Опыт сборки гибридного цирклотрона без ООС класса "А"

Цирклотрон

Несмотря на кажущуюся простоту исходной схемы («Радиохобби», №3, 2008, с.54-55) конструкция получилась довольно сложной, а стоимость всех комплектующих, включая корпус, составила порядка $1000. Честно говоря, в процессе сборки я не раз жалел о том, что затеял это дело, но конечный результат порадовал: усилитель звучит непревзойдённо детально и чисто на средних и высоких частотах, а также обладает мощными басами. Спасибо Дмитрию (Neco) и Артёму (getshket) за ценные советы. Полезная ссылка.

Измеренная амплитудно-частотная характеристика усилителя:

АЧХ

Нижняя граница АЧХ составляет 10 Гц при спаде -2дБ и примерно 20 Гц при спаде -1 дБ, а верхняя граница доходит практически до 100 кГц, однако синусоида заметно не искажается только до 50 кГц. Максимальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом составляет 20..25 Вт с последующим очень плавным ограничением:

Ограничение

Чувствительность по входу получилась около 1В.

Цирклотрон собран в относительно небольшом (по сравнению с авторским вариантом) корпусе WA130 шириной 430 мм, глубиной 412 мм и высотой 150 мм. Из-за очень плотного монтажа без принудительной вентиляции обойтись не удалось. Однако, благодаря использованию сверхтихих вентиляторов «Noctua» шума практически не слышно. Так, вентилятор «Noctua» NF-S12A ULN диаметром 120 мм (виден на фото над двумя тороидальными силовыми трансформаторами) совместно с шумопонижающим адаптером Low Noise NA-RC12 обладает уровнем шума всего 6,7 дБ. Скорость вращения вентиляторов зависит от температуры (управление осуществляется через ШИМ), которая определяется несколькими термодатчиками DS18B20, установленными внутри корпуса. Для поступления снизу холодного воздуха в нижней крышке корпуса сделано достаточное количество вентиляционных отверстий. Воздушные потоки нагретого воздуха, направляемые вентиляторами, движутся к верхней крышке, имеющей вентиляционные прорези. Кроме того, вентиляционные отверстия для тёплого воздуха проделаны и в задней стенке корпуса там, где расположены лампы.

Рассмотрим основную схему:

СхемаВ качестве ламп были применены рекомендованные в статье пентоды IL861 (производства ГДР), обладающие выдающимися характеристиками, в том числе сроком службы 10 000 ч (подобранные пары таких ламп были приобретены на eBay). Во вложении приведён мой собственный перевод с немецкого описания этой лампы. Ток анода лампы составляет 20 мА, ток катода (с учётом тока защитной сетки) — 25 мА.

Ламповые каскады смонтированы на половинках алюминиевого корпуса G0123F без крышки (так как верхняя и боковая грань получаются расположенными не точно под прямым углом, под ламповые панельки с одной стороны пришлось подложить проволочные скобы, чтобы лампы устанавливались строго вертикально):

В конструкции применены небольшие готовые межкаскадные трансформаторы Lundahl LL1671/30mA, работающие в режиме 4:(1+1). Трансформаторы помещены в стальные колпаки размерами 70x70x80 мм (правда, пришлось сделать небольшие вырезы в крепёжных уголках колпаков). Первичная обмотка межкаскадных трансформаторов имеет индуктивность около 40Гн, что обеспечивает нижнюю границу звукового диапазона 10 Гц.

Первоначально были опасения, что чувствительность цирклотрона может оказаться слишком низкой (более 1,5В), поэтому в конструкции сразу были предусмотрены два повышающих 1:2 входных трансформатора  (размещённых в стальных экранирующих кожухах размерами 58x70x65 мм), которые могут легко отключаться перестановкой перемычки (JMP1). Однако, оказалось, что чувствительность усилителя вполне приемлема, и данные трансформаторы не очень то и нужны (они были оставлены в конструкции, но коммутирующая их перемычка снята).

Особо следует остановиться на RC-цепочках C12, R18 и C13, R19. В исходной схеме их не было. Однако при проверке усиления прямоугольного сигнала на фронтах были обнаружены довольно значительные выбросы:

Выбросы

Именно поэтому первоначальное звучание усилителя мне не очень понравилось — оно было каким-то «шумноватым». Подбором номиналов указанных RC-цепочек удалось снизить выбросы и сделать звучание гораздо более приятным на слух:

RC

Но и этого для идеального звука оказалось не достаточно: почему-то на высоких частотах в некоторых случаях отмечалась режущая слух резковатость (об устранении этого эффекта — в самом конце).

