Вакуумный ламповый усилитель звука

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Одна двухтриодная электронная лампа 12AX7.
• Два силовых трансформатора, с понижением 120 В переменного тока до 12 В переменного тока (каталог Radio Shack № 273-1365, 273-1352 или 273-1511).
• Модуль мостового выпрямителя (каталог Radio Shack № 276-1173)
• Электролитический конденсатор емкостью не менее 47 мкФ с рабочим напряжением не менее 200 В постоянного тока.
• Автомобильная катушка зажигания
• Аудиоколонка, сопротивление 8 Ом.
• Два резистора 100 кОм.
• Один конденсатор 0,1 мкФ, 250 Вт постоянного тока (каталог Radio Shack № 272-1053)
• «Низковольтный источник питания переменного тока», как показано в главе «Эксперименты с переменным током».
• Один тумблер, SPST («однополюсный, однополюсный»)
• Радио, магнитофон, музыкальный инструмент или другие источники звукового сигнала напряжения.

Вы спросите, где взять лампу 12AX7? Эти лампы очень популярны для использования в каскадах «предусилителей» многих профессиональных усилителей для электрогитар.

Сходите в любой хороший музыкальный магазин, и вы найдете их по умеренной цене (12 долларов США или меньше). Российский производитель под названием Sovtek производит эти лампы новыми, поэтому вам не нужно полагаться на компоненты «новый-старый-сток» (NOS), оставшиеся от уже не существующих американских производителей.

Эта модель лампы была очень популярна в свое время и может быть найдена в старом «трубчатом» электронном тестовом оборудовании (осциллографах, генераторах), если у вас есть доступ к такому оборудованию. Однако я настоятельно рекомендую покупать лампу новую, а не рисковать с лампами, взятыми из старинного оборудования.

Важно выбрать электролитический конденсатор с достаточным рабочим напряжением (WVDC), чтобы выдерживать выходное напряжение схемы источника питания этого усилителя (около 170 вольт). Я настоятельно рекомендую выбирать конденсатор с номинальным напряжением, значительно превышающим ожидаемое рабочее напряжение, чтобы справиться с неожиданными скачками напряжения или любым другим событием, которое может вызвать нагрузку на конденсатор.

Я купил ассортимент электролитических конденсаторов Radio Shack (№ по каталогу 272-802), и в нем оказалось два конденсатора 47 мкФ, 250 Вт постоянного тока. Если вам не повезло, вы можете построить эту схему, используя пять конденсаторов, каждый номиналом 50 Вт постоянного тока, чтобы заменить один блок 250 Вт постоянного тока:

Имейте в виду, что общая емкость для этой сети из пяти конденсаторов будет составлять 1/5 или 20% от номинала каждого конденсатора. Кроме того, чтобы обеспечить равномерную зарядку конденсаторов в сети, убедитесь, что все номиналы конденсаторов (в мкФ) и все резисторы идентичны.

автомобильная катушка зажигания . представляет собой специальный высоковольтный трансформатор, используемый в автомобильных двигателях для выработки десятков тысяч вольт для «зажигания» свечей зажигания. В этом эксперименте он используется (очень необычно, я могу добавить!) В качестве согласующего трансформатора импеданса между вакуумной лампой и аудиоколонкой 8 Ом.

Конкретный выбор «змеевика» не критичен, если он находится в хорошем рабочем состоянии. Вот фотография катушки, которую я использовал для этого эксперимента:

Звуковой динамик не должен быть экстравагантным. Для этого эксперимента я использовал маленькие полочные колонки, автомобильные колонки (6 x 9 дюймов), а также большой трехполосный стереодинамик (100 Вт), и все они работают нормально.

Не используйте наушники ни при каких обстоятельствах, поскольку катушка зажигания не обеспечивает гальванической развязки между 170 вольт постоянного тока «пластинчатого» источника питания и динамиком, таким образом повышая уровень подключения динамиков до этого напряжения относительно земли. Поскольку очевидно, что размещать на голове провода с высоким напряжением относительно земли было бы очень опасно , пожалуйста, не используйте наушники!

