przykłady sprawdzonych ustawień

4. Obciążenie prądowe (CCS) a dynamika

Zastąpienie Ra źródłem prądowym (mosfet CCS lub kaskoda BJT) czterokrotnie podnosi wzmocnienie AC i poprawia liniowość, bo lina obciążenia staje się pionowa. Wymaga jednak:

• kondensatora bootstrap lub wejścia symetrycznego (dla LTP),
• świetnego filtrowania zasilania (brak tłumienia szumów przez Ra).

5. Katodowy rezystor i kondensator

Jeżeli potrzebne pełne wzmocnienie, Ck tak, aby:
\[ X_C(20 \text{Hz}) < 0,1 \cdot R_k \]
czyli typowo 220–470 µF/16 V. Rezygnacja z Ck (local feedback) zmniejsza wzmocnienie o ~3 dB, ale redukuje THD do 30–50 %.

Aktualne informacje i trendy

• Coraz częściej stosuje się stabilizowane źródła prądowe (CCS) lub indukcyjne obciążenia anody (choke-load) dla uzyskania maksymalnego headroomu przy umiarkowanym B+.
• Popularne stają się LED-bias i diody SiC w katodzie – niższy szum niż klasyczny Rk.
• 6SN7 GTB (produkowany współcześnie jako Tung-Sol reissue, EH, PSVANE) dopuszcza Pₐ do 7,5 W – umożliwia bezpieczną pracę przy Ia≈12 mA i Ua ≈ 300 V w roli drivera lamp GU-50 lub KT88.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• µ (amplification factor) ≈ 20; ri≈7–8 kΩ; gm≈2,6 mA/V. Optymalna linia obciążenia rezystorowego dla najlepszej liniowości spełnia przybliżenie Ra ≈ 2·ri.
• Przy Ra=22 kΩ i Ia=8 mA wzmocnienie napięciowe A_v ≈ -µ·Ra/(Ra+ri) ≈ -14 V/V (-23 dB).
• Minimalny dopuszczalny Ia dla niskiego szumu ~2 mA; poniżej rośnie 1/f, co zawęża dynamikę od dołu.

Aspekty etyczne i prawne

• Napięcia >300 V DC są śmiertelnie niebezpieczne; zgodnie z PN-EN 61010 obudowa musi gwarantować IP2X, a kondensatory filtrujące mieć rezystor rozładowczy <1 MΩ/1 µF.
• W produktach komercyjnych wymagane jest oznaczenie CE oraz spełnienie norm EMC (EN 55035/55032).
• Pseudonaukowe praktyki „voodoo-cap rolling” mogą wprowadzać w błąd klientów – inżynier powinien opierać się na pomiarach.

Praktyczne wskazówki

1. Zacznij od B+ = 300 V, Ra = 33 kΩ. Dobierz Rk ≈ 820 Ω – otrzymasz Ia ok. 7 mA.
2. Zmierz Va – jeżeli <140 V, zmniejsz Ra; jeżeli >180 V, zwiększ Ra.
3. Oscyloskopem wysteruj lampę do momentu pojawienia się asymetrii szczytów; zapisz napięcie p-p – minimalne 3 dB zapasu traktuj jako maksymalny poziom roboczy.
4. Sprawdź THD przy 1 kHz / -3 dB; wartości <1 % wskazują poprawny punkt.
5. Dokonaj pomiaru szumu (A-weighted) – 6SN7 w tej konfiguracji powinien uzyskać ≤ 200 nV/√Hz.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Egzemplarze NOS (RCA, Sylvania) potrafią różnić się nachyleniem gm ± 15 %; punkt pracy dostosuj indywidualnie.
• W układach SRPP prąd musi być wyższy (8–12 mA), a napięcie zasilania 2×Va + spadek na ra_górnym.
• Lampa w pozycji poziomej traci ~10 % żywotności z powodu grawitacyjnego ugięcia katody – praktyka studyjna unika tego montażu.