Выходные каскады цирклотрона собраны на полевых транзисторах 2SK1058, установленных через тонкие слюдяные прокладки с термопастой на боковых радиаторах. Ток покоя выходных каскадов пришлось снизить до 1А, чтобы уменьшить их нагрев — при указанном токе сохраняется высокое качество звучания усилителя при приемлемом температурном режиме. При токе покоя 1,3А нагрев транзисторов доходил почти до 70 градусов (это допустимый предел), и усилитель снаружи и внутри нагревался так, что на корпусе было невозможно держать руку, а вентиляторы при этом не спасали. Рядом с транзисторами каждого выходного каскада размещается термодатчик, а под каждой платой выходного каскада — по вентилятору «Noctua» NF-A4x10 FLX с адаптерами Low Noise NA-RC11 (соответственно под каждой платой выходного каскада в нижней крышке проделаны вентиляционные отверстия, а нагретый воздух движется не только вверх, но и к отверстиям в задней стенке). Платы выходных каскадов прикреплены к нижней крышке нейлоновыми стойками М3 длиной 50 мм.

Напряжение смещения выходных каскадов, которое определяет их ток покоя, формируется узлом стабилизатора накала ламп, и может управляться от микроконтроллерного сервисного блока цирклотрона (рассмотрен ниже).

В данной конструкции я применил в цепях питания плёночные конденсаторы с диэлектриком PPS: они установлены как на платах стабилизаторов для питания выходных каскадов, так и в цепях формирования смещения для выходных каскадов, а также в фильтрах по питанию непосредственно на платах выходных каскадов. Эти конденсаторы позволяют получить очень чистое и яркое звучание на ВЧ, но здесь надо действовать осторожно, чтобы не «переборщить», так как, с одной стороны, эти конденсаторы могут придать звучанию лишнюю окраску, с другой — сделать заметными недостатки звукового тракта. В данной конструкции на платах выходных каскадов (C6, C7) первоначально мной была установлена керамика NP0 0,1 мкФ x 50V, однако её «невнятное» звучание мне не понравилось. В конечном итоге после установки на эти места конденсаторов PPS с такими же номиналами (они и указаны на схеме) всё встало на свои места.

В усилителе изначально как необязательный предусматривался узел защиты нагрузки от постоянного напряжения, описанный в аналогичной конструкции (см. в конце). При проверке оказалось, что в случае пропадания напряжения одного из плеч питания выходного каскада (например, при перегорании предохранителя) второе плечо закрывается, и напряжение на нагрузке становится нулевым. И хотя усилитель не чувствителен к короткому замыканию в нагрузке, этот узел решено было оставить на случай пробоя одного из выходных транзисторов (чего в принципе исключить нельзя).

Блок питания цирклотрона получился сложнее основной схемы:

Блок питанияДля питания выходных каскадов применены два тороидальных трансформатора (Tr1, Tr2), каждый из которых имеет по две обмотки ~25В. Трансформаторы намотаны на кольцах типоразмера К116x60x20 от УМЗЧ ВВ Н.Сухова (данные сердечников приведены в журнале «Радио», №1, 1990, с.78), и обладают пониженной индукцией: первичная обмотка содержит 2130 витков провода ПЭВ-2 0,45, а вторичные обмотки намотаны в два провода ПЭВ-2 1,17 по 235 витков. Трансформаторы размещены один над другим и накрыты стальным кожухом диаметром 140 мм и высотой 74 мм. Первичные обмотки трансформаторов включены параллельно в противофазе для снижения магнитного поля.

Для уменьшения размеров конструкции и облегчения работы выходных каскадов последние питаются от 4-х стабилизаторов с выходным напряжением 24В. За основу схемы стабилизаторов взята конструкция «Мощного стабилизатора двухполярного напряжения для УМЗЧ» — А.Кузьминов, «Радио», №5, 2012, с.18-20. Эти стабилизаторы обеспечивают малый уровень пульсаций при минимальной разнице между входным и выходным напряжениями всего около 1В, поэтому нагрев этих узлов минимален. В качестве конденсаторов фильтров выпрямителей применены относительно небольшие конденсаторы «Kendeil» K05 10000 мкФ x 40В. Управляющие полевые транзисторы стабилизаторов каждого плеча прикручиваются к боковым радиаторам через изолирующие силиконовые  прокладки рядом с 4-мя диодами Шоттки в пластиковых корпусах (без прокладок) винтами М3, имеющими шестигранный шлиц. Для уменьшения занимаемого объёма платы стабилизаторов обоих плечей каждого канала монтируются в два «этажа», с установкой между платами нейлоновых стоек М3 длиной 60 мм.

Анодный стабилизатор и стабилизатор накала лампы собран на одной плате отдельно для каждого канала. Для питания ламповых каскадов использован промышленный трансформатор ТАН45, который почти идеально подошёл для этой конструкции. Трансформатор закрыт стальным кожухом размерами 107x107x115 мм.

За основу высоковольтного стабилизатора взят соответствующий блок из конструкции «Современный, ламповый...». Исходный вариант такого стабилизатора описан здесь. В анодных стабилизаторах предусмотрена защита от перегрузки и короткого замыкания, а также задержка подачи напряжения после включения (целесообразно увеличить ёмкости конденсаторов C10 до 100 мкФ для увеличения времени задержки). Напряжение между входным и выходным напряжением стабилизатора должно быть не менее 15В, иначе стабилизатор может выйти из нормального режима, и на выходе усилителя появится фон частотой 100 Гц. По этой причине напряжение на выходе стабилизатора установлено равным +205В (потенциометром R18) — в этом случае работоспособность узла сохраняется при просадке питающего напряжения сети до 210В (при использовании трансформатора ТАН45 с показанным на схеме включением обмоток).

Накалы ламп питаются постоянным стабилизированным напряжением 20 вольт (ток накала 120 мА), с плавным нарастанием после включения, для продления срока службы ламп. В фильтрах стабилизаторов накала применены аудио электролиты, так как выходное напряжение этих стабилизаторов используется для формирования стабилизированного напряжения смещения для выходных каскадов. Сигналы управления напряжением смещения поступают от сервисного блока:

  • сигнал /On с активным низким уровнем подаёт напряжение смещения — сразу после включения имеет высокий уровень и остаётся таким в течение 40 секунд, предотвращая появление фона на выходе усилителя до прогрева ламп;
  • сигнал /Low с активным низким уровнем переключает выходной каскад в экономичный режим с пониженным током покоя; при указанных на схеме номиналах на выходе стабилизатора +A5V (BIAS) формируется напряжение +4,2В при высоком уровне сигнала /Low (ток покоя 1А) и напряжение +2,6В при низком уровне сигнала /Low (ток покоя 0,4А).

Все блоки цирклотрона оснащены элементами индикации на светодиодах, позволяющих провести быструю диагностику и определить возникшую неисправность, поэтому на некоторых фотографиях конструкция может быть похожа на «звездолёт» :)

Платы анодных и накальных стабилизаторов для обоих каналов цирклотрона расположены одна над другой с установкой нейлоновых стоек М3 длиной 40 мм. Управляющие элементы стабилизаторов в пластиковых корпусах (VT4, VT5, DA3, DA4) прикручены к радиаторам в форме алюминиевых брусков (от неисправных компьютерных источников бесперебойного питания), которые, в свою очередь, прикручиваются к общему радиатору из профиля AB0099 размером 100x90x26 мм, прикреплённому к нижней крышке корпуса. Сверху над платами стабилизаторов размещается плата сервисного блока.

Рассмотрим схему сервисного блока на микроконтроллере:

Сервисный блокСервисный блок обеспечивает:

  • задержку подачи напряжения смещения для выходных каскадов на 40 секунд после включения питания для прогрева ламп;
  • управление током покоя выходных каскадов в зависимости от положения перемычки JMP1 (используется трёхпозиционный тумблер на задней панели): в верхнем положении тумблера «H» (правое положение перемычки) ток покоя максимальный (1А), в нижнем положении тумблера «L» (левое положение перемычки) ток покоя минимальный (0,4А), в нейтральном (среднем) положении тумблера (нет перемычки) ток покоя определяется наличием выходного сигнала усилителя (режим «A» — «Авто»): при отсутствии выходного сигнала в течение более 5 минут ток покоя снижается, при появлении (порог срабатывания примерно ~1В) — возрастает до максимального значения;
  • опрос до 5 температурных датчиков DS18B20, включённых параллельно, с целью контроля максимальной температуры критичных узлов (используются три датчика: два — возле транзисторов выходных каскадов и один непосредственно у сервисного блока);
  • управление скоростью вращения вентиляторов с помощью ШИМ в зависимости от текущей температуры термодатчиков (используется три малошумящих вентилятора, включённых параллельно);
  • формирование сигнала аварии /Alarm с активным низким уровнем в случае перегрева хотя бы одного из датчиков до 70 градусов;
  • индикацию режима работы с помощью двухцветного светодиода, выведенного на переднюю панель (HL5, HL6): мигание — режим прогрева (40 секунд после включения), непрерывное свечение зелёным — максимальный ток покоя, непрерывное свечение жёлтым — пониженный ток покоя; непрерывное свечение красным — перегрев (выходные каскады отключаются);
  • быструю разрядку конденсаторов задержки подачи анодного напряжения после выключения питания (через контакты реле K1).

Сервисный блок имеет отдельный блок питания со стабилизаторами для питания цифровой части +D5V и +D12V (при подборе вентиляторов необходимо проконтролировать, чтобы потребляемый ими максимальный ток не превышал 150мА).

Рассматривался также вариант сервисного блока без использования микроконтроллера, однако его схема получилась очень сложной и не гибкой. Исходный текст программы управления сервисного блока и готовая прошивка прикреплена в архиве. Её можно модифицировать по своему усмотрению. Также программа может представлять интерес для применения в других устройствах в части опроса нескольких датчиков, подключённых по шине 1-Wire, и ШИМ-управления вентиляторами.

В заключение рассмотрим ещё один необязательный блок, который реализован в данной конструкции — блок включения и аварийного отключения:

Блок отключенияЭтот блок необходим, если используется узел защиты нагрузки от постоянного напряжения: в случае аварии усилитель полностью обесточивается с формированием звукового сигнала. Если к этому блоку подключить сигнал /Alarm от сервисного блока, то в случае перегрева (70 градусов) усилитель также полностью отключится с выдачей звукового сигнала. Для повторного включения усилителя его нужно выключить и включить снова.

Для коммутации мощной нагрузки использован принцип, описанный здесь. При подаче питания благодаря цепи сброса R2, C3, VD1  триггер на элементах DD1, DD2 устанавливается в исходное состояние с высоким уровнем на выходе DD1/4, и через малое прямое сопротивление диода VD3 транзистор VT2 через оптрон OC2 практически сразу включает симистор VS1, а затем, с небольшой задержкой, определяемой номиналами R4, C5, включается реле K1, замыкая своими контактами уже открытый симистор. В результате при включении контакты реле не подгорают. Кроме того, включение всегда происходит при переходе синусоиды питающей сети через ноль (на фотографии показан сигнал на вторичной обмотке одного из тороидальных трансформаторов питания выходного каскада):

В случае поступления сигнала аварии с активным низким уровнем на вход 2 логического элемента DD2 триггер переходит в нулевое состояние на выходе DD1/4, и транзисторный ключ VT1 через малое прямое сопротивление диода VD2 сразу же обесточивает реле K1, контакты которого размыкаются, но параллельно им остаётся включённым открытый симистор VS1. Симистор, в свою очередь, отключается (также в момент перехода синусоиды через ноль) через время задержки цепи R5, C6, когда контакты реле уже разомкнуты, и усилитель полностью обесточивается. За счёт такой последовательности действий искрение контактов реле исключается. При появлении на выходе DD1/4 низкого уровня инверсный выход триггера DD2/4 переходит в состояние логической единицы, включая аварийный звуковой сигнал с помощью активного излучателя HA1 через транзисторный ключ VT3 с задержкой примерно 1,5 секунды (R6, C8). Эта задержка необходима для того, чтобы исключить непреднамеренное срабатывание звуковой сигнализации во время переходных процессов при обесточивании усилителя с помощью общего выключателя SW1.