Вам понадобится источник переменного тока звуковой частоты в качестве входного сигнала для этой схемы усилителя. Я рекомендую небольшой радиоприемник с батарейным питанием или музыкальную клавиатуру с соответствующим кабелем, подключенным к разъему для наушников или аудиовыхода, чтобы передавать сигнал на ваш усилитель.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 13:«Электронные трубки»

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 3:«Диоды и выпрямители»

Уроки электрических цепей , Том 2, глава 9:«Трансформаторы»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Использование вакуумной лампы (триода) в качестве усилителя звука.
• Использование трансформаторов как в понижающем, так и повышающем режиме.
• Как построить высоковольтный источник питания постоянного тока.
• Использование трансформатора для согласования импедансов

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Добро пожаловать в мир ламповой электроники! Хотя это не совсем применение полупроводниковой технологии (за исключением выпрямителя источника питания), эта схема используется как введение в технологию электронных ламп и интересное приложение для трансформаторов согласования импеданса. Следует отметить, что создание и эксплуатация этой схемы подразумевает работу со смертельным напряжением!

Вы должны проявлять максимальную осторожность при работе с этой схемой, так как 170 вольт постоянного тока способны поразить вас электрическим током !! Новичкам рекомендуется обратиться за квалифицированной помощью (опытным электрикам, электронщикам или инженерам) при попытке собрать этот усилитель.

ВНИМАНИЕ:не прикасайтесь к проводам или клеммам, пока цепь усилителя находится под напряжением! Если вы должны войти в контакт с цепью в какой-либо момент, выключите «пластинчатый» переключатель источника питания и дождитесь, пока конденсатор фильтра разрядится ниже 30 В, прежде чем касаться любой части цепи. При проверке напряжения в цепи при включенном питании по возможности используйте только одну руку, чтобы избежать поражения электрическим током.

Создание высоковольтного источника питания: Для того, чтобы вакуумные лампы работали эффективно, между пластиной и катодными выводами необходимо приложить достаточно высокое постоянное напряжение. Хотя можно использовать схему усилителя, описанную в этом эксперименте, при напряжении всего 24 В постоянного тока, выходная мощность будет мизерной, а качество звука - плохим.

Триод 12AX7 рассчитан на максимальное «напряжение пластины» (напряжение, приложенное между клеммами пластины и катода) в 330 вольт, поэтому указанный здесь источник питания на 170 вольт постоянного тока находится в пределах этого максимального предела. Я использовал этот усилитель при напряжении 235 В постоянного тока и обнаружил, что качество звука и его интенсивность улучшились немного . , но, по моему мнению, недостаточно, чтобы гарантировать экспериментаторам дополнительную опасность.

Блок питания фактически имеет два разных выхода мощности:выход постоянного тока «B +» для питания пластины и питание «нити накала», которое составляет всего 12 вольт переменного тока. Для трубок требуется питание небольшой нити накала (иногда называемой нагревателем ), поскольку катод должен быть достаточно горячим, чтобы испускать электроны термически, а этого не происходит при комнатной температуре!

Использование одного силового трансформатора для понижения бытового напряжения переменного тока с 120 вольт до 12 вольт переменного тока обеспечивает низкое напряжение для нитей, а другой трансформатор, подключенный повышающим способом, возвращает напряжение обратно до 120 вольт. Вы можете спросить:«Зачем повышать напряжение до 120 вольт с помощью другого трансформатора? Почему бы просто не отключить вилку от розетки, чтобы напрямую получить питание переменного тока 120 В , а затем исправить это до 170 вольт постоянного тока? »

На это двоякий ответ :во-первых, пропускание мощности через два трансформатора по своей сути ограничивает количество тока, который может быть отправлен в случайное короткое замыкание на стороне пластины схемы усилителя. Во-вторых, он электрически изолирует цепь пластины от системы электропроводки вашего дома. Если бы мы выпрямили напряжение в розетке с помощью диодного моста, это повысило бы напряжение на обоих выводах постоянного тока (+ и -) от защитного заземления электрической системы вашего дома, тем самым увеличив опасность поражения электрическим током.

