Circlotron Buizenversterker


Geschiedenis

De uitvinding van de Circlotron-versterker is over het algemeen algemeen toegeschreven aan Alpha M. Wiggins van Electro-Voice, Inc., Buchanan, Michigan. De patentaanvraag van Wiggins voor de versterker werd ingediend op 1 maart 1954. Verschillende andere uitvinders dienden echter octrooien aan voorafgaand aan Wiggins. Cecil T. Hall of Mount Lebanon, Pennsylvania diende op 7 juni 1951 een patent in voor de uitvoertopologie van Circlotron. Tapio Köykkä uit Finland diende op 2 september 1952 ook een patent in voor de Circlotron. De heer Shimada uit Japan vond ook een soortgelijke uitvinding uit versterker (CSPP) in 1952. Electro-Voice heeft uiteindelijk het Hall-octrooi in licentie gegeven. Om de uitvaardigingproblemen nog ingewikkelder te maken, waren patentwetten niet overal in de wereld consistent. In de Verenigde Staten was het uitvindersrecht gebaseerd op de conceptiedatum, terwijl in de meeste andere landen het uitvindersverzoek gebaseerd was op de data van octrooiaanvragen. Philips heeft het Köykkä-patent in licentie gegeven en een transformatorloze Circlotron gebouwd om een ​​800 Ohm-luidspreker aan te sturen. Köykkä publiceerde het schema van zijn versterker in een Duits radiomagazine Funk-Technik 7/1953. Een artikel over de Circlotron van Dan J. Tomcik en Alpha M. Wiggins, New Amplifier met Bridge Circuit Output, werd gepubliceerd in het tijdschrift Audio van november 1954. Deze advertentie verscheen in het nummer van November-december 1954 van Music at Home. Een ander artikel over de versterker van dhr. Köykkä werd gepubliceerd in een uitgave uit 1957 van Radio und Fernsehen. Het Amerikaanse octrooi 2.705.265, C.T. Hall, "Parallel Opposed Power Amplifiers" werd ingediend op 7 juni 1951 en verleend op 29 maart 1955. Het Finse octrooi 27332, Tapio Köykkä, (originele versterker) werd ingediend op 2 september 1952 en verleend op 10 november 1954. Amerikaans octrooischrift 2.828.369, A.M. Wiggins, "High Fidelity Audio Amplifier" werd ingediend op 1 maart 1954 en verleend op 25 maart 1958. Het Finse octrooi 29642, Tapio Köykkä, (verbeteringen aan de versterker) werd ingediend op 30 september 1955 en verleend op 10 april 1958.

Een Circlotron is een vermogensversterker met vacuumbuis met een ongewone push-pull-uitgangstrap. In plaats van afwisselend de helften van een primaire uitgangstransformator aan te sturen waarvan de middelste aftakking is verbonden met B +, stuurt een Circlotron de gehele primaire van een zwevende brug. 

Oorspronkelijk was Circlotron een handelsmerk van Electro-Voice (EV), tegenwoordig lijkt het te verwijzen naar elke versterker met een overbrugde uitgangstrap en zwevende voedingen. De Circlotron-topologie biedt verschillende voordelen: De primaire uitgang van de uitgangstransformator behoeft slechts half zoveel omwentelingen als een conventioneel duw-trekontwerp; dit vermindert de parasitaire capaciteit en verbetert de prestaties van de uitvoertransformator.

De uitgangsimpedantie is lager dan bij een conventionele buizenversterker. Voor uitgangsimpedantie-afleidingen zie Pascal Sternis-pagina en Tube Lovers Anonymous. Vanwege de lage uitgangsimpedantie, gebruiken verschillende moderne transformatorloze vacuümbuisversterkers de Circlotron-topologie.

Citaat uit het originele EV A30-gegevensblad: "Geen uitgangsbuis DC in transformator ... DC uitgangsstroom wordt verwijderd van de uitgangstransformator door het gebruik van een brugcircuit 

Alle schakeltransiënten worden geëlimineerd door eenheidskoppeling van uitgangsbuizen, klasse AB1 werking wordt geëffectueerd met de resulterende verbeteringen in vermogen uitvoer, efficiëntie en levensduur van de buizen De primaire impedantie van de uitgangstransformator is een kwart van die in conventionele uitgangscircuits van de versterker, wat een enorme toename van de vermogensoutput bij extreme frequenties van het frequentiespectrum oplevert. "














De naam Circlotron is afgeleid van de schematische weergave van de eindtrap van de versterker, waarbij het brugcircuit in een cirkel is getekend.

Een circlotron versterker is in PPP techniek uitgevoerd.                                                                                   

PPP is de afkorting van Parallel Push-Pull. Pushpull betekent dat de schakeling in tegenfase werkt. De positieve en negatieve helft hebben ieder hun eigen eindbuis. Bij parallel push-pull staan de eindbuizen voor wisselstroom parallel geschakeld. Het nadeel hiervan is dat het rendement lager is dan bij de klassieke instelling in klasse AB. Verder heeft de PPP-instelling alleen maar voordelen. 

