Inleiding

Allereerst, een Circlotron versterker is een "balansversterker". Dit betekent dat ten minste twee eindbuizen (of eindtransistors) aanwezig zijn die in tegenfase werken. Ik zal het verder hebben over buizen, maar je mag hier ook "transistors" voor lezen.

In tegenfase betekent dat wanneer de ene eindbuis meer stroom gaat trekken de andere eindbuis juist minder stroom gaat trekken. Dus net als bij een balans, wanneer de ene schaal omhoog gaat, dan gaat de andere omlaag. Deze instelling wordt "klasse A" genoemd bij een balans versterker. Sommige balansversterkers werken in "klasse B", dit gaat nog een stap verder en betekent dat de ene eindbuis alleen stroom trekt gedurende de positieve helft van het geluidsignaal, terwijl de andere eindbuis alleen gedurende de negatieve helft werkt. Wanneer er geen signaal is trekt een klasse B eindversterker dus geen stroom, en wordt dus ook niet erg warm. De meeste Hi-Fi versterkers werken overigens in klasse AB, dat betekent dat voor kleine signalen de eindtrap in klasse A werkt, terwijl voor grotere signalen de instelling klasse B is.

Balansversterkers zijn er in 4 verschillende soorten. Dit heeft te maken met de manier waarop de eindbuizen zijn verbonden met de voeding en met de uitgangstrafo of luidspreker. Er bestaan balansversterkers met een uitgangstransformator, maar ze worden ook gemaakt zonder dit onderdeel. De laatste soort heeft meestal de voorkeur omdat een uitgangstransformator vrij kostbaar is en bovendien verantwoordelijk voor diverse ernstige problemen zoals vervorming en instabiliteit. Tegenwoordig zijn vrijwel alle goede balansversterkers om deze reden transformatorloos uitgevoerd, men noemt dit OTL (Output Transformer Less).

Soorten Balansversterkers

1 Er bestaan 4 soorten balansversterkers. Vóór 1953 wordt vrijwel altijd gekozen voor de "klassieke" balansversterker die in een schema als volgt wordt afgebeeld:

1. Klassieke balansversterker

Deze versterker heeft vrijwel altijd een uitgangstransformator die de aanpassing tussen de eindbuizen en de luidspreker verzorgt. De luidsprekerimpedantie ligt vaak rond de 8 ohm, terwijl de impedantie tussen de anodes van de pentode buizen gelijk is aan U : I. Hierbij is U gelijk aan de voedingsspanning, en I is gelijk aan de maximale stroom die door een eindbuis loopt. Bij een buizenversterker komt dit uit op b.v. 3200 ohm. De uitgangstransformator is dan zo ontworpen dat deze 3200 ohm wordt getransformeerd naar 8 ohm. Dat scheelt een faktor 400, de trafo heeft dan een wikkelverhouding die hier de wortel van is, dus 20:1.

Als uitzondering op de bovenstaande regel brengt Philips in 1953 een kleine serie radiotoestellen van het type BX521U in de handel waarbij gebruik wordt gemaakt van een klassieke balansversterker in een OTL uitvoering. Men maakt hiervoor gebruik van een 4000 ohm luidspreker met middenaftakking, deze is in het schema rechts boven ingetekend en goed zichtbaar op deze foto:

Philips BX521U tafelradiotoestel uit 1953 met ingebouwd een klassieke OTL balansversterker plus een speciale hoogohmige 9754 luidspreker: 4000 ohm met middenaftakking

2 Soort nummer twee is de Seriebalans versterker (ook wel Totempaal genoemd), hierbij staan, zoals de naam aangeeft, de eindbuizen in serie. Dit ziet er zo uit:

2. Serie balansversterker

Er zijn hier twee voordelen te behalen t.o.v. de klassieke balansversterker. Ten eerste is een OTL uitvoering mogelijk met een normale luidspreker, dus eentje zonder middenaftakking. Ten tweede is de aansluitimpedantie aanzienlijk lager, deze is namelijk 0,25 x U : I. Dus in plaats van 3200 ohm in het hierboven genoemde "klassieke" voorbeeld is bij de buizen seriebalans 800 ohm voldoende.