Обратите внимание на тумблер, подключенный между 12-вольтовыми обмотками двух трансформаторов, с надписью «Пластинчатый выключатель питания». Этот переключатель управляет мощностью повышающего трансформатора, тем самым управляя напряжением пластины в цепи усилителя. Почему бы просто не использовать главный выключатель питания, подключенный к розетке на 120 вольт? Зачем нужен второй выключатель для отключения высокого напряжения постоянного тока, когда отключение одного главного выключателя дает то же самое?

Ответ кроется в правильной работе вакуумной лампы: подобно лампам накаливания, вакуумные лампы «изнашиваются», когда на их нити постоянно подается питание вверх и вниз, поэтому наличие этого дополнительного переключателя в цепи позволяет отключать высокое напряжение постоянного тока (для безопасности при изменении или регулировке цепи) без необходимости отключите нить накала. Кроме того, рекомендуется подождать, пока трубка достигнет полной рабочей температуры перед . подает напряжение на пластину, и этот второй переключатель позволяет отложить подачу напряжения на пластину до тех пор, пока трубка не достигнет рабочей температуры.

Во время работы у вас должен быть вольтметр, подключенный к « B + ”Выход источника питания (между B + клеммы и заземления), непрерывно обеспечивая индикацию напряжения источника питания. Этот измеритель покажет вам, когда конденсатор фильтра разрядился ниже предела опасности поражения электрическим током (30 вольт), когда вы выключите «переключатель питания пластины» для обслуживания цепи усилителя.

Клемма заземления, показанная на выходе постоянного тока цепи питания, не обязательно должна быть подключена к заземлению. Скорее, это просто символ, показывающий общее соединение с соответствующим символом клеммы заземления в схеме усилителя. В построенной вами схеме будет кусок провода, соединяющий эти две точки «заземления» вместе. Как всегда, обозначение определенных общих точек в цепи с помощью общего символа является стандартной практикой в ​​электронных схемах.

Обратите внимание, что на принципиальной схеме показан резистор 100 кОм, подключенный параллельно конденсатору фильтра. Этот резистор совершенно необходим, поскольку он обеспечивает конденсатору путь для разряда при отключении питания переменного тока. Без этого «спускного» резистора в цепи конденсатор, скорее всего, будет сохранять опасный заряд в течение длительного времени после отключения питания, что создает дополнительную опасность поражения электрическим током.

В схеме, которую я построил - с конденсатором 47 мкФ и сопротивлением утечки 100 кОм - постоянная времени этой RC-цепи составляла короткие 4,7 секунды. Если вы обнаружите более высокое значение конденсатора фильтра (что позволяет свести к минимуму нежелательный «гул» источника питания в динамике), вам нужно будет использовать соответственно меньшее значение резистора утечки или дольше ждать, пока напряжение спадет каждый раз, когда вы выключите переключатель «Подача пластин».

Перед тем, как пытаться запитать схему усилителя, убедитесь, что у вас есть надежная конструкция и надежная работа. Это хорошая практика построения схем в целом:сначала соберите и устраните неисправности источника питания, а затем соберите схему, которую вы собираетесь питать от него. Если источник питания не работает должным образом, то и цепь с питанием не будет работать, как бы хорошо она ни была спроектирована и изготовлена.

Создание усилителя: Одна из проблем при создании схем на электронных лампах в 21 веке заключается в том, что розетки для этих компонентов бывает сложно найти. Учитывая ограниченный срок службы большинства «приемных» ламп (несколько лет), в большинстве «трубчатых» электронных устройств использовались гнезда для крепления ламп, так что их можно было легко снимать и заменять.

Хотя лампы все еще можно приобрести (в музыкальных магазинах) относительно легко, розеток, в которые они вставляются, значительно меньше - в вашей местной Radio Shack их нет на складе! Как же тогда нам создавать схемы с лампами, если мы не сможем найти розетки для их подключения?

Для небольших трубок эту проблему можно решить, припаяв короткие сплошные медные провода 22-го калибра непосредственно к контактам трубки, что позволит вам «вставить» трубку в макетную плату без пайки. Вот фотография моего лампового усилