Buizenversterkers
Principeschakeling van een circlotronschakeling
Circlotron

De circlotron eindtrap heeft een relatief lage uitwenige weerstand. Het is een verbeterde emittervolgerschakeling.
-

-

1

1a

1b

2

2a

Gemeenschappelijke anodeschakeling - cathodevolger

De circlotronschakeling is gebaseerd op de cathodevolgerschakeling. Een dergelijke schakeling heeft doorgaans een lage inwendige weerstand, en dit fenomeen kan men nog versterken door speciale lijnbuizen te gebruiken.

De normale emittervolgerschakeling op zich heeft geen al te goede eigenschappen:

  • De White emittervolger is een verbetering op de basisschakeling en wordt bijvoorbeeld gebruikt om een signaal langs een lange kabel te sturen.
  • De series regulated push pull is een andere oplossing en wordt gebruikt om hoogohmige luidsprekers aan te sturen.

Zoals alle emittervolgerschakelingen is de uitgangsimpedantie van de vermogenbuis relatief laag, waardoor men een transfo kan gebruiken met een lagere spanningsverhouding. De transfo kan minder wikkelingen hebben, zijn zelfinduktie is daardoor lager, waardoor de versterker gemakkelijker hoge frekwenties kan versterken.

Principe van de circlotron

Zie figuur 1: de circlotron heeft twee zwevende hoogspanningsvoedingen nodig en ook een negatieve voorspanning (negatieve polarisatie van de eindtrappen). De negatieve roostervoorspanning kan men eventueel opwekken met een ontkoppelde cathodeweerstand.

Veronderstellen we een extreem geval waarbij één van de buizen afgeknepen is de de andere in geleiding, we hebben de situatie 1a of 1b. We merken reeds volgende eigenschappen:

  • De voedingen leveren om beurt vermogen en kunnen dus voorzien zijn voor de helft van het maximaal vermogen.
  • De primaire spoel van de uitgangstransfo wordt altijd in zijn geheel gebruikt. Er loopt enkel een wisselspanning door de wikkeling, er is geen gelijkspanning (zie nota's lager).
  • De middenaftakking dient enkel als referentie om de gehele schakeling aan de massa te houden. Er loopt geen stroom door deze leiding en er bestaan schakelingen waarbij er geen middenaftakking nodig is.
Indien een outputtransformator van een normale push pull versterker een impedantie van 2 × 2.4kΩ moet hebben, kan men hier een transfo gebruiken met een impedantie van 800Ω. De transformatieverhouding kan lager zijn (minder wikkelingen). Omdat er geen gelijkstroom door de wikkelingen loopt kunnen de wikkelingen uit fijnere draad gemaakt worden.

Als outputtranformator kan men dus gerust een 100V lijntransfo gebruiken. Deze transformatoren zijn gemakkelijk te vinden omdat ze in public address (PA) versterkers gebruikt worden.

Maar een circlotron is meer dan gewoon een vermogenstrap.

Schema met pentodes

De schakeling 2 toont ons een typische circlotron vermogenstrap. Er zijn drie voedingen nodig: twee volledig gescheiden hoogspanningsvoedingen en een polarisatievoeding. Dit is de bekende "C" batterij die men in radios van voor de tweede wereldoorlog gebruikte. Deze C-voeding moet geen vermogen leveren, maar het kan nuttig zijn dat die instelbaar is (zowel de globale negatieve spanning als het verschil tussen de twee uitgangen).

Als eindtrappen gebruiken we pentodes die een hogere versterking hebben. Een triode is hier niet op zijn plaats: triodes hebben een lagere versterking (de cathode volgt minder goed de roosterspanning). Er zijn bepaalde schakelingen waar triodes gebruikt kunnen worden (ze hebben een lagere vervorming dan pentodes), maar hier kan men geen gebruik maken van deze eigenschap. Een cathodevolger geeft op zich al een lage vervorming, en een triode gebruiken brengt geen voordelen.

We hebben dus twee pentodes, maar waar moet men g2 aansluiten (schermrooster)? Het schermrooster van buis 1 wordt aangesloten op de positieve voeding van buis 2. Dit is ongewoon, maar vanzelfsprekend als je de uitleg volgt.