Sugestie dalszych badań

• Analiza wpływu CCS zasilanego źródłem B-mniejszym (cascode MOSFET + LED) na intermodulację.
• Porównanie LED-bias vs. katoda rezystorowa pod kątem PSRR i szumu.
• Symulacja Monte-Carlo punktu pracy 6SN7 w Spice z rozrzutem parametrów ±20 % – ciekawy temat prac dyplomowych.
• Badanie psychoakustyczne korelacji wyższych harmonicznych (H2/H3) z percepcją „microdynamics”.

Krótkie podsumowanie

Punkt pracy zapewniający wysoką dynamikę dla 6SN7 to okolice Ua ≈ 0,55 · B+, Ia ≈ 6–8 mA, Ugk ujemne 5–8 V, Ra 22–47 kΩ. Zapewnia to:
• duży symetryczny swing (>100 V p-p przy B+=300 V),
• THD < 1 %,
• komfortowy zapas mocy (Pₐ < 3 W).
Dalszą poprawę – kosztem komplikacji – daje obciążenie CCS lub indukcyjne. W praktyce każdą lampę warto „dogiąć” pomiarami – to najpewniejsza droga do maksymalnej, rzeczywistej dynamiki.

Pytanie

Punkt pracy 6sn7 srpp

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Dla uniwersalnego stopnia liniowego SRPP z lampą 6SN7 przyjmuje się:
  • B+ ≈ 300–350 V
  • Ia (obie sekcje) ≈ 8 mA
  • Ua (anoda dolnej triody) ≈ 0,45 · B+
  • Rk (obie katody) ≈ 560 Ω (Ugk ≈ -4,5 V)
  • Obciążenie zewnętrzne ≈ 18–25 kΩ
• Zapewnia to ~40 dB wzmocnienia, ≤1 % THD i zdolność oddania ≈200 Vpp z wyjścia.

Szczegółowa analiza problemu

1. Cel projektowy
   SRPP (Shunt/Series Regulated Push-Pull) łączy dolną triodę w układzie wspólnej katody z górną jako obciążeniem dynamicznym/wtórnikiem katodowym. Przy idealnym obciążeniu (Rload ≈ rp + (μ+1)Rk) uzyskujemy redukcję parzystych harmonicznych i niski Z_out.

2. Ustalenie napięcia zasilania
   – Minimum praktyczne: 250 V (mały swing, wyższe THD).
   – Typowe Hi-Fi: 300–350 V (zapas liniowości, mieści się w Vhk-max ≈ 200 V).
   – Driver lamp mocy lub słuchawki przez transformator: 350–420 V przy zachowaniu Pa < 5 W/sekcję.

3. Dobór prądu spoczynkowego
   gm6SN7 ≈ 2,6 mA/V przy Ia = 8 mA. Z praktyki:
   • 5–6 mA – ekonomiczny preamp, Z_out > 1 kΩ.
   • 7–9 mA – optimum kompromisowe (niski szum, rozsądna żywotność).
   • 10–12 mA – driver, ale zwiększa Vhk i grzanie lampy.

4. Wyznaczenie Ugk i rezystorów katodowych
   Z charakterystyk: dla Ua ≈ 150–180 V i Ia = 8 mA potrzebne Ugk ≈ -4,5 V.
   Rk = |Ugk|/Ia ≈ 4,5 V/0,008 A ≈ 560 Ω.
   Jeżeli chcemy sztywną, nie-temperaturową polaryzację, zamiast rezystora katody dolnej można użyć diod LED lub CCS; rezystor górny MUSI pozostać, aby zachować sprzężenie lokalne.

5. Warunek symetrii DC
   Va_dolna + Vk_górna ≈ B+.
   Przy Rk równych i tym samym Ia w obu triodach zbliżamy się do symetrii napięciowej i minimalnego zniekształcenia drugiej harmonicznej.

6. Optymalna impedancja obciążenia
   Z_load_opt ≈ rp + (μ+1)Rk. Dla rp ≈ 7,5 kΩ, μ ≈ 20, Rk = 560 Ω → Z_load_opt ≈ 20 kΩ.
   Przy większym obciążeniu (np. >100 kΩ wejście kolejnego stopnia) układ staje się asymetryczny – THD wzrasta głównie w 2 H, co jednak bywa pożądane brzmieniowo.

7. Weryfikacja mocy strat
   Pa_dolna ≈ Ua·Ia = 160 V·0,008 A ≈ 1,3 W.
   Pa_górna ≈ (B+ – Vk_górna)·Ia ≈ (320 V – 160 V)·0,008 A ≈ 1,3 W.
   Bezpiecznie poniżej 5 W limitu katalogowego.

8. Zagadnienia eksploatacyjne
   – Vhk górnej połówki wynosi ≈ Ua_dolna ≈ 150–180 V; zaleca się podnieść potencjał żarzenia do 70–100 V DC.
   – SRPP rozstraja się poza obciążeniem projektowym; przy słuchawkach lub transformatorze wyjściowym lepszy bywa µ-follower lub SRPP z CCS.

Aktualne informacje i trendy

• Forum diyAudio (2023-24) wskazuje powrót do B+ ≈ 300 V i Ia 5–8 mA w preampach lampowych w celu zmniejszenia zużycia (wzrost cen NOS 6SN7).
• Pojawiają się moduły CCS (DN2540, IXTP01N100) zastępujące rezystor katody górnej, utrzymując prąd niezależnie od zmian lampy.
• Popularne jest stosowanie LED-bias lub diod SiC w dolnej katodzie dla stabilizacji punktu przy minimalnym szumie.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• SRPP ≠ klasyczny push-pull; prąd AC jest przeciwfazowy, ale DC identyczny.
• Wzmocnienie teoretyczne ≈ ½ µ przy dużym obciążeniu; praktycznie Av ≈ 15–25 (34–48 dB).
• Z_out ≈ 1/(2 gm) ‖ Rk_górny; dla 8 mA uzyskujemy 300–600 Ω.

Aspekty etyczne i prawne

• Praca na napięciach >300 V wymaga zgodności z PN-EN 60065/62368-1 (odległości, izolacja).
• Zgodnie z RoHS lampy elektronowe są zwolnione z ograniczeń ołowiu, ale odpady klasyfikuje się jako e-złom.

Praktyczne wskazówki

1. Rozpocznij od B+ 300 V, Rk 560 Ω, Ia 8 mA.
2. Zmierz Va_dolna – dąż do 140–160 V, koryguj Rk (±5 %).
3. Podnieś żarzenie do +80 V DC (dzielnik 220 k/47 k + 100 µF).
4. Jeżeli obciążasz <10 kΩ – rozważ µ-follower lub transformator wyjściowy.
5. Sprawdź THD na 1 kHz przy 2 Vrms – cel <1 %.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• SRPP osiąga minimum zniekształceń wyłącznie dla jednego R_load; pełno-zakresowe preampy o zmiennym obciążeniu (regulatory barwy, wzmacniacze mocy) mogą dać lepsze wyniki z µ-followerem + CCS.
• Lampy 6SN7 produkcji współczesnej mają większy rozrzut gm; konieczne parowanie lub trymery katodowe.

Sugestie dalszych badań

• Pomiar porównawczy SRPP vs µ-follower z tą samą 6SN7 przy różnych R_load.
• Analiza wpływu CCS (DN2540) na liniowość i PSRR.
• Modelowanie SPICE z krzywymi „real device” złączonymi z parametrami temperatury.

Krótkie podsumowanie

Optymalny punkt pracy 6SN7 w SRPP to około 8 mA przy zasilaniu 300–350 V, z anoda dolnej sekcji ustawioną blisko połowy B+. Tak skonfigurowany stopień zapewnia niski poziom zniekształceń, rozsądnie małą impedancję wyjściową i wystarczający swing napięciowy dla większości zastosowań audio. Pamiętaj o balansie między obciążeniem a prądem, podniesieniu potencjału żarzenia i kontroli Vhk. Przy innych warunkach obciążenia warto rozważyć µ-follower lub SRPP z aktywnym źródłem prądowym.