Wzmacniacz audio w układzie circlotron z lampami: KT88, (EL34)

Opracowany przez G. Haas (Electronics Experience), (Elektor Electronics 5/2001)

Projekt wzmacniacza opisany w tym artykule oparty jest na układzie circlotron. 
Ta konfiguracja powstała na początku 1950 roku. Wzmacniacz mocy składa się z dwóch elementów aktywnych (lamp) działających w przeciwfazie.  Jedna z lamp wykorzystuje dodatnią połowę cyklu, a druga ujemną.
Aby lepiej zrozumieć zasadę działania wzmacniacza w układzie cirklotron należy sięgnąć do podstaw teoretycznych. 

Schemat przedstawiony na Rys 1. (z lewej) pokazuje układ podstawowy klasycznego przeciwsobnego wzmacniacza mocy klasy AB. Każda siatka sterująca lamp głośnikowych jest sterowana przez sygnał półfali z obwodu odwracacza fazy. Jest to pokazane symbolicznie na rysunku; w praktyce dwie lampy nie mogą pracować jednocześnie. Tutaj lewa lampa jest odpowiedzialna za dodatnią połowę cyklu, a prawa za jego ujemną połowę.  Uzwojenia pierwotne transformatora wyjściowego (N1 i N2) łączą obie połowy cyklu, by utworzyć na wyjściu kompletną falę sinusoidalną. Transformator przenosi napięcie na wtórnej stronie, które jest zmniejszone przez jego przekładnię n. Jeżeli na napięcie zasilania UB nałożone zostanie napięcie tętnień, to będzie ono w równej mierze przepływać przez oba uzwojenia transformatora (N1 i N2).  Jeżeli układ będzie całkowicie symetryczny, to zostanie ono zredukowane z powodu przeciwnych faz.  Niestety, doskonała symetria nie może w praktyce zostać osiągnięta, więc napięcie UB  musi być właściwie filtrowane.  Rys 1. Konwencjonalny układ przeciwsobnego wzmacniacza mocy klasy A

Na Rys. 2. (z lewej) pokazany jest układ zastępczy dla sygnałów zmiennych z Rys. 1.  UB  zasilacza reprezentuje zwarcie dla tych sygnałów. Opór dla sygnałów zmiennych jest związany z oporem wewnętrznym obu lamp i oporem uzwojeń N1 i N2 transformatora wyjściowego, reprezentowanym przez opory Ra.   Rys 2. Układ równoważny z rysunku 1

Na Rys. 3. (poniżej, z lewej) przedstawiono wzmacniacz w układzie circlotron.

Należy zauważyć, że występują tu  dwa źródła zasilania, a lampy są podłączone do transfor- matora w zupełnie inny sposób. Lampy dla sygnałów zmiennych są połączone równolegle, co zmniejsza czterokrotnie opór wewnętrzny. Korzyści z tego są takie, że transformator może mieć mniejszy przekrój środkowej kolumny rdzenia i mniejszą liczbę zwojów. Zmniejszona indukcyjność i pojemności rozproszone uzwojeń pozwalają na osiągnięcie szerokiego pasma częstotliwości. Rys 3. (z lewej)  Wzmacniacz w układzie Circlotron

Rys. 4. Układ równoważny dla sygnałów zmiennych z Rys. 3

Na Rys. 5 poniżej,  pokazano kompletny schemat jednego z monobloków wzmacniacza Classic. 

Składa się on z trzech bloków strukturalnych:  1. obwody wzmacniacza, 2. zasilacz,  3. układ miękkiego załączania.  Na wejściu wzmacniacza zastosowano transformator wejściowy E 1200 umożliwiający jego symetryczne sterowanie.  Przekładnia transformatora wynosi 1:1 (opór wejściowy 34k-omów, czułość 1,5V) lub 1:2 (opór wejściowy 8,5k-omów, czułość 0,75V). Rys. 5. (z prawej) Schemat ideowy jednego  z monobloków wzmacniacza „Classic”

Podsumowanie

Stopień końcowy wzmacniacza Circlotron tworzy rodzaj mostka, w którym lampy końcowe dla napięć zmiennych są usytuowane przeciwsobnie, a dla napięć anodowych - szeregowo. Powoduje to, że prądy spoczynkowe lamp płyną niejako po okręgu znosząc się wzajemnie gdy wzmacniacz jest w stanie spoczynku. W skutek tego, przez transformator wyjściowy nie przepływa składowa prądu stałego. Pojawienie się sygnału sterującego na jednej z siatek lamp mocy powoduje zaburzenie równowagi i przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne transformatora wyjściowego. 
W rozwiązaniu tym. każda lampa końcowa wymaga niezależnego zasilania, czyli oddzielnego uzwojenia anodowego w transformatorze sieciowym razem z prostownikiem i układem filtrującym. 
Napięcie anodowe dla lamp przedwzmacniacza i odwracacza fazy jest pobierane przez oporniki symetrycznie z obu zasilaczy równocześnie. 

