Два цирклотрона в едином конструктивном исполнении

Рассматривается возможный вариант конструкции двух разных цирклотронов (мостовых усилителей), основанных на известных схемах. Первый цирклотрон с ООС собран по статье «Полевые транзисторы в мостовом УМЗЧ» из журнала «Радио», №9, 1986, с.38, 39, второй «безоосный» — на основе публикации "Чисто полевой 'Цирклотрон КП1'. Мощный и простой" на diyaudio.ru. Оба цирклотрона обеспечивают очень высокое качество звука, хотя и звучат немного по-разному, и могут быть собраны в относительно компактном корпусе 4307 (размерами 430x311x70мм). За счёт модульной конструкции один цирклотрон может быть «преобразован» в другой путём замены всего трёх узлов. Исходные схемы цирклотронов не претерпели принципиальных изменений, и здесь я решил лишь поделиться своим опытом их сборки и настройки, который может оказаться кому-то полезным.

Все комплектующие для сборки цирклотронов могут быть приобретены на интернет-площадке Алиэкспресс, в магазинах Чип и Дип и других, на Авито и аукционе Мешок (в части отечественных комплектующих) и т.п.

Далее в статье для краткости и определённости первый цирклотрон будет называться просто «Мостовой УМЗЧ», второй — «Цирклотрон КП1» по аналогии с названиями в соответствующих публикациях.

1. КОНСТРУКЦИЯ МОСТОВОГО УМЗЧ

Этот усилитель представляет собой цирклотрон на выходных отечественных полевых транзисторах с горизонтальной структурой КП904А или КП901А, с применением охватывающей каждое плечо ООС. За его основу взята схема, которая была опубликована в журнале «Радио», №9, 1986, с.38, 39. Обсуждение этого усилителя можно также найти на Вегалабе. В развитие этой схемы Д.Андронников разработал свой Lynx PA21.

У меня появилось желание собрать доступный для повторения в нынешних условиях цирклотрон с хорошими параметрами, ориентируясь, в первую очередь, на отечественные активные компоненты, в частности, на мощные полевые транзисторы КП904А и КП901А и ОУ 544УД2. Увы, полностью задуманное реализовать не удалось. Несмотря на то, что указанные ОУ прекрасно себя зарекомендовали в такой конструкции, как Аналоговый фильтр с германиевым выхлопом для ЦАП, в этом усилителе они меня откровенно разочаровали. Звучание усилителя хоть и получилось очень чистым, но вместе с тем и довольно «плоским», как будто бы без «воздуха». Не помогла и установка конденсаторов коррекции ёмкостью 8,2 пФ между выводами 1 и 8 ОУ для повышения скорости нарастания выходного напряжения. Я, признаться, рассчитывал на совсем другой результат.

Поэтому пришлось перейти на уникальные импортные ОУ AD744 с нестандартным включением выхода, дающие значительно лучший результат по звуку (как сделано, например, в Аналоговом фильтре на AD744+КП902А, и многих других широко известных конструкциях). В схеме, кроме отечественных ОУ 544УД2А, пробовались иностранные OPA828 и AD744 в стандартном включении. Самую большую «глубину» звуковой картины обеспечивали AD744, но при этом они давали и самое «грязное» звучание на ВЧ. С ОУ OPA828, установленными через переходники SOIC8 — DIP8, был получен промежуточный результат по сравнению с 544УД2 и AD744, и по звуку они мне тоже не понравились. Звук изменился кардинально в лучшую сторону лишь при снятии выходного сигнала с 5 контакта ОУ AD744 — появилась и чистота звука, и долгожданное «волшебство» — мягкость и объём. Других импортных ОУ у меня под рукой не было, а покупать их в нынешнее время за баснословные деньги для такой проверки совсем не было желания. 

Из широкой продажи AD744, к сожалению, практически исчезли, и их цена стала просто космической. Однако, я нашёл одного продавца на Алиэкспресс, у которого пока можно купить настоящие старые ОУ в керамическом корпусе AD744AQ, AD744BQ, AD744CQ. Цена на них, конечно, тоже не маленькая, но это лучше, чем совсем ничего (я приобрёл там в итоге уже 8 штук ОУ AD744BQ). Выходные транзисторы КП904А (2П904А) я покупал не очень дорого на Авито, транзисторы КП901А — совсем не дорого на аукционе «Мешок»; можно найти их и в других местах.

Звучание усилителя получилось очень ровное во всём диапазоне, «объёмное» и «мягкое», я бы даже сказал «бархатное». Низкие частоты мощные, «упругие», средние и высокие частоты деликатные и чистые, без каких-либо резких призвуков. Прослушивание очень комфортное, высокая детальность в звуке совершенно не напрягает.

Рассмотрим принципиальную схему УМЗЧ:

На выходы ОУ, по аналогии с Lynx PA21, я добавил дополнительные умощняющие каскады VT1..VT4. Это, по мнению Д.Андронникова «позволяет существенно снизить искажения на высоких частотах, улучшить устойчивость драйверов при работе на входную ёмкость полевых транзисторов и снижает нагрузку на верхнее плечо выходного каскада ОУ за счёт тока цепи, задающей смещение выходных транзисторов». Кроме того, при использовании ОУ AD744 в нестандартном включении применение умощняющих каскадов является необходимостью. В этом узле я сначала использовал аудио транзисторы 2SD1609C, но заметно лучших результатов по звучанию удалось достичь применением отечественных транзисторов КТ646Б с коэффициентом усиления более 300 (оказалось, что у этих транзисторов указанный параметр остаётся практически постоянным в диапазоне токов коллектора 1..20 мА, по крайней мере, у моих экземпляров, купленных на аукционе «Мешок»). Можно использовать и другие подходящие транзисторы, например 2SC2240BL.

Питание каждого канала УМЗЧ осуществляется от 4-х отдельных выпрямителей: двух выпрямителей с выходным напряжением ±22..25V для питания ОУ и двух выпрямителей ±25..30V для питания выходных каскадов (модуль питания будет рассмотрен ниже). Стабилизаторы питания ОУ расположены на плате УМЗЧ; плавная подача питания осуществляется за счёт емкостей C7, C12. «Земляная» клемма X7 на плате УМЗЧ используется исключительно в диагностических целях (контрольная точка при измерении напряжений, подключение модуля защиты акустических систем, индикатора выходного уровня, наушников для тестового прослушивания).

Известно, что отечественные полевые транзисторы могут иметь очень большой разброс параметров. Достоинством этой схемы является то, что для неё не требуется особого подбора выходных транзисторов, что достигается за счёт применения ООС. Желательно всё же проверить их начальные токи стока и крутизну и подобрать в пары транзисторы с наиболее близкими значениями. Если же подобрать транзисторы с близкими значениями начального тока стока не удастся, можно установить второй  узел VT6, R21, чтобы регулировать смещения на затворах выходных транзисторов в каждом плече отдельно. В начале я так и делал, поскольку требуемый ток покоя 150 мА для выходного транзистора одного плеча у меня достигался при напряжении на затворе +0,27V, а для другого плеча — около +1,1V. При этом, правда, возникает дополнительное неудобство — при установке тока покоя нужно контролировать мультиметром ещё и напряжения на затворах. Ток покоя плеч в этой схеме по любому получится практически одинаковым. Однако, при общей регулировке тока покоя со слишком различающимися по параметрам выходными транзисторами режимы их работы могут оказаться не оптимальными. 

При использовании в плечах раздельных цепей регулировки тока VT5, R18, VT6, R21 номиналы резисторов R16, R17 нужно уменьшить в два раза (я ставил по 560 Ом). При общей регулировке тока покоя элементы VT6, R21 не устанавливаются, и на плату дополнительно запаивается перемычка SMD типоразмера 0603 (показана на схеме красным цветом).

Так как в схеме изначально планировалось применение ОУ 544УД2, на платах сделана разводка цепей балансировки под эти ОУ. С ОУ AD744 необходимости в цепях балансировки нет (выходное смещение УМЗЧ обычно не превышает 10 мВ, а может быть ещё меньше), но их при необходимости можно ввести — на плате предусмотрены технологические перемычки к потенциометру регулировки баланса, которые можно перерезать, и выполнить требуемые соединения проводами. Также необходимо перерезать перемычку коррекции между выводами 1 и 8 ОУ. В прилагаемом архиве есть версия платы УМЗЧ с уже внесёнными изменениями под ОУ AD744, но этот вариант плат не проверялся.

В результате первоначальных экспериментов с УМЗЧ выяснилось, что он склонен к самовозбуждению, и я даже умудрился спалить один выходной транзистор КП904А. Устойчивость усилителя удалось значительно повысить добавлением небольшой ёмкости C17 в ООС инвертирующего плеча DA2 (рекомендуется увеличить эту ёмкость до 15 пФ). Кстати, установка аналогичной ёмкости в неинвертирующем плече DA1 приводит к устойчивой генерации схемы.

Экспериментально установлено что при увеличении рабочего тока умощняющих каскадов VT1..VT4 примерно до 15 мА (путём уменьшения номиналов резисторов R14, R15 до 39 Ом) устойчивость усилителя к возбуждению также возрастает.

При указанных на схеме номиналах максимальная выходная мощность усилителя составляет около 18 ватт при чувствительности 0,65V. При использовании в выходных каскадах пар транзисторов КП901А выходная мощность снизится примерно до 12,5 ватт на канал. Для домашних условий такой мощности может оказаться вполне достаточно.

При желании выходную мощность с транзисторами КП904А можно увеличить примерно до 20 Ватт, если повысить напряжение питания ОУ с ±16,5V (максимум для ОУ 544УД2) до ±18V, что достигается уменьшением номиналов резисторов R28, R30 до 180 Ом.

В случае установки в выходных каскадах по две подобранные пары транзисторов КП904А (по аналогии с КП901А) выходная мощность может быть увеличена примерно до 28..31 Ватт (при условии питания ОУ напряжением ±18V):

Ёмкость C17 лучше увеличить до 15 пФ. Для питания выходных каскадов этого варианта усилителя использован тороидальный трансформатор ТТП-200 с четырьмя обмотками, рассчитанными на ток 2А и выходное напряжение 24V каждая — на холостом ходу (при входном напряжении 230V; ток холостого хода менее 10 мА; межобмоточная ёмкость вторичных обмоток порядка 2000 пФ; размеры 112 x 43 x 56 мм; заказывался в ООО Торэл).

АЧХ мостового УМЗЧ абсолютно горизонтальная, по крайней мере до частоты 100 кГц (выше не проверялась).

За счёт применения ООС выходное сопротивление усилителя очень низкое — доли Ома. И, несмотря на то, что ограничение синусоиды при подключённой нагрузке наступает раньше, чем на холостом ходу, в режиме работы до ограничения подключение нагрузки не вызывает какого-либо заметного снижения уровня выходного сигнала.