  • Wordt g2 aangesloten op de voedingsspanning van de eigen buis (V1 met B1), dan bekomt men een pentode in triodeschakeling, iets dat we hier willen vermijden.
  • Wordt g2 aangesloten op de voeding van de andere buis, dan komt het signal overeen met het signaal op de cathode van de eigen buis (met een gelijkspanningsverschuiving).
De schermroosterweerstand heeft een normale waarde van 100Ω tot 1kΩ. Dit is een stopweerstand die in nagenoeg alle buizenversterkers gebruikt wordt (onderdrukken van de hoogfrekwente parasitaire oscillaties).

Bepaalde outputbuizen, en dan vooral de buizen die oorspronkelijk in lijneindtrappen van televisies gebruikt werden, hebben baat met een lagere g2 spanning. De hoogspanningsvoeding kan een lagere voeding leveren via een extra weerstand en condensator (de stopweerstand mag men niet vergeten), dit is de schakeling 2a.

Stuurschakeling

Met de drivertrap erbij hebben we een bijna volledige schakeling. We hebben één extra buis nodig (12AX7 = ECC83) om de eindtrappen aan te sturen. Een cathodevolgerschakeling heeft een hoge ingangsweerstand en men mag een voorversterkerbuis zoals de ECC83 gebruiken, zelfs om zware lijneindtrappen te sturen (PL509/PL519). De ECC83 heeft een hoge versterking die goed van pas zal komen omdat we een lokale tegenkoppeling gaan toepassen.

Bij een normale lokale tegenkoppeling wordt de anode van de eintrap verbonden met de cathode van de stuurtrap. Beide buizen defaseren het signaal van 180°. Hier hebben we slechts één buis die het signaal defaseert (de drivertrap). De tegenkoppeling moet dus naar de andere buis gestuurd worden. Men had ook de tegenkoppeling op het rooster kunnen laten toekomen, maar daardoor zou de inwendige weerstand van de schakeling te laag geworden zijn.

Met de aangegeven waarden in de schakeling heeft men een versterking van 10×. De fase-omkeertrap moet dus een redelijk sterk signaal kunnen leveren. Het voordeel van een sterke tegenkoppeling is dat de demping uitstekend zal zijn.

De schakeling gebruikt ook een bootstrap (zoals alle circlotrons). De anodeweerstand van de drivertrap is niet verbonden met een vaste hoogspanning, maar met de voedingsspanning van de andere eindtrap. Daardoor lijkt het alsof de anodeweerstand een bijna oneindige waarde heeft (voor de wisselspanning). De spanningsverstreking van de drivertrap komt daardoor heel dicht in de buurt van de theoretische versterking van de buis (µ = 100 voor een ECC83). Ook de roosterweertand van de outputbuis is ontkoppeld (dit wordt vaak gedaan bij cathodevolgers).

Opgelet, de buizen EL34 zijn hier niet echt op hun plaats bij een dergelijke schakeling. Dit zijn buizen die op een hoge spanning werken bij een lage stroom, terwijl een circlotronschakeling beter met EL509 buizen zou werken.

Fase omkeertrap

We moeten het nog even hebben over de fase-omkeertrap. Omdat we met deze schakeling een signaal met een hoge amplitude (tweemaal 20V) moeten hebben is een Williamsonschakeling aangeraden (zie figuur rechts).

Indien men een lagere lokale tegenkoppeling gebruikt is een eenvoudige cathodyne (met 2 triodes, zonder het groene deel) of een mullardschakeling (3 triodes) ook mogelijk.

Zoals bij alle schakelingen met buizen kan het nodig zijn bepaalde weerstanden aan te passen aan de eigenschappen van de buizen. Dit zijn de spanningen die bereikt moeten worden voor een voedingsspanning van + 300V:

  • Anode 1: 95V
  • Cathode 2: 90V, anode 2: 210V
  • Anode 3 en 4: 150V
Indien deze waarden niet gehaald worden (met een ruime tolerantie van 20%), dan moet de cathodeweerstand van de eerste triode aangepast worden (instelling van de triode 1 en 2), en/of de gemeenschappelijke cathodeweerstand van triode 3 en 4.