Opgemerkt wordt dat bij de onderste eindbuis de luidspreker is verbonden met de anode, terwijl bij de bovenste buis deze met de kathode is verbonden. Dit betekent echter niet dat bovenste buis als kathodevolger is geschakeld, beide buizen worden gewoonlijk tussen stuurrooster en kathode aangestuurd.  Men noemt dit de "gemeenschappelijke kathode" schakeling (GKS).

3 De derde soort is de Circlotron, deze configuratie herken je snel aan de twee voedingen die voor het gemak meestal worden getekend als batterijen maar in werkelijkheid natuurlijk netvoedingen zijn:

3. Circlotron balansversterker

Dit type balansversterker geeft dezelfde voordelen als de seriebalans, dus geen transformator nodig en een lage aansluitimpedantie. Hierbij is U in de formule 0,25 x U : I gelijk aan de som van de twee voedingsspanningen. Er is een extra voordeel t.o.v. de seriebalans, de Circlotron is namelijk geheel symmetrisch, ook wanneer deze is uitgerust met buizen. Dit is met name van belang voor versterkers die zeer nauwkeurig moeten kunnen werken. Wanneer transistoren worden gebruikt kan een seriebalans echter ook symmetrisch worden uitgevoerd, dit heeft er toe geleid dat de Circlotron eigenlijk alleen bij buizenversterkers wordt toegepast.

Ook hier weer de opmerking dat er geen sprake is van kathodevolgers, de eindbuizen worden ook hier vrijwel altijd aangestuurd tussen stuurrooster en kathode (GKS).

4 De vierde en laatste soort is de Brug balansversterker:

4. Volle brug balansversterker

De Brug bestaat meestal uit twee eindversterkers van het type 1, 2 of 3 die in tegenfase worden aangestuurd. Deze configuratie wordt vooral gebruikt bij versterkers die worden gevoed door een accu (b.v. in een auto), en bij theaterversterkers met een hoog uitgangsvermogen. De voordelen zijn het hogere uitgangsvermogen (twee maal dat van een enkele versterker) bij een relatief lage voedingsspanning.

Voorbeelden van balansversterkers

In de jaren '30, '40 en '50 worden verreweg de meeste kwaliteitsversterkers uitgevoerd als klassieke balansversterker met twee eindbuizen en een uitgangstransformator. Een goed voorbeeld is de Williamson Hi-Fi eindversterker uit 1949 die is uitgerust met twee KT66 eindbuizen en een zeer forse uitgangstransformator. Deze versterkers leveren prima resultaten in de huiskamer, maar zijn nogal prijzig en zwaar.

Begin jaren '50 bedenkt een aantal fabrikanten, waaronder Philips, dat een versterker zonder uitgangstransformator, of eentje met een minder kostbare en minder zware uitgangstrafo wellicht een goed idee is. Philips experimenteert al in 1952-1953 met een OTL balansversterker in de BX521U tafelradio, maar stuit op een paar problemen. De benodigde hoogohmige luidspreker met middenaftakking blijkt de voornaamste hinderpaal.

Philips AG9006 15 Watt Hi-Fi Circlotron versterker, de AG9000 is qua uiterlijk identiek.

