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L’amplificatore Circlotron, tutti i segreti raccontati da Mauro Accorsi.

Mauro Accorsi con la sua creatura

Per chi non lo sapesse Mauro Accorsi è un medico che nel tempo libero si diletta di elettronica. Da più di trent’anni ha sposato la causa degli amplificatori a sistema “Circlotron” di cui ci racconta come funzionano, pregi e difetti.

L’amplificatore Circlotron, tutti i segreti raccontati da Mauro Accorsi, in questa intervista

L’intervista

La storia del Circlotron, la genesi e gli sviluppi fino ai giorni nostri, cosa puoi dirci?

Il Circlotron è una configurazione circuitale impiegata sin dagli anni ’50 come insolito stadio di uscita push pull negli amplificatori a valvole. In molti forse ricordano il circuito del 1955 di Electro-Voice sviluppato da Henry Wiggins, un ponte flottante single-ended descritto qui, ma esistono altri brevetti che risalgono a quell’epoca apparsi sia in Europa nel 1953 che negli Stati Uniti per cui le origini sono controverse. Negli Stati Uniti molti altri inventori hanno depositato brevetti prima di Wiggins.

Cecil T. Hall di Mount Lebanon, Pennsylvania, ha depositato un brevetto per la topologia Circlotron il 7 giugno 1951. Tapio Köykkä , Finlandia, ha depositato un brevetto per il Circlotron il 2 settembre 1952. Il signor Shimada in Giappone inventò un amplificatore simile (CSPP) nel 1952.

Questa configurazione con i transistor viene però impiegata dal leggendario progettista James Bongiorno nei suoi amplificatori Great American Sound negli anni ’70. James Bongiorno detiene anche il brevetto statunitense 4229706 per il circuito di polarizzazione di uno stadio di uscita Circlotron a transistor. Il sistema è stato implementato nel suo Sumo 9 i cui schemi sono facilmente consultabili in rete.
Negli anni ’80 la configurazione circlotron a valvole è stata ripresa negli OTL di Atma-Spere, ma anche da BAT con circuiti accoppiati a trasformatore.

Perchè scegliere un amplificatore Circlotrone quali vantaggi si hanno?

schema di principio del circlotron

Il Circlotrone è un circuito a ponte completamente simmetrico e flottante in cui vengono impiegati semiconduttori identici sui due rami del push pull.
 Se ben bilanciato è stabile ma non esita a trasferire corrente al carico non appena uno dei due sub amplificatori subisce una sollecitazione.
Le sollecitazioni vengono imposte applicando segnali in opposizione di fase da parte dei circuiti di ingresso che agiscono da piloti. Parliamo pertanto di un sistema adatto in modo nativo ad essere pilotato da segnali bilanciati ormai uno standard nei moderni DAC le cui uscite devono subire una semplice amplificazione di livello.
Nel caso di segnali non bilanciati è necessario provvedere anche ad implementare un ulteriore stadio sfasatore in modo da ottenere il segnale in opposizione di fase.

Il Circlotron è uno stadio di potenza tipo push pull. Rispetto ai circuiti convenzionali che impiegano dispositivi complementari sui due rami dello stadio, il Circlotron utilizza dispositivi identici. I circuiti push pull classici infatti impiegano transistor di tipo npn e pnp oppure mos canale N e P definiti complementari ovvero dotati di caratteristiche abbastanza sovrapponibili ma non del tutto perfette. Queste differenze condizionano il funzionamento fine del circuito determinando un aumento della distorsione.
La tecnologia di produzione dei moderni semiconduttori ha portato a sensibili miglioramenti da questo punto di vista ma non ha azzerato completamente le differenze. Come ovvio l’impiego di transistor identici risolve alla radice il problema inoltre è possibile operare una ulteriore selezione su elementi appartenenti allo stesso lotto di produzione andando a ricercare dispositivi quasi identici fra loro.
La simmetria assoluta inoltre abbatte per definizione anche tutti i prodotti di distorsione residui di ordine pari contribuendo ulteriormente a ridurre il contenuto armonico finale indesiderato.
L’amplificatore è quindi naturalmente bilanciato e questa caratteristica esalta la sua capacità di interdire i disturbi captati a monte rendendo possibile un aumentato rapporto segnale rumore e una diminuzione delle distorsioni di intermodulazione dovute alla presenza non desiderata di radio frequenza.