Выходные транзисторы КП904А (или КП901А) прикручиваются к двум дюралевым пластинам размерами 14x50x100 мм, которые впоследствии могут быть прикреплены к радиаторам охлаждения или днищу усилителя:

Для усилителя со спаренными транзисторами КП904А (2П904А) размеры дюралевых пластин пришлось увеличить до 14x50x120 мм:

Плата каждого канала УМЗЧ устанавливается на четырёх стальных стойках М3x25 (М3x16 для КП901А), прикрученных к пластине, в результате получается два готовых оконечных модуля УМЗЧ:

или для 30-ваттного варианта:

Выводы выходных транзисторов соединяются с платами через многожильные провода с помощью винтовых клеммников. Изначально я припаивал провода непосредственно к выводам транзисторов: для КП904А — 18AWG, для КП901А — 26AWG. Оказалось, что припаять толстый провод к выводу довольно массивного транзистора КП904А не так просто, но вполне возможно. Гораздо труднее отпаять его в случае необходимости замены транзистора, и соединительный провод придётся, скорее всего заменить, так как многожильная «петелька» на его конце «развалится». Однако, можно использовать более удобный способ крепления проводов к выводам транзисторов КП904А через разъёмы — у меня получилось приспособить для этой цели гнездовые обжимные клеммы 2,8 мм. Порядок подготовки провода следующий:

1). Обжимаем ножевое гнездо «мама» 2,8 мм на проводе 18AWG требуемой длины (примерно 10 см):

Мне гораздо больше понравились разноцветные провода в силиконовой оболочке, они более мягкие, и их проще «уложить» без лишней механической нагрузки на контакты. Для надёжности выступающие концы жил обжатого провода желательно дополнительно пропаять, и очистить контакт от флюса.

2). Берём остроносые (можно китайские) бокорезы и аккуратно по всей длине немного разгибаем контакт их кончиками по краям:

3). Сгибаем разъём под углом 90°:

4). Изолируем термоусадкой и одеваем на выводы транзисторов:

Такие разъёмы надеваются на выводы транзисторов довольно туго, до упора в корпус, даже немного прорезая краями слой припоя на них, и держатся надёжно за счёт хороших пружинящих свойств материала контактов. По крайней мере, эти контакты всегда можно дополнительно подогнуть в нужную сторону теми же бокорезами, чтобы обеспечить надёжное соединение. Кстати, ответные ножевые части клеммников «папа» я приспособил в качестве недостающих контактов для выводов вторичек маломощного силового трансформатора ТП8-3, разогнув и подрезав их для заплавки паяльником в пласмассовый каркас.  Насчёт обжимного инструмента разговор вообще отдельный, замечу лишь, что в данном случае я использовал кремпер SN2549 (а для мелких разъёмов типа ZH 1.5, PH 2.0 и XH 2.54 держу в хозяйстве «обжимку» SN-04BM). 

Входное сопротивление усилителя невелико — всего 6 кОм. Я пытался повысить его увеличением в два раза номиналов резисторов R2..R7, однако устойчивость работы усилителя от этого заметно ухудшилась, и даже появились «нехорошие» колебательные выбросы на «полках» прямоугольного сигнала.

Для кардинального повышения входного сопротивления (например, с целью подключения высокоомного регулятора громкости) можно использовать входной буфер в виде истокового повторителя со стабилизатором тока на полевых транзисторах JFET, включённых по каскодной схеме:

За счёт применения в буфере однотипных транзисторов и протекания через них одного тока уход «нуля» на выходе схемы минимален. В буфере использованы отечественные транзисторы КП302В и КП303В (их пока ещё можно «раздобыть»). Ток покоя буфера установлен равным 2 мА, при этом обеспечивается приемлемое выходное сопротивление буфера (300..500 Ом), которое определяется крутизной передаточной характеристики транзистора VT1 (около 3 mA/V у моих экземпляров КП303В), и малый дрейф «нуля» на выходе. Вероятно, можно считать допустимым диапазон тока покоя в пределах 1..5 мА. Транзисторы VT1, VT3  типа КП302В имеют большое напряжение отсечки (до 10 вольт по документации) и обладают большим начальным током стока, при этом желательно отобрать экземпляры с током более 35..40 мА, чтобы при токе стока 2 мА напряжение между затвором и истоком у них было в пределах 3..5В — по всей видимости, это оптимальное рабочее напряжение исток-сток для «нижних» транзисторов каскодов VT2, VT4 (при меньших напряжениях ток стока последних может заметно снижаться). Транзисторы VT3, VT4 типа КП303В подбираются по начальному тока стока в пределах 2..4 мА: с одной стороны, начальный ток стока этих транзисторов должен быть не меньше требуемого тока покоя (2 мА), с другой стороны — как можно меньше, чтобы для формирования тока покоя сопротивление R3+R4 в цепи истока было минимально для снижения выходного сопротивления, так как через него проходит выходной сигнал. Так, для транзисторов КП303В с начальным током стока 2,3..2,4 мА сопротивление резисторов в цепи истока (R3+R4 или R6+R7) у меня получилось порядка 10 Ом, с начальным током стока 2,7..2,8 мА — в пределах 40..70 Ом, а с начальным током стока 3,8..4,2 мА — порядка 160..210 Ом.

Рабочий ток буфера можно увеличить примерно до 10 мА, применив в качестве VT1, VT3 транзисторы J310 или J111, а в качестве VT2, VT4 — транзисторы 2SK152-2, при этом выходное сопротивление буфера уменьшится на порядок за счёт более высокой крутизны последних (по сравнению с КП303). В этом случае буфер можно использовать отдельно, подключив к его выходу соединительный кабель.

Буфер питается от стабилизированного напряжения ±12..18В. Стабилитроны VD1, VD2 служат для ограничения общей величины питающего напряжения до 20В (это максимально допустимое напряжение затвор-сток для транзисторов КП302). Номиналы резисторов R10, R11 выбираются в зависимости от напряжения питания: чтобы излишне не нагружать стабилизаторы напряжения на плате УМЗЧ, номиналы указанных резисторов нужно взять максимально возможными, рассчитав их по формуле:

R10, R11 <= (Uвх — Uвых) / (Iраб + Iст.мин)

где Uвх — входное питающее напряжение, Uвых — выходное питающее напряжение, I раб — рабочий ток покоя, Iст.мин — минимальный ток стабилизации VD1, VD2.

Так, при Uвх=18В, Uвых=10В, Iраб=2 мА, Iст.мин=1 мА нужно установить резисторы номиналами R10=R11=2,4 кОм.