Wadą wzmacniacza jest niższa wydajność energetyczna niż w przypadku klasycznego układu Push-Pull w klasie AB.
 Poza tym posiada same zalety: zredukowane zniekształcenia, dobry dźwięk i szerokie pasmo częstotliwości, które są ważniejsze niż wydajność energetyczna. 
W wyniku równoległego połączenia opór wewnętrzny stopnia końcowego zostaje znacznie zmniejszony w stosunku do  normalnego układu Push-Pull (około 4 razy), co w przypadku dwóch lamp EL 34 daje około 900 omów.  Niska impedancja wyjściowa umożliwia  zastosowanie transformatora o mniejszym przekroju kolumny środkowej i mniejszej liczbie zwojów. Zmniejszona indukcyjność i pojemności rozproszone uzwojeń pozwalają na osiągnięcie szerokiego pasma częstotliwości.

Dynamiczny rozwój technologii półprzewodnikowej spowodował, że „Circlotron” nie zajął znaczącego miejsca. Spowodowane to było głównie niską wydajnością energetyczną i stosunkowo wysoką ceną. Obecnie, przy pomocy nowoczesnych zasobów, jest możliwe zbudowanie doskonałych wzmacniaczy w tej konfiguracji w cenie do przyjęcia. (...)"

Koniec tłumaczenia.

Moje konstrukcje - Flexi Vox oraz Flexi Vox II

Wzmacniacze Flexi-Vox i Flexi-Vox II różnią się sposobem polaryzacji siatek sterujących lamp mocy. 
W pierwszym zastosowałem sposób przedstawiony między innymi w układach circlotron na http://circlotron.tripod.com/. (np. wzmacniacze: A15 i A30). We „Flexi-Vox II” zastosowałem taki sposób, jaki jest we wzmacniaczu „Classic” przedstawionym  w Elektor Electronics 5/2001 (Rys. 5, powyżej). Napięcie polaryzacji przyłożone jest tu bezpośrednio między siatkę i katodę lampy (przez 10 W) bez udziału transformatora wyjściowego. We wzmacniaczu „Flexi-Vox II” zastosowałem transformator zasilający o mocy ok. 300W i zwiększyłem napięcie anodowe do 400V. 
Zastosowany we „Flexi-Vox” układ STAND-BY (ręczne odłączanie napięcia anodowego w przerwach pracy wzmacniacza) nie jest konieczny. Stosowanie układu opóźnionego załączania napięcia anodowego jest jednak jak najbardziej zasadne.

Kilka słów o „kulturze” pracy wzmacniaczy. Stwierdziłem, że po załączeniu wzmacniaczy, bez załączonego napięcia anodowego (nawet bez lamp mocy) w głośnikach słychać sieciowe 50Hz. Wydaje mi się, że zastosowanie przekaźników odłączających oba końce uzwojenia anodowego od prostowników usunęło by ten problem. Tego jednak nie sprawdzałem. By usunąć ten efekt zastosowałem dodatkowe przekaźniki odłączające (Flexi-Vox) i zwierające (Flexi-Vox II) kolumny głośnikowe na czas nagrzewania się lamp. Sposób ten pozwolił także wyeliminować nieciekawy efekt „wybrzmiewania” wzmacniaczy po ich wyłączeniu, z załączonym napięciem sterującym, (stopniowy spadek ładunku elektrycznego na kondensatorach elektrolitycznych zasilacza). 

Wzmacniacze zaprojektowane są do pracy w klasie AB i ważne jest prawidłowe ustawienie ujemnych napięć na siatkach lamp mocy (około -32 do -35V) (ustawiane oddzielnie dla każdej lampy) tak, by uzyskać odpowiednie i równe prądy zerowe (suma prądów anody i siatki II) w obu lampach (25 do 30mA). Jest to ułatwione dzięki zastosowaniu rezystorów katodowych 10 W, na których mierzy się spadki napięcia i wylicza te prądy.  Dobrze jest gdy lampy posiadają zbliżone parametry elektryczne. Przy zbyt dużych prądach zerowych wystąpi nadmierne obciążenie transformatora zasilającego, zmienią się napięcia zasilające i punkty pracy lamp, a transformator będzie się grzał. Na czas ustawiania dobrze jest wyjąć lampę odwracacza fazy. Na uwagę zasługuje fakt bardzo dobrego przenoszenia basów przez oba wzmacniacze, mimo zastosowania małych transformatorów wyjściowych. 
Pasmo częstotliwości od „góry” jest również dobre. Można na nie wpływać przez zmianę gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego. 

Wzmacniacze są bardzo stabilne. W kolumnach głośnikowych nie słychać przydźwięku sieciowego, a także efektów stanów nieustalonych, co akurat wymagało przeprowadzenia pewnych zabiegów, o czym wspomniałem wyżej. Ważną cechą obu wzmacniaczy jest to, że we wnętrzu chassis nic się nie grzeje, może trochę przekaźniki, ale to żadne grzanie.

Stosuję lampy mocy EL34, nie próbowałem stosować lamp KT88.

      Józef Łukaszuk, 

     Kontakt:   jlukas200(małpa)wp.pl  

Bezpieczeństwo:

Urządzenia elektroniczne zwykle są zasilane z sieci 230V. 
Napięcie sieciowe jest niebezpieczne, dlatego stosuj przemyślane rozwiązania konstrukcji wzmacniacza tak, by nie narazić siebie i innych użytkowników na porażenie prądem elektrycznym!    

Bądź ostrożny! Zawsze pracuj uważnie i z wyobraźnią.

Zanim zaczniesz samodzielnie pracować z wysokimi napięciami, poczytaj o skutkach działania prądu na organizm człowieka na stronie "Bezpiecznie!"