Опыт сборки гибридного цирклотрона без ООС класса "А"

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 и Артёму за ценные советы. Полезная ссылка.

Измеренная амплитудно-частотная характеристика усилителя:

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:

Чувствительность по входу 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:

В качестве ламп были применены рекомендованные в статье пентоды IL861 (производства ГДР), обладающие выдающимися характеристиками, в том числе сроком службы 10000 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.

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:

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:

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).

Кстати, звучание цирклотрона станет ещё лучше (особенно в области басов), если в катодные цепи ламп на место C1 установить электролитические конденсаторы 1000 мкФ x 16В ELNA SILMIC II, шунтированные плёнкой 1 мкФ x 250В MKP Mundorf MCap.

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 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:

Для 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. 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 +188В (потенциометром R18) — в этом случае работоспособность узла сохраняется при просадке питающего напряжения сети до ~194В, что составляет примерно -11% относительно номинала ~220В.

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); напряжения BIAS1, BIAS2 на затворах транзисторов выходного каскада будут при этом составлять +2,2V (для тока 1А) и +1,4V (для тока 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 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:

Этот 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:

Разница звучания в экономичном и максимальном режиме, по-моему, небольшая, и я много раз себя ловил на том, что автоматический переход усилителя из максимального в экономичный режим (а это происходит примерно при выходной мощности менее 125 мВт при среднем положении переключателя режима) на слух почти незаметен.

Результаты измерений спектра гармоник гибридного Цирклотрона показали (использовался измерительный комплекс Шмелёва на базе ноутбука Lenovo Ideapad S10), что при выходной мощности усилителя около 1 ватт (я слушаю обычно на такой громкости) в спектре гармоник присутствует только 2-я и 3-я гармоники, и соответствующие коэффициенты гармоник Кг≈0,15% (при токе покоя ВК 0,4А) и Кг≈0,11% (при токе покоя ВК 1А) почти равны, поэтому звучание цирклотрона в этих режимах практически не различимо на слух (на рисунке ниже показан спектр при токе покоя 1А и выходной мощности 1 ватт; при токе 0,4А уровень 3-й гармоники становится чуть выше уровня 2-й):

При увеличении выходной мощности до 5 ватт коэффициент гармоник возрастает до Кг≈0,56% и Кг≈0,26% соответственно для токов покоя 0,4А и 1А (на рисунке ниже показан спектр при токе покоя 1А и выходной мощности 5 ватт):

При  выходной мощности 10 ватт коэффициенты гармоник становятся соответственно Кг≈1% и Кг≈0,48% для токов покоя 0,4А и 1А (на рисунке ниже показан спектр при токе покоя 1А и выходной мощности 10 ватт):

Очевидно, что спектр гармоник ограничен преимущественно 2-й, 3-й и 5-й гармониками.

При мощности 20 ватт коэффициент гармоник Кг≈2% независимо от тока покоя ВК (на рисунке ниже показан спектр при токе покоя 1А и выходной мощности 20 ватт):

К спектру выходного сигнала добавляются гармоники высших порядков, причём нечётные имеют больший уровень, чем чётные.

При максимальной выходной мощности 25 ватт (когда уже наступает плавное ограничение синусоиды) коэффициент гармоник Кг≈10% (изображение со спектром не сохранено).