Уход «нуля» на выходах буферов с моими экземплярами транзисторов не превышает 1..2 милливольт. Для улучшения температурной стабильности значения начальных токов стока однотипных полевых транзисторов верхнего и нижнего плеч по возможности должны быть близки. Следует учитывать, что появление любой «постоянки» на входе УМЗЧ приводит к смещению на его выходе, в 20 раз большему. По этой причине как в схеме УМЗЧ, так и в схеме входного буфера, предусмотрен необязательный входной разделительный конденсатор C1, полезный при отладке и в других случаях, который в обычном режиме прослушивания может (и должен) быть закорочен перемычкой J1.

Платы входных буферов размерами 32x32 мм располагаются вблизи от входных гнёзд (или рядом с регулятором громкости, если он используется), а питание на них поступает прямо с плат УМЗЧ (вместе с экранированным сигнальным проводом).

На плате буфера предусмотрено три перемычки:

• J1 (жёлтая на фото) — закорачивает входной разделительный конденсатор;
• J2 (красная на фото) — перестановка перемычки позволяет переключать входной сигнал напрямую, минуя входной буфер (на фото — буфер включён);
• J3 (синяя на фото) или J4 — служит для установки тока покоя и балансировки схемы.

При настройке буфера сначала проверяются питающие напряжения ±10В, затем к контактам J3 подключается милливольтметр, а контакты J4 закорачиваются перемычкой. Подстроечным резистором R4 устанавливается ток покоя 2 мА, при этом напряжение на контактах J3 должно быть 2 мВ. После этого перемычка переставляется на контакты J3, а милливольтметр подключается к контактам J4. Далее подстроечным резистором R7 устанавливается «ноль» на выходе, т.е. выполняется балансировка схемы. Нормальное положение перемычки J3 при работе — замкнутое (как на фото), J4 — разомкнутое.

Ранее мной пробовались различные варианты входного буфера с повторителями на транзисторах JFET без каскодного включения (на отдельных транзисторах 2П303Г, на сборках 504НТ3А) — все они показали неплохие результаты по термостабильности, но добавляли к звучанию небольшую, но всё-таки заметную «грязь». Описанный буфер с каскодным включением JFET полностью лишён этого недостатка — звучание с ним остаётся абсолютно «чистым» и «свободным». При использовании входного буфера соотношение сигнал/шум может немного ухудшиться, однако это станет слышно на наушники или очень чувствительную акустику.

Для защиты акустических систем от постоянного напряжения в случае аварии предусмотрен специальный модуль, конструктивно совмещённый на одной плате с узлом "мягкого" старта, обеспечивающим плавный пуск выходных каскадов при включении. Этот модуль защиты подходит для любого из описываемых цирклотронов:

Узел защиты акустических систем обладает довольно высокой чувствительностью: защита срабатывает уже при появлении между выходами цирклотрона постоянного напряжения более ±2V. Также она срабатывает при появлении на любом из выходов УМЗЧ постоянного напряжения более ±1.5V относительно земли (с показанной на схеме доработкой для повышения чувствительности). Считаю, что указанный контроль напряжений на выходах цирклотрона относительно земли повышает надёжность конструкции. В принципе, такую возможность можно отключить, если не подсоединять земли каналов от плат УМЗЧ к клеммам X1, X10 модуля защиты.

Защита акустических систем имеет триггерный узел — при его срабатывании акустические системы отключаются до обесточивания усилителя и его повторного включения через некоторое время. При этом, если с выходными каскадами УМЗЧ ничего не случилось, нужно некоторое время для того, чтобы разрядились ёмкости C1..C4, иначе защита не отключится (не поможет даже замыкание перемычки X14 «Reset»). Для этого может потребоваться до нескольких минут. Такая возможность реализована специально для обеспечения полной безопасности акустических систем. Триггерную функцию можно отключить, просто закоротив указанную перемычку. В этом случае нужно учитывать, что никакой задержки на отключение защиты после её срабатывания нет, поэтому, например, если постоянное напряжение на выходе УМЗЧ будет постоянно колебаться вокруг пороговой величины, реле начнёт трещать. Такие случаи были в процессе настройки. В нормально работающем усилителе триггерную защиту можно не отключать, так как случаев её ложного срабатывания зафиксировано не было.

Модуль защиты обеспечивает задержку подключения акустических систем при подаче питания (цепь R14, R15, C6) и быстрого отключения после снятия питания (элементы VD1, VD4, R19, C9). Работу узла «мягкого» старта обеспечивают элементы R20, R21, C7.

Модуль собран из доступных деталей на плате размерами 100x100 мм:

Для трансформатора Tr1 и мощного резистора R24 в качестве защиты от перегрева предусмотрена установка термостатов (термопредохранителей) на размыкание. Наверное, от этих элементов можно смело отказаться.

Питание модуля защиты +24VDC через разъём X15 может быть опционально использовано для питания узла индикации, в котором для отображения состояния акустических систем используется гальванически развязанный сигнал X16 "/Ready" (с активным низким уровнем). Есть опыт подключения к мостовому УМЗЧ индикатора пикового уровня на OLED индикаторе 4002, который также может отображать сигнал аварии при срабатывании защиты акустических систем.

Можно использовать простейший узел индикации на двухцветном светодиоде:

Я решил сделать более «интеллектуальный» вариант на микроконтроллере:

Его основное отличие состоит в использовании режима мигания светодиода, причём сразу после включения начинает медленно мигать синий светодиод, ожидая «прогрева» — подключения динамиков после начальной задержки, в нормальном режиме синий светодиод горит постоянно, а красный начинает часто мигать в случае аварии. Узел индикации собран на печатной плате размерами 40x27 мм, изготовленной методом ЛУТ:

Узлы индикации на светодиодах потребляют малый ток, и могут продолжать «светиться» некоторое время после отключения питания. Чтобы этого не происходило, на плате модуля защиты предусмотрено подключения резистора R25 к положительной обкладке конденсатора C9, а не C8.

Схема питания конструктивно выполнена в виде 3-х плат: одна общая плата выпрямителей для питания предварительных каскадов на ОУ и две платы выпрямителей для питания выходного каскада каждого канала:

На схеме показано, как отдельные питающие узлы подключаются через модуль защиты и «мягкого» старта. Входное сетевое питающее напряжение подаётся через плату сетевого фильтра, совмещённого с узлом устранения постоянной составляющей в питающей сети. Ёмкости конденсаторов C1 и C2 оказывают влияние на звук: при недостаточных величинах номиналов в звуке будет слышна «грязь», а при их чрезмерном увеличении звучание может показаться слишком «гладким», не «сочным». Поэтому существуют некоторые оптимальные значения указанных емкостей, и их можно подобрать на свой вкус. Так, в Цирклотроне КП1 мне пришлось увеличить номиналы этих конденсаторов.

Питание выпрямителей для ОУ осуществляется 7-ваттным трансформатором ТП8-3 с перемотанными вторичными обмотками (я мотал обмотки сразу в 4 провода). Конечно, можно применить любой подходящий трансформатор мощностью порядка 5 ватт, например, тороидальный. С помощью подбора номиналов R1..R4, R9..R24 можно в небольших пределах корректировать выходные напряжения выпрямителей под нагрузкой. Конденсаторы C5..C12 совместно с резисторами R17..R24 образуют дополнительные фильтры по переменному току в цепях вторичных обмоток трансформатора. Разумеется, эти конденсаторы можно не ставить, или поставить меньшего номинала, или предусмотреть установку вместо них цепей Цобеля, соответствующим образом изменив рисунок печатной платы. При прослушивании в своё время Цирклотрона КП1 я обратил внимание, что с емкостями C5..C12 по 1 мкФ звук стал чище, чем с емкостями по 0,1 мкФ, а влияние цепей Цобеля на звук я вообще не заметил, поэтому и оставил вариант, который понравился больше всего. Думаю, что этот вопрос не настолько принципиальный, и каждый может сделать так, как ему больше нравится. Модуль выпрямителей для ОУ собран на печатной плате размерами 100x100 мм, изготовленной методом ЛУТ:

Термостат для защиты силового трансформатора от перегрева можно не ставить — в процессе эксплуатации трансформатор хоть и нагревается, но не очень сильно.

Для питания выпрямителей выходных каскадов используется тороидальный трансформатор ТТП-120, заказанный в ООО «Торэл»  с напряжениями холостого хода на четырёх вторичных обмотках по 23VAC при токе 1,25А, и током холостого хода менее 7 мА. Размеры трансформатора 107 x 35 x 43 (D x d x h). Ёмкость между всеми вторичными обмотками получилась по 1800 пФ. Никаких дополнительных особенностей типа экранирующих обмоток в трансформаторе не предусмотрено, и с этим трансформатором превосходно работают оба цирклотрона. Известно, что межобмоточные ёмкости в силовом трансформаторе для цирклотрона должны быть минимальны, и это понятно, так как они прикладываются фактически параллельно нагрузке. А большая ли это ёмкость — 1800 пФ? На частоте 100 кГц такая ёмкость имеет реактивное сопротивление 884 Ом и на работу усилителя практически не влияет. Проверка показала, что при подаче прямоугольного сигнала при работе на 8-омную нагрузку подключение параллельно нагрузке дополнительного конденсатора ёмкостью 1500 пФ  практически никакого влияния на форму сигнала не оказывает, в том числе незаметно и на слух. Из чего я сделал вывод, что межобмоточная ёмкость 1800 пФ силового трансформатора для питания цирклотрона вполне приемлема.

Так как модули усилителей расположены внутри корпуса недалеко от мощного силового трансформатора (см. самое первое фото в статье), я решил его заэкранировать.

Схемы выпрямителей для выходных каскадов собраны на платах размерами 100x50 мм, изготовленных методом ЛУТ:

Следует заметить, что Мостовой УМЗЧ менее чувствителен к пульсациям сети переменного тока, чем Цирклотрон КП1. Так, при подключении к его выходу наушников (к одноимённым клеммам SPK каналов и земле) ни шумов, ни фона практически не слышно. В Цирклотроне КП1 при работе на наушники фон переменного тока может быть чуть заметнее, поэтому в выпрямителях для питания ВК ёмкости конденсаторов фильтров желательно поставить большего номинала (22000 мкФ). При подключении акустических систем с чувствительностью 92 дБ помех не слышно ни с одним из описываемых цирклотронов.

Очень хороший по звуку результат получился с конденсаторами Yageo LG 10000 мкФ x 35В (LG035M10K0BPF-2545), однако купить их сейчас практически невозможно, зато в продаже пока есть «электролиты» Yageo LG 10000 мкФ x 63В (LG063M10K0BPF-3550), но они имеют диаметр 35мм. Для их использования с сохранением прежних размеров плат 100x50 мм пришлось применить сдвоенные диоды Шоттки в пластиковом корпусе TO-220F с общими катодами и с общими анодами:

Выпрямительные диоды можно также расположить горизонтально, прикрутив их к основанию и припаяв выводы снизу плат (при этом платы нужно крепить на высоте 8 мм от основания), но в таком варианте габаритные размеры конструкции плат по ширине получатся больше.

Также на удивление хорошее звучание было получено с конденсаторами ELNA for Audio ёмкостью 10000 мкф x 50V.