Questa caratteristica è altamente positiva in quanto i nostri ambienti domestici sono ormai permeati da disturbi di natura elettromagnetica a radiofrequenza e queste perturbazioni entrano abbastanza facilmente nei nostri dispositivi elettronici inducendo interferenze subdole che però provocano peggioramenti udibili all’ascolto.
Anche la caratteristica di rimanere flottante rende il Circlotron relativamente esente da problemi di ritorni indesiderati dal lato alimentazione, a patto che queste ultime vengano eseguite a regola d’arte beninteso.
Tutte queste caratteristiche favorevoli unite a principi generali di buona progettazione rendono nel complesso i circuiti impieganti un Circlotrone anche piuttosto propensi a essere meno sensibili a variazioni sia sui cavi di segnale che in quelli di alimentazione che possono essere scelti tra i modelli di buona qualità con notevole costanza delle prestazioni all’ascolto.
L’odierna disponibilità sul mercato di moderni semiconduttori in grado di gestire alte potenze, consente di realizzare un Circlotron anche con solo due mosfet identici, uno per ramo ( esempio di circlotron 1 ).

esempio di circlotron (1)

Fig. 1 esempio di circlotron1: Si può osservare come il circlotron vero e proprio sia un circuito elementare composto da pochissimi componenti. Nella scheda sono presenti lateralmente anche i due blocchi dedicati alla stabilizzazione dell’alimentazione.

Questa eleganza e semplicità strutturale si ripercuote sulla struttura di tutto l’amplificatore che può essere costituito da solo due stadi, un circuito amplificatore di tensione in ingresso e il circlotron di uscita. Il segnale ha un percorso diretto brevissimo e attraversa un numero estremamente limitato di componenti.
Nei miei amplificatori viene attraversato un solo condensatore che può essere scelto della massima qualità possibile e allo stesso modo volendo è possibile operare una scelta molto raffinata sia nella qualità che nella selezione di tutti i pochi componenti dell’amplificatore ottenendo ulteriori vantaggi sonici.

esempio di circlotron (6)

Esempio di circlotron 6: circuito di amplificazione in tensione idoneo a pilotare un finale circlotron realizzato mediante tubi 6DN7.

esempio di circlotorn

Esempio di circlotron 5: circuito di amplificazione in tensione idoneo a pilotare un finale circlotron realizzato mediante tubi 6DN7, visione parte inferiore.

I contro invece quali sono?

I difetti sono molto chiari e hanno certamente contribuito a ridurre la diffusione di questa configurazione e si chiamano costi e ingombri. Anzitutto è necessario raddoppiare il numero degli alimentatori e ciò impone un costo economico molto importante in quanto negli alimentatori si cela la voce di spesa maggiore tra quelle da affrontare nella realizzazione di un amplificatore audio. Secondariamente il contenitore che deve prevedere un sistema termico molto generoso. Purtroppo anche questa seconda voce, il contenitore e il sistema di dissipatori, è quella che maggiormente impatta sui costi finali di una apparecchiatura. Entrambe queste voci divengono particolarmente onerose qualora si scelga di portare alle massime conseguenze le caratteristiche peculiari del Circlotron ovvero di sfruttare la sua intrinseca linearità con possibilità di operare facendo ricorso all’aumento della polarizzazione dello stadio spingendolo in profonda classe A senza impiegare controreazione generale allo scopo di ridurre al massimo i prodotti di distorsione.
L’aumento di assorbimento a riposo costringe di fatto a surdimensionare proprio le parti costose e ciò è in evidente contrasto con le esigenze tipiche dei produttori consumer.

costruzione chassis Circlotron

Un altro difetto spinoso è l’instabilità termica in particolare se vengono impiegati determinati semiconduttori.
Dominare questa caratteristica negativa mi ha impegnato a lungo e mi ha costretto a sperimentare moltissime soluzioni presenti in letteratura senza mai ottenere di fatto risultati del tutto soddisfacenti fino a che non ho incontrato un progetto in cui veniva impiegato un sistema semplice e geniale: il tracciamento della temperatura veniva affidato a un mos identico a quelli amplificatori garantendo una incredibile accuratezza di rilevazione. Senza entrare troppo nei dettagli tecnici il principio di funzionamento è il seguente: alcuni parametri del mos sensore vengono impiegati per il controllo degli amplificatori per cui una variazione termica induce identica e opposta influenza sui due sistemi che si mantengono perfettamente in equilibrio. Il vantaggio ottenuto è stato clamoroso e mi ha consentito di sperimentare con successo Circlotron potentissimi che si potevano spingere in classe A profondissima con dissipazioni mostruose ottenendo contemporaneamente una affidabilità pressochè assoluta. La geniale inventrice del metodo è l’Ing, Susan Parker .

Costruzione Chassis Circlotron

 

Quali difficoltà hai incontrato durante la realizzazione?