In september 1952 deponeert de Fin Tapio Köykkä zijn patent voor de Circlotron versterker, en Philips gaat vrijwel direct hiermee aan de slag. In de VS ontwikkelt de firma Electro-Voice eveneens een Circlotron op basis van een patent van C.T. Hall uit 1951. In beide gevallen leidt dit tot een versterker met een uitgangstrafo, maar deze kan bij een Circlotron eenvoudiger zijn vanwege de 4 maal lagere impedantie. De eerste Philips Circlotron komt in 1954 op de markt, het is de 15 Watt AG9000 uitgerust met twee eindpentodes van het type EL81. De eerste OTL Circlotron (AG9006, 15 Watt, 1200 ohm) verschijnt twee jaar later en is in feite dezelfde versterker maar dan zonder uitgangstrafo. Een zwaarder type volgens dezelfde opzet, de Philips AG9007, volgt in 1957. Deze 60 Watt versterker heeft 4 eindbuizen van het type EL36.

Philips AG9007 60 Watt Circlotron eindversterker

Tegelijkertijd experimenteert Philips met de seriebalans versterker, aanvankelijk ook weer voor gebruik in tafelradio's. Een vroeg voorbeeld van zo'n radiotoestel is de Philips BX998A uit 1955. Dit leidt in 1956 tot de ontwikkeling van een speciaal buistype, de EL86, die in het bijzonder geschikt is voor gebruik in een seriebalans schakeling. De eerste serieuze versterker volgens dit principe is de Philips OTL Bi-Ampli AG9008 uit 1957 met 4 stuks EL86, latere types zijn de stereo OTL Hi-Fi versterkers AG9014, AG9015 en de AG9018.

Resumerend kan worden gesteld dat Philips al vroeg betrokken is geraakt bij de ontwikkeling van de Circlotron en Seriebalans Hi-Fi versterkers. Terwijl in de meeste landen de beproefde Williamson Hi-Fi versterker verder werd verbeterd, sleutelde Philips al aan de volgende generatie OTL versterkers. Dit heeft onder meer geleid tot het Seriebalans concept, vrijwel alle moderne Hi-Fi (transistor)versterkers worden ook nu nog volgens dit principe gebouwd.

De aansturing van een OTL buizenversterker

Er zijn tenminste drie manieren waarop een Seriebalans en een Circlotron eindversterker kan worden aangestuurd. Zoals al eerder aangegeven moeten de eindbuizen in tegenfase worden aangestuurd, maar dit is niet het grootste probleem. Bij zowel de Seriebalans als de Circlotron liggen de kathodes van de beide eindbuizen niet op dezelfde signaalspanning, en hierdoor ontstaat een complicatie.

Tapio Köykkä, de uitvinder van de Circlotron, laat zien op welke manier beide soorten versterkers via een ingangstransformator op de juiste wijze kunnen worden aangestuurd:

De bovenste tekening van Tapio geeft de situatie bij de Circlotron weer, door een balans-ingangstransformator te gebruiken worden de buizen in tegenfase en in GKS aangestuurd. De onderste tekening is de Seriebalans, de aansturing hiervan kan op precies dezelfde manier plaatsvinden. Hieronder is een en ander nog wat gedetailleerder uitgewerkt voor de Seriebalans:

Aansturing Seriebalans versterker m.b.v een ingangstrafo

Deze methode is wel eenvoudig, maar omdat bij een nauwkeurige versterker vrijwel altijd gebruik wordt gemaakt van een flinke tegenkoppeling is het gebruik van een ingangstrafo sterk af te raden. Net als bij een uitgangstrafo verstoort ook een ingangstrafo het fase- en frequentieverloop van de versterker waardoor het niet meer mogelijk is om een voldoend hoge nauwkeurigheid van de geluidsreproduktie te bereiken. Er is om deze reden dan ook gezocht naar andere oplossingen voor dit probleem.