Вид на монтаж 30-ваттного варианта мостового УМЗЧ в корпусе размерами 430x120x312 мм с индикатором OLED2004 для отображения выходного пикового уровня и состояния защиты динамиков:

В заключение по мостовому УМЗЧ — несколько слов о подборе выходных транзисторов КП904А (КП901А). Я собрал небольшой стенд с использованием лабораторного блока питания:

Для снятия проходных характеристик имеющихся у меня в наличии транзисторов КП904А и КП901А я изменял напряжение на затворе с шагом 0,25V и измерял соответствующий ток стока с записью значений в таблицу. Особенностью указанных полевых транзисторов является наличие начального тока стока, когда при нулевом напряжении на затворе через транзистор протекает некоторый ток, что, в общем-то, не характерно для MOSFET. Интересен тот факт, что транзистор может быть всё-таки практически полностью закрыт при подаче на затвор отрицательного смещения. Полученные результаты я занёс в таблицы Excel, и на их основе построил графики вольт-амперных характеристик транзисторов. Файлы этих таблиц с графиками я приложил к статье. А здесь приведу только графики:

Из приведённых графиков видно, что характеристики транзисторов пологие и довольно линейные. Крутизна отличается немного, и составляет для транзисторов КП904А примерно 140..170 мА/В при токе около 100 мА, а для транзисторов КП901А — примерно 60..75 мА/В при токе около 50 мА.

В результате из 5 транзисторов КП904А я выбрал в пары N4, N5 (левый канал) и N3, N2 (правый канал). Из 12 транзисторов КП901А я выбрал 4 пары: N4+N9, N6+N10 (левый канал), N5+N11, N6+N12 (правый канал). 

По результатам анализа графиков я пришёл к выводу, что при питании транзистора выходного каскада КП904А постоянным напряжением 25..30 В при токе стока 150 мА напряжение между его истоком и затвором должно быть таким же, как на приведённых графиках при токе 90..110 мА, и может находиться в диапазоне примерно +0,25..+1,2В. Это наблюдение может оказаться полезным при раздельной регулировке токов покоя в плечах УМЗЧ. Для транзисторов КП901А требуемое напряжение на затворе может находиться в диапазоне примерно +1..+1,8В, при этом суммарный ток покоя через оба транзистора плеча должен устанавливаться на уровне 300 мА, так как при меньшем токе падает выходная мощность. 

Ниже представлены результаты измерений спектра гармоник мостового УМЗЧ с максимальной выходной мощностью 30 ватт (использовался измерительный комплекс Шмелёва на базе ноутбука Lenovo Ideapad S10); ёмкость C17=15пФ.

Спектр выходного сигнала УМЗЧ при выходной мощности 1 ватт (Кг≈0,03%, что примерно соответствует уровню собственных искажений и шумов измерительного комплекса):

Спектр выходного сигнала УМЗЧ при выходной мощности 5 ватт (Кг≈0,1%):

Спектр выходного сигнала УМЗЧ при выходной мощности 10 ватт (Кг≈0,2%):

Спектр выходного сигнала УМЗЧ при выходной мощности 20 ватт (Кг≈0,6%):

Спектр выходного сигнала УМЗЧ при выходной мощности 30ватт (Кг≈1,2%):

2. КОНСТРУКЦИЯ ЦИРКЛОТРОНА КП1

Конструкция «безоосного» Цирклотрона КП1 подробно рассмотрена на сайте diyaudio.ru. Здесь подробно опишу свой вариант конструкции Цирклотрона КП1, используя материалы с указанного сайта. Описание первоначальной версии Цирклотрона КП можно найти на сайте devicemusic.ucoz.ru.

Все транзисторы в этом цирклотроне, кроме выходных — полевые JFET в каскодном включении. Выходные транзисторы — полевые MOSFET, причём можно использовать обычные с вертикальной структурой и пороговым напряжением на затворе +3..+4V. Такой вариант на транзисторах IRFP240 поначалу собирал и я. Но через некоторое время понял, что долго слушать его надоедает, так как, несмотря на чрезвычайно высокую детальность, звук на ВЧ довольно «колючий», как бы «стеклянный». Поэтому было решено попробовать на выходе латералы 2SK1058, и они действительно позволили получить совершенно другой, «мягкий» и «живой» звук. Правда, следует заметить, что качество звучания этого усилителя очень сильно зависит от используемых компонентов (включая, электролитические конденсаторы в питании выходных каскадов — если они недостаточно хороши, то все усилия буквально пойдут насмарку). В этом цирклотроне пробовались также отечественные выходные транзисторы с горизонтальной структурой 2П904А, и даже были подобраны две пары с близкими параметрами. Однако звучание Цирклотрона КП1 в таком варианте мне не очень понравилось — как-то сразу уменьшилась «воздушность» звучания, появились грубые оттенки, и из-за низкой крутизны этих транзисторов возросло выходное сопротивление. Поэтому применение в этом цирклотроне пока ещё доступных латералов 2SK1058 считаю безальтернативным (исключая ещё более дефицитные SIT), и дальнейшее рассмотрение схемы здесь будет продолжено именно для них.

Следует сразу заметить, что сборка этого цирклотрона гораздо труднее из-за дефицитности и необходимости жёсткого отбора полевых транзисторов JFET для драйвера, и настройка тоже сложнее. Но полученный результат может превзойти все ожидания. Это по-настоящему детальный, живой и «воздушный» звук с потрясающей локализацией инструментов и по горизонтали, и по вертикали, и по глубине сцены. Такое ощущение, что инструменты и исполнители так и норовят «вылезти» наружу. Не знаю, может быть этому цирклотрону присуща какая-то жанровость, я не умею этого определять. Слушаю в основном композиции в стиле джаз. Вообще мне нравится всё, что он воспроизводит! Потому что полевые транзисторы JFET — это фактически лампы.

Отечественные полевые транзисторы JFET КП303В, КП302Б, КП103М1, сборки КР504НТ2В нужно искать на Авито, аукционе Мешок, у радиолюбителей, на барахолках. Возможна их замена на импортные (указаны на схеме), но они могут оказаться ещё более дефицитными. Транзисторы J111можно купить в Чип и Дип. Латералы 2SK1058 пока можно купить в магазинах PL-1 и Отрон.

Желательно, чтобы сборки VT3, VT4 типа КР504НТ2В были из одной партии, и их нужно подобрать в пары с близкими параметрами, так как от их крутизны зависит усиление канала. Я пробовал ставить сборки 504НТ3А с начальным током стока около 2 мА, все нужные режимы установились, с ними чувствительность получилась 0,35В, но максимальный размах выходного напряжения получился меньше, чем надо.