Lage vervorming, goed geluid en breed frequentiebereik waren in dit toepassingsgebied belangrijker dan een hoog rendement. Door dit lagere rendement en de hogere prijs heeft de PPPschakeling nooit een grote bekendheid gekregen. De opkomst van de halfgeleidertechniek heeft dit allemaal drastisch veranderd. Met de huidige middelen kun je echter tegen redelijke kosten uitstekende hifi PPP-eindtrappen bouwen.

Om wat meer van de PPP-techniek te begrijpen, is wat theorie nodig. De klassieke instelling in klasse AB is in figuur 1 te zien. 

Figuur 1. Principe van een conventionele eindtrap in klasse AB.

Via een tegenfase-schakeling (fasedraaier) krijgen beide eindbuizen ieder een halve periode op het stuurrooster aangeboden. In de figuur is dit symbolisch aangegeven, in werkelijkheid krijgen de buizen natuurlijk positieve halve golven aan het stuurrooster, anders zou het niet werken. Hier werkt de linker buis voor het positieve deel van de periode en de rechter buis voor het negatieve deel. De transformator maakt daar weer een keurige sinus van. In de tekening zijn de spanningen over de deelwikkelingen N1 en N2 met de juiste polariteit aangegeven. Op de secundaire staat dan een spanning die door de transformatieverhouding een factor n groter of kleiner is. Wat ook nog uit de figuur blijkt, is de invloed van een eventuele bromspanning op de voeding. Deze wordt gelijk verdeeld over de beide wikkelingen N1 en N2. Als alles goed symmetrisch is opgebouwd, dus gelijke eindbuizen, gelijke wikkelingen van de transformator en ruststroom in de buizen gelijk, dan wordt een bromspanning opgeheven doordat die in de transformator in beide helften in tegenfase staat. Helaas wordt aan bovengenoemde voorwaarden niet helemaal voldaan, zodat de voedingsspanning UB toch wel goed afgevlakt moet zijn. In figuur 2 is de vervangingsschakeling voor wisselstroom te zien. 


Figuur 2. Wisselstroom-vervangingsschema van de schakeling uit figuur 1.

De voeding UB is voor wisselstroom een kortsluiting. De inwendige weerstand voor wisselstroom bestaat uit een serieschakeling van de inwendige weerstand van de buizen en de beide wikkelingen N met de aanpassingsweerstanden Ra. De eindbuizen staan met een zekere ruststroom ingesteld om te voorkomen dat er rond de nuldoorgang vervorming optreedt omdat er een buis geheel afgeknepen staat. Het principeschema van de PPP-schakeling is in figuur 3 te zien. Wat opvalt is dat er twee voedingsspanningen zijn toegepast en dat de buizen op een andere manier met de uitgangstrafo gekoppeld zijn. De wisselstroomcomponent van het signaal gaat nu in zijn geheel door de primaire van de trafo, net zoals bij een nettransformator. Voor wisselstroom staan de buizen nu parallel geschakeld. Daardoor daalt de inwendige weerstand van de PPP-schakeling tot een kwart. 

Dat heeft een aantal voordelen. De uitgangstransformator kan een kleinere wikkelverhouding hebben. Hierdoor ontstaat een kleiner strooiveld en wordt ook de wikkelingcapaciteit kleiner; het frequentieverloop wordt hierdoor beter. Bovendien loopt er nu een echte wisselstroom door de primaire wikkeling en niet door elke wikkeling een halve periode zoals bij de klassieke schakeling in klasse AB. 

Figuur 3. Bij een PPP-eindtrap gaat de signaalstroom door de hele primaire wikkeling van de eindtrafo.

Ook de zo gevreesde spanningspieken bij de klassieke schakeling in klasse AB worden hierdoor vermeden. Die spanningspieken ontstaan doordat een halve periode in de ene helft van de primaire wikkeling de dubbele spanning induceert in de andere helft, omdat de primaire als autotransformator werkt met een wikkelverhouding van 1:2. Als de kern dan ook nog gemagnetiseerd is door de gelijkspanningscomponent, wordt de energie niet weggewerkt aan de secundaire kant zodat de spanning aan de primaire kant nog eens met een factor 2 verder omhoog schiet. 

Op de zwakste plaatsen - buizen, buisvoet en transformator - treedt dan spanningsdoorslag op. Bij een autobobine is dit juist gewenst, bij versterkers bepaald niet. In geval van kortsluiting wordt een ABeindtrap alleen maar heet, maar hij gaat niet kapot. Een dergelijke eindtrap is in principe kortsluitvast, maar moet altijd belast worden. De PPP-eindtrap daarentegen levert in beide situaties geen problemen op. Vanwege de eerder beschreven wijze van koppelen van de eindtrafo kan het geen kwaad de belasting los te koppelen. Je kunt dat vergelijken met de situatie van een nettransformator. Die geeft ook niet meer spanning als er geen belasting is aangesloten. De PPPeindtrap kun je zien als voorloper van de tegenwoordige transistor-eindtrappen met tegenkoppeling. Zoals we gezien hebben zitten er dit concept een groot aantal grote voordelen, namelijk een lage inwendige weerstand, bestand tegen kortsluiting en onbelast draaien en daarbij ook nog principieel een gunstige frequentiekarakteristiek.


Figuur 4. Wisselstroomvervangingsschema van de schakeling uit figuur 3.