Ho già fatto cenno alla difficoltà nella stabilizzazione termica che ritengo sia l’unico vero ostacolo allo sviluppo di un circlotron potente e affidabile. A dire la verità sarebbe possibile aggirare il problema impiegando mos particolari intrinsecamente meno propensi alla deriva termica ma questa non è la mia scelta e in questa sede sarebbe troppo lungo argomentare.
Dal punto di vista circuitale non vi sono criticità di alcun genere se si sceglie di evitare l’impiego di controreazione generale. Del resto l’assenza di controreazione generale è una condizione di fondamentale importanza se si desiderano ottenere determinati risultati all’ascolto.
 Il feedback risolleva solo apparentemente le sorti del dispositivo regalando un miglioramento di alcuni parametri misurabili ma sposta il problema inducendo un peggioramento su altri fattori a loro volta udibili per cui il nostro sistema sensoriale non viene del tutto ingannato e resta insoddisfatto.
L’argomento molto complesso è estremamente dibattuto e di grandissimo interesse ma discuterne implica non solo competenze squisitamente tecniche come qualche addetto ai lavori vorrebbe imporre ma servono anche conoscenze di fisiologia dell’orecchio e del sistema nervoso in quanto le distorsioni legate alle amplificazioni attivano una serie di meccanismi legati alla percezione e al riconoscimento dei suoni per cui la loro entità e la loro distribuzione spettrale inducono sull’ascoltatore condizioni di fastidio o al contrario non vengono riconosciute come tali passando inosservate.
Non tenere conto di questi meccanismi percettivi porta inevitabilmente ad affidarsi esclusivamente alle indagini strumentali che, pur indispensabili per la caratterizzazione e lo sviluppo di una apparecchiatura, non sono del tutto conclusive se si fa riferimento alla qualità effettivamente percepita.

Costruzione chassis Circlotron

Tornando alle difficoltà, qualora si desideri perseguire la strada della massima linearità intrinseca consentita dalla configurazione, bisogna avere in mente che la selezione dei componenti diviene un fattore decisivo.
In effetti l’amplificatore funziona correttamente ed esibisce già ottime prestazioni anche con componenti scelti a caso dallo stesso lotto ma le prestazioni arrivano a un picco di qualità eseguendo una attenta selezione sul valore delle resistenze e dei transistor impiegati sui due rami speculari.
La selezione dei transistor è una procedura lunga e noiosa e costringe ad acquistare lotti consistenti ma permette di ottenere eccellenti risultati.

esempio di circlotron 4

Esempio di circlotron 4: circuito di amplificazione in tensione idoneo a pilotare un finale circlotron realizzato mediante ecc88, trasformatore di ingresso Sowter.

esempio di circlotron 2

Il Circlotrone 2.0 o come vuoi chiamarlo te, insomma l’ultimo modello che hai sviluppato che caratteristiche tecniche hai raggiunto?

Nel corso degli ultimi dieci o dodici anni mi sono dedicato per passione alla realizzazione di numerosissime versioni di amplificatori basati su un circlotron a stato solido in uscita.
Ho realizzato e pubblicato versioni ibride a valvole, circlotron basati sia su un singolo mos che su moltissimi elementi attivi, preamplificatori ibridi con mini stadi circlotron in uscita molto adatti anche al pilotaggio di cuffie e ho sviluppato anche versioni di circlotron a polarizzazione adattiva.
Una delle prime versioni stabili è visibile in Figura 2 . Si tratta di un circlotron con circuito di ingresso a trasformatore sfasatore Sowter e impiega due potenti IRFPS37N50APBF per canale. Funziona tuttora nel mio impianto personale.

fig.2 CICLOTRONE IRFPS37N50APBF

Fig.2 circlotron IRFPS37N50APBF

Al momento mi sto dedicando ad una versione davvero estrema che deriva dalla mia ultima realizzazione terminata da circa un anno battezzata a suo tempo AM Zero e che, probabilmente denunciando una certa mancanza di fantasia, si chiamerà AM Zero evoluzione.
AM sono le iniziali del mio nome, Zero in quanto l’amplificatore è privo di controreazione generale.
Il prototipo AM Zero è un dispositivo in grado di operare in classe A con un assorbimento continuo massimo di oltre 1 KW e si presenta come un grosso amplificatore a due telai di cui uno dedicato alle alimentazioni e il secondo ai circuiti audio e di controllo.
Si tratta di un amplificatore dual mono completamente a stato solido. Il circlotron è costituito da ben 24 mos IRFP250 per canale e quasi raddoppia la sua potenza al dimezzare del carico partendo da circa 100W rms su 8 ohm e restando in classe A anche per moduli molto bassi grazie alla polarizzazione molto profonda ( Figura 3).

Circlotron AM ZERO

Figura 3: AM Zero. Circlotron basato su 24 mos IRFP 250 per canale.