У транзисторов VT5, VT6 (КП103М, 2SJ103BL) при рабочем токе стока около 0,35 мА оптимальное напряжение между затвором и истоком должно быть примерно в пределах 2,9..3,3V — оно определяет напряжение на транзисторах сборки VT3, VT4. При меньшем напряжении может снизиться усиление, а при большем — максимальная амплитуда выходного сигнала. Поэтому необходим отбор и подбор транзисторов, и, пожалуй, это самый сложный этап сборки. Лучше всего подобрать транзисторы в пары с наиболее близкими значениями как по начальному тока стока, так и по напряжениям между затвором и истоком при токе стока 0,35 мА. Для транзисторов КП103М указанное условие достигается обычно при начальных токах стока 6..9 мА, у транзисторов 2SJ103BL — при начальных токах стока 10..12 мА. 

Для подбора транзисторов VT5 и VT6 я использовал простой стенд:

Аналогичный способ для измерения начальных токов стока применяется для транзисторов сборки VT3, VT4, а также (при измерении полярности напряжений и приборов) — для транзисторов VT1, VT2, VT7..VT12.

Начальные токи стока транзисторов VT7..VT12 (J111) я измерял при питающем напряжении 3,3V, и после этого расположил все измеренные транзисторы (12 штук для двух каналов) по возрастанию начального тока стока (обычно он находится в пределах 80..100 мА). Далее последовательно разбил эти транзисторы на 3 группы по «четвёркам»: {VT7лк+VT7пк+VT10лк+VT10пк}, {VT8лк+VT8пк+VT11лк+VT11пк}, {VT9лк+VT9пк+VT12лк+VT12пк).

Даже если транзисторы из одной партии, то желательно всё-таки сделать такой подбор, иначе при прогреве усилителя может получиться бо́льше дрейф режимов по постоянному току, в частности, тока покоя и «нуля» на выходе.

Кстати, китайские универсальные приборы для измерения параметров полевых транзисторов обычно показывают неправильные результаты, а транзисторы J111 вообще могут идентифицировать как два диода. 

Отдельно хотелось бы остановиться на особенностях транзисторов КП103М1. Пластмассовый корпус у моих экземпляров транзисторов оказался очень «хилым» (возможно, от долгого хранения), и при некотором усилии на выводы они могут разболтаться и оторваться от кристалла внутри. Мне уже пришлось выбросить 4 таких транзистора с подходящими параметрами (отвалились контакты стока). Поэтому выводы этих транзисторов нужно постараться не гнуть, особенно у основания, и не прикладывать к ним вообще никаких усилий. Лужение выводов лучше проводить с использованием пинцета для отвода тепла.

При использовании транзисторов КП103М в металле необходимо изолировать их корпуса термоусадочной трубкой.

Подробное описание порядка настройки цирклотрона приведено на принципиальной схеме. Можно добавить, что усиление каналов можно выровнять в небольших пределах регулировкой потенциометра R3, при этом следует учитывать, что эта настройка влияет на ток покоя. Могут потребоваться многократные поэтапные регулировки всех потенциометров, пока не будут достигнуты требуемые режимы в обоих каналах цирклотрона.

На вход усилителя добавлен RC-фильтр R1, C1 с частотой среза около 330 кГц. Дело в том, что у этого усилителя наблюдается незначительный подъём АЧХ +1дБ на частотах около 100 кГц. На слух это воспринимается как некоторый избыток ВЧ. С указанным фильтром неравномерность АЧХ в области 100 кГц уменьшилась до +0,5 дБ, и прослушивание стало более комфортным:

Выходное сопротивление Цирклотрона КП1 получилось примерно 2,5 Ом. Низкие частоты у него не такие упругие и выраженные, как у Мостового УМЗЧ, но, на мой слух, вполне приемлемые. Выходная мощность — около 20 Ватт при входной чувствительности порядка 0,9..1,1V.

Стабилизатор верхнего плеча питания драйвера +16V должен иметь задержку при включении, что обеспечивает конденсатор C7. Диод VD1 включён не по даташиту и предназначен для ускорения разряда конденсатора C7 после выключения питания (разряд происходит через резисторы нагрузки соответствующего выпрямителя). Нижнее плечо -32V должно включаться максимально быстро, поэтому ёмкость конденсатора C12 мала (лучше, наверное, его вообще не ставить), так как величина этого напряжения определяет ток покоя выходного каскада: для латералов 2SK1058 при токе покоя 150 мА напряжение на затворе должно быть около +0,9V, и напряжение нижнего плеча при этом может быть около -34V..-35V. Ни при каких условиях не должно случиться так, что напряжение верхнего плеча подано, а нижнего — нет. Стабилитрон VD3 защищает микросхему стабилизатора DA2 от превышения максимально допустимого входного напряжения. Если напряжение на входе микросхемы больше 40V, для повышения надёжности лучше вообще отказаться от конденсатора C12, чтобы в момент включения, когда конденсатор разряжен, напряжение между выводами 1 и 3 также не превысило допустимое, или включить между указанными выводами ещё один защитный стабилитрон — для него на плате предусмотрено место.

Первоначально при настройке Цирклотрона КП1 устанавливался ток покоя ВК около 150 мА, но по результатам испытаний выяснилось, что при увеличении этого тока до 300..400 мА коэффициент гармоник снижается, и звучание становится лучше.