При отключении питания с помощью выключателя SW1 блок функционирует несколько по иному. Первым должно разомкнуться реле K1, а затем уже можно отключать симистор VS1. Для получения такого результата обмотка реле запитывается от отдельного выпрямителя со сглаживающим конденсатором небольшой ёмкости C11, отделённым от конденсатора большой ёмкости C10 диодом VD6, и, как только питание пропадает, контакты реле K1 размыкаются, но симистор VS1 при этом ещё включён. Отключение симистора VS1 происходит позже, по мере разряда конденсатора C10, когда снизится напряжение питания ключа VT2. В этом случае контакты реле K1 также защищены.

Как это ни странно, в процессе отладки данного узла удалось устранить резкость звучания усилителя на высоких частотах. Дело в том, что несмотря на предпринятые меры по защите от помех (элементы C1, R3, C2, C4) иногда наблюдались ложные срабатывания системы защиты (/R/S-триггер на элементах DD1, DD2), например, при включении бытового вентилятора, подключённого к той же розетке, от которой запитан усилитель. Полностью избавиться от этого недостатка удалось добавлением сетевого LC-фильтра: схема его подключения показана на схеме блока включения и аварийного отключения. В результате прекратилось не только срабатывание защиты в результате помех от бытовых приборов, но и улучшился звук на ВЧ — к нему теперь просто невозможно придраться! Как объяснить причину этого явления, не совсем понятно.

В архиве прикреплены рисунки печатных плат и гербер-файлы.

Так выглядит цирклотрон совместно с автотрансформаторным регулятором громкости:

Цирклотрон

Разница звучания в экономичном и максимальном режиме не существенна, но всё же заметна: при большем токе покоя звучание становится кристально чистым, более детальным. Я много раз себя ловил на том, что при автоматическом переходе усилителя из максимального в экономичный режим (в среднем положении переключателя режима) — а это происходит примерно при выходной мощности менее 125 мВт — я этого на слух не замечаю, и это становится заметно при очень внимательном прослушивании.

 
 
 
Вложение:
el861-il861.pdf 168 Кбскачан 25 раз
Вложение:
el861-il861-rus.pdf 137 Кбскачан 21 раз
RSS
caleb  
18:23
+1

Просто великолепная конструкция!!! Вызывает зависть и загоняет в уныние.... 

00:06

Спасибо! Но уныние и всё такое, наверное, в данной ситуации лишнее, хотелось, чтобы была какая-то польза...

caleb  
00:54 (отредактировано)
+1

Ну у меня пока есть достижимая цель, собираю еще один D7, ждю платки для дискретного фильтра к нему, в общем есть чем пока заняться. Если победю боль с корпусами, вообще нормуль будет.

А Вы лукавите! там на много по боле 1000$ будет.

09:06
+2

Чтоб такое техно чудо собрать, это нужно пол жизни повышать свой уровень знаний и возможностей терпение и умение, с очередным достижением Вас!

09:31

Спасибо!

18:05
+2

Поздравляю с очередной отличной конструкцией! Работа проделана серьезная.Совет на будущее: чтобы было видно меньше винтов на задней панели, ставить за ней фальшпанель и крепить узлы на нее.Я корпуса, ручки.ножки и  прочее делаю сам, благо есть токарный станок и приспособа для фрезерования к нему(сделал сам).

18:44

Спасибо за совет, возьму на вооружение!

20:34

nikolay002, A Фото своей фрезерной приспособы можете показать (в личку)? У меня станок 1К62

00:00
+3
09:41

Компактно ухоженно и почти все что нужно!

21:09
+1

Это вот прямо тот академический случай когда «простая схема» выливается конструкционно в «монстрика». Огромное спасибо за описание, я в искреннем восхищении.

10:51
+2

Есть еще столярная мастерская, поменьше токарный в гараже и еще несколько разных маленьких самодельных станочков.Позже выложу в разделе мастерская радиолюбителя.

09:59

Полезная спасибо информация «Мощного стабилизатора двухполярного напряжения для УМЗЧ» — А.Кузьминов, «Радио», №5, 2012, с.18-20, надо бы примеры ваших плат объединить в одну двухполярную для применения в AH-AMP1.  

10:30
+1

У меня есть рисунки плат двухполярного стабилизатора по этой схеме, который используется у меня в другом усилке, могу выслать.

11:57
+1

Все красиво, спасибо за Ваш труд!

15:37

Исправил график АЧХ цирклотрона — оказалось, что первоначально я измерил её с закрытым входом осциллографа...