L’AM Zero evoluzione attualmente in costruzione ma non ancora ultimato è costituito da due bancate di 48 mos ciascuna e sarà in grado di operare in classe A addirittura a oltre 2 KW di dissipazione continua garantendo una prestazione davvero insolita.
In questo ultimo amplificatore sono state migliorate e super filtrate ulteriormente le già surdimensionate alimentazioni dell’ AM Zero e sono messe in atto una serie di precauzioni rivolte alla protezione dei circuiti nobili rispetto alle interferenze irradiate esogene ed endogene. Il poderoso telaio in barre di alluminio da un pollice costituisce uno scheletro attivo dal punto di vista termico e oltre a sostenere i grossi dissipatori laterali fa da ancoraggio a un triplo ordine di schermature separate da lastre di polietilene da un centimetro di spessore con funzione strutturale e smorzante.
Le schermature sono elettricamente a terra, a massa e flottanti allo scopo di creare una zona elettricamente silenziosa attorno ai circuiti di amplificazione. La struttura dell ‘amplificatore è visibile nell’animazione derivata dal progetto cad

( filmato 1).
L’amplificatore beneficia di una gestione di sistema basata su un microprocessore anch’essa derivata da quella sviluppata per il suo predecessore.
Il microprocessore consente anzitutto di controllare la sequenza di accensione e spegnimento e stand by.
L’accensione è un momento davvero critico in cui si attivano istantaneamente gli enormi banchi di condensatori con conseguente altissima richiesta di corrente dalla rete per cui si rende indispensabile limitare questo spunto che farebbe saltare gli interruttori automatici della maggior parte delle abitazioni e fondere i fusibili di protezione all’ingresso dell’alimentatore. Una accensione non controllata metterebbe anche a rischio l’integrità del circlotron che essendo un circuito bilanciato deve essere attivato solo dopo che le tensioni sono stabilizzate.
Il microprocessore grazie a quattro sensori disposti opportunamente controlla le temperature delle bancate di transistor e monitora continuamente gli assorbimenti effettivi i sui quattro rami delle alimentazioni principali attraverso sensori ad effetto Hall.
Ciò consente una sorveglianza accurata dei sistemi e la gestione degli stadi finali in modo che non escono dalla zona di affidabilità.
Vengono tenute sotto controllo anche la presenza di corrente continua sulle uscite e la presenza di oscillazioni o contenuti energetici anomali a frequenza elevata oltre la banda audio.
Tutti questi sistemi di sorveglianza sono operati da sensori che si trovano fuori dal percorso diretto del segnale per garantire la massima purezza sonica. Per scelta di progetto l’ eventuale attivazione della protezione si traduce in uno spegnimento totale dell’amplificatore evitando i classici interventi parziali delle protezioni convenzionali che risultano subdoli e sconosciuti all’utilizzatore se non attraverso un indurimento del suono.
L’ultima funzione è quella di selezione e controllo di tre livelli di polarizzazione preimpostati in modo da potere impiegare il finale anche a livelli di polarizzazione minimi e moderati per un funzionamento a bassa potenza o per ascolti non critici.
Il processore è anche in grado di fare lavorare il Circlotron in uno stato di classe A adattiva basandosi sugli effettivi assorbimenti istantanei richiesti dal carico in funzione dei programmi musicali. La classe A variabile è una soluzione tecnica molto interessante che consente di lavorare in classe A mantenendo consumi medi ridotti e semplifica enormemente il progetto termico dell’amplificatore oltre a diminuire decisamente i consumi energetici. Sfortunatamente non è ancora in grado di arrivare alla qualità della polarizzazione continua. (Figura 4: AM Zero evoluzione in fase di realizzazione)

Mauro Accorsi ed il Circlotron

 

Fig4. AM Zero evoluzione.

Figura 5: AM Zero evoluzione. La bancata circlotron di un canale.

 

 

Quali sono le caratteristiche sonore del Circlotrone?

Il Circlotrone è caratterizzato da distorsioni contenute e impedenza interna bassa che si traduce in fattori di smorzamento molto elevati. Per fare un esempio un prototipo Circlotron costituito da solo 10 mos per canale ha fatto misurare una resistenza interna di 0,056 Ohm per un fattore di smorzamento pari a 141 a 1 Khz, lo stesso valore è stato rilevato a 15 Khz. Queste caratteristiche si traducono in un suono molto neutro, poco caratterizzato e si percepisce un eccellente controllo degli altoparlanti che smorzano rapidamente le proprie oscillazioni al cessare degli impulsi transienti.
In definitiva il Circlotron tende ad assume le caratterizzazioni timbriche imposte dai circuiti di ingresso, qualora questi ultimi ne presentino.
Questa caratteristica si può sfruttare inserendo ad esempio uno stadio armonicamente ricco come un driver a valvole o al contrario scegliendo un amplificatore a stato solido asciutto e rigoroso.

Figura 6: Un canale circlotron in fase di test

 

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