Платы усилителей имеют размеры 80x50 мм. Для установки выходных транзисторов 2SK1058 могут быть использованы такие же дюралевые пластины, как и для Мостового УМЗЧ. В этом случае установочные размеры модулей обоих цирклотронов будут совпадать, и они станут взаимозаменяемы. А можно прикрутить выходные транзисторы и непосредственно к радиатору. Перед подключением к плате выводы транзисторов 2SK1058 нужно согнуть; для прикручивания транзисторов к радиатору в плате предусмотрены 2 сквозных отверстия под отвёртку. Если выводы транзисторов будут запаиваться непосредственно в отверстия на плату, то последняя должна крепиться к радиатору на стальных стойках М3x14:

Но оказалось гораздо удобнее закреплять выводы выходных транзисторов с помощью углового винтового клеммника, запаянного на плату, в этом случае длина стальных стоек М3 должна быть увеличена до 18мм:

Теперь при откручивании платы не потребуется снимать с радиатора выходные транзисторы!

Готовый модуль Цирклотрона КП1 в сборе:

На плате цирклотрона предусмотрены контрольные точки КТ1, КТ2, КТ3, КТ4 для измерения падения напряжения на резисторах R9, R12 при установке тока покоя. Мне удобнее проводить эту операцию с использованием щупов мультиметра в виде крючков с зажимами, которые «цепляются» к штырькам типа PLS-2. Для кого-то окажется, что лучше на эти места ничего не запаивать, оставив пустыми отверстия для щупов мультиметра. В случае использования штырьков их можно будет закоротить обычной перемычкой после установки тока покоя выходного каскада, чтобы исключить влияние низкоомных резисторов на прохождение сигнала.

Схему узла защиты акустических систем и «мягкого» старта здесь приводить не буду, так как она полностью повторяет уже описанный ранее модуль:

Схема выпрямителей для питания драйвера аналогична соответствующему узлу для Мостового УМЗЧ, только напряжения на выходах под нагрузкой должны быть +22..25V и -40..43V:

Плата имеет размеры 100x100 мм:

Платы выпрямителей для ВК размерами 100x50 мм практически ничем не отличаются от аналогичных для мостового УМЗЧ:

Следует учитывать, что на звук, кроме всего прочего, очень заметное влияние оказывает тип применённых электролитических конденсаторов C1..C4 в фильтрах питания выходных каскадов. В своей предыдущей конструкции Цирклотрона КП1 (собранной на других платах и в корпусе большего размера) я использовал 4 конденсатора Kendeil K05 номиналами по 15000 мкФ x 50В (раньше можно было купить на eBay), к каждому из которых на платах собственно усилителя в параллель включалось ещё по два конденсатора Yamaha Nippon 5600 мкФ x 50В. В настоящей конструкции я пробовал ставить электролитические конденсаторы JCCON (обычные) и Nichicon FW (аудио), но приемлемого звука с ними не получилось. Очень хорошего «звучания», на мой слух, удалось достичь применением в каждом плече питания конденсатора Yageo LG 10000 мкФ x 35В (63В), шунтированного конденсатором Yamaha Nippon 5600 мкФ x 50В.

Не рекомендуется использовать для шунтирования электролитов, например, полиэтилентерефталатную плёнку типа Wima MKS2 0,1 мкФ, и тем более керамику NP0 (C0G). На платах выпрямителей для ВК снизу предусмотрены посадочные места под SMD плёночные конденсаторы C5..C8 с диэлектриком PPS, например, ECHU1H473JX5 или ECHU1H104JX5; я их не ставил, но можно поэкспериментировать.

Трансформатор питания ТТП-120 для Цирклотрона КП1 я заказал с 4 обмотками по 23V (на холостом ходу) и максимальным током 1,4А:

Вид на монтаж Цирклотрона КП1:

Вид моей первой конструкции Цирклотрона КП1 с индикатором выходной мощности на люминесцентном индикаторе:

Результаты измерений спектра гармоник этого экземпляра Цирклотрона КП1 показали (использовался измерительный комплекс Шмелёва на базе ноутбука Lenovo Ideapad S10 с уровнем собственных гармоник звуковой карты до -90 дБ), что при выходной мощности усилителя около 2 ватт (с большей громкостью я обычно не слушаю) спектр гармоник — спадающий, в основном до 5 гармоники, с коэффициентом гармоник Кг≈2%:

При увеличении выходной мощности до 10 ватт добавляются гармоники высших порядков с возрастанием Кг≈5%:

Примерно так же выглядит спектр гармоник при максимальной мощности 20 ватт, но уровень 3-й гармоники при этом становится чуть выше уровня 2-й, при Кг≈6,5%.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрен возможный вариант компактной конструкции двух разных схем цирклотрона. Корпус цирклотрона можно сделать выше и у́же, в этом случае платы модуля защиты и питания драйвера можно расположить в два «этажа», одну над другой. Можно применить два тороидальных силовых трансформатора, разместив их «в столбик». Или расположить трансформаторы отдельно, а указанные платы закрепить на длинных стойках над каждым из трансформаторов. Кстати, при использовании двух трансформаторов можно включить их вторичные обмотки так, чтобы питание плеч выходного каскада каждого канала снималось с обмоток разных трансформаторов, в этом случае ёмкость между обмотками для плеч получится значительно меньше.

Оба цирклотрона обеспечивают превосходное качество звучания, но его восприятие, естественно, различно из-за разных принципов построения схем, а также из-за влияния музыкальных предпочтений каждого слушателя. Мне больше нравятся безоосные схемы, но они более требовательны к используемым компонентам. Схемы с ООС, наверное, способны обеспечить более «честный», «правильный» звук, проблема лишь в том, что не всегда используемые компоненты звукового тракта могут такой звук обеспечить :) И главное, чтобы звучание нравилось!

Полезной особенностью цирклотронов является их нечувствительность к короткому замыканию выхода. Правда, этот факт я реально проверял только на гибридном цирклотроне с латералами 2SK1058 на выходе. И ещё: при закрытии одного плеча выходного каскада цирклотрона, например, при пропадании его питания, второе само закрывается.

В архивных вложениях приведены схемы всех узлов, рисунки всех печатных плат в формате Sprint Layout (вместе с гербер-файлами для плат, которые не могут быть изготовлены методом ЛУТ), и прочие материалы. Некоторые файлы доступны в приватных вложениях только для зарегистрированных пользователей.