"Eenvoudige" Seriebalans aansturing

Het schema dat hierboven is getekend geeft de relatief eenvoudige oplossing weer die door Philips vanaf 1955 is gebruikt in verschillende OTL Bi-Ampli radiotoestellen, en in de AG9008 versterker. Het komt er op neer dat het stuursignaal eerst wordt toegevoerd aan de onderste eindbuis van de totempaal eindtrap. De onderste eindbuis heeft hier twee functies, behalve als eindbuis fungeert deze buis ook nog als fasedraaier. Hiertoe is de kathodeweerstand van de bovenste eindbuis niet ontkoppeld, en is het rooster van deze eindbuis via een weerstand verbonden met de anode van de onderste eindbuis. Over de bovenste kathodeweerstand ontstaat nu een spanning die in tegenfase is met de stuurspanning, en die bij een juiste keuze van de kathodeweerstand precies even groot is als de stuurspanning. Wanneer de effectieve steilheid van de eindbuizen S bedraagt, en de stuurspanning van de onderste buis Us is dient deze weerstand een waarde te hebben van 1 : S ohm. In dat geval is de stuurspanning voor de bovenste eindbuis immers gelijk aan -S x 1 : S x Us = -Us. Met dit signaal wordt de bovenste eindbuis tussen stuurrooster en kathode in deze schakeling aangestuurd.

Deze eenvoudige stuurschakeling heeft echter twee kleinere nadelen. De vervorming is wat hoger dan strikt nodig is door het dubbele gebruik van de onderste eindbuis, en de schakeling werkt alleen bij een klasse A insteling.

Om deze redenen gebruikt men bij de betere versterkers een andere schakeling, en wel als volgt:

"Bootstrapping" aansturing

Deze z.g. bootstrapping schakeling kost een extra buis omdat hiervoor een aparte fasedraaier wordt gebruikt. De fasedraaier zelf is in dit voorbeeld bewust zo eenvoudig mogelijk gehouden, maar er kan natuurlijk worden gekozen uit elke manier van fasedraaien die de afgelopen 100 jaar is bedacht. De truc zit in de condensator die precies in het midden van het schema is getekend. Deze condensator voert de uitgangsspanning van de versterker terug naar de voedingsspanning van de fasedraaier, waardoor de bovenste buis weer netjes wordt aangestuurd tussen het stuurrooster en de kathode, dus zoals het hoort.

Beide buizen worden op deze manier in de gemeenschappelijke kathodeschakeling aangestuurd, waarbij de stuursignalen in tegenfase zijn. Bovendien werkt dit systeem zowel in klasse A als in klasse AB, en zowel voor de Seriebalans als voor de Circlotron configuratie.

Tegenkoppeling

Ik weet dat dit een lastig onderwerp is, maar wil er hier toch een paar regels aan wijden. De Philips OTL versterkers (en zeer veel moderne OTL transistorversterkers) zijn voorzien van een stevige overall tegenkoppeling. Dit wordt gedaan om de vervorming, die door het ontbreken van een uitgangstrafo van nature toch al gering is, nog verder te verlagen. Het nadeel van tegenkoppeling is dat een tegengekoppelde versterker instabiel kan worden en dan niet goed meer kan werken. Onder welke omstandigheden dit precies gebeurt is in de jaren '50 uitgewerkt door wiskundigen zoals Harry Nyquist. Met deze degelijke theorie kan precies worden bepaald waar de grenzen van de tegenkoppeling liggen voor een praktische versterker.

Tegenkoppeling wordt in de techniek sindsdien veel toegepast, en met groot succes. Door het ontbreken van fasedraaiende netwerken binnen de tegengekoppelde lus, zoals in- of uitgangstransformatoren, is het mogelijk om een OTL versterker zeer stevig tegen te koppelen zonder dat hierdoor enige instabiliteit ontstaat. Dit vereist echter wel enige kennis van analoge techniek en van regeltechniek bij de ontwerper, en daar wringt de schoen tegenwoordig nog wel eens.

Over het ontwerp van audioversterkers in het algemeen en Circlotrons in het bijzonder valt natuurlijk nog veel meer te vertellen. Maar het bovenstaande geeft de hoofdlijnen weer, en is vooral toegespitst op de inspanningen van Philips in de jaren '50.