De voorversterker heeft een onafhankelijke voeding nodig. Dit is aangeraden zodat de voortrap op een hogere spanning dan de circlotron kan werken. De referentie van de voeding van de voortrap is de massa, waardoor de voeding gebruikt kan worden voor de beide voortrappen (stereo versterker).

Voeding

De voeding is complex en er moeten bepaalde voorzorgen genomen worden. Voor een stereo-versterker heeft men 4 losse voedingen nodig (volkomen zwevend). Men gebruikt hiervoor best 4 kleine transfo's van 200V 50VA (we hebben 250V gelijkspanning: dit is hier voldoende). De minpolen van de elko's mogen niet met elkaar verbonden worden.

Er is dan nog een extra voeding nodig, maar die kan "normaal" zijn, dat wil zeggen met een referentie ten opzichte van de massa. Die voeding levert spanning aan de voortrappen (250V 20VA, 350V gelijkgericht).

Op de pagina met de voorbeeldschakelingen kan je zien dat de voeding van de voortrap gehaald wordt uit de twee voedingen van de eindtrappen. Dit is mogelijk, want als één spanning stijgt, dan daalt de andere spanning, waardoor de gemiddelde spanning redelijk constant blijft.

En niet vergeten de gloeispanning voor de verschillende buizen!

Dan hebben we nog de polarisatiespanning van de eindtrappen. In tegenstelling met traditionele push pull versterkers mag de instelling minder nauwkeurig zijn. Bij commerciele schakelingen is er vaak zelfs geen afregelmogelijkheid. De polarisatiespanning kan opgewekt worden door nog een voeding, of men kan de spanning bekomen door een tripleurschakeling op de gloeispanning.

Hoe wordt de polarisatiespanning ingesteld? Nemen we een eindtrap met EL509. We laten de buizen op 50mA/250V werken (g2 op 150V), de dissipatie bedraagt dan 12.5W, ruim onder de limiet. De stroommeting gebeurt best met een anodeweerstand van 1Ω (geïsoleerde meting), men moet 50mV meten. De negatieve roosterspanning is dan ongeveer -25V. De schakeling werkt symmetrisch als er geen gelijkspanning over het primair van de outputtransfo zit (meten met volume op nul, spanning < 10mV).

Specifieke eigenschappen van de circlotron

De schakeling wordt voornamelijk gebruikt vanwege de laagohmige uitgang: men kan dus kleinere uitgangstransformatoren gebruiken met een lagere transformatieverhouding (deze zijn echter moelijker te vinden omdat circlotronschakelingen niet zo populair zijn).

Met deze schakeling kan men een hoger vermogen bekomen bij een bepaalde vervorming. De ruststroom kan lager ingesteld worden in vergelijking met een klassieke push pull. Vanaf een bepaald vermogen mag een eindtrap zelfs volledig afgeknepen worden: men moet geen maatregelen nemen tegen hoogfrekwente oscillaties van de tak van de transfo die nu "in de lucht" hangt wegens afgeknepen pentode, want bij een circlotron wordt altijd de volledige primair gebruikt.

Men kan een 100V outputtransformator gebruiken, deze transformatoren worden vaak in transistor public addres versterkers gebruikt. De transistorversterker wordt vaak in gemeenschappelijke emiterschakeling gebruikt, de impedantie van deze schakeling komt redelijk goed overeen met de impedantie van een buizenversterker in emittervolger schakeling.

Maar anderzijds heeft de versterker een complexe voeding nodig. Men gebruikt daarvoor best geen aparte voedingsprint, maar men bouwt het voedingsgedeelte op de hoofdprint om overstraling te vermijden (gans de voeding zit te zweven op een spanning die overeenkomt met de primaire uitgangsspanning).

De layout van de componenten moet doordacht zijn om rondzingen te vermijden omdat op een groot deel van de schakeling (met inbegrip van de voedingen) er een audio wisselspanning aanwezig is. Het voedingsgedeelte moet weg staan van de ingangstrap. Dit is duidelijk geen ontwerp die men snel-snel-snel kan bouwen.

Op deze pagina kan je enkele circlotron voorbeeldschakelingen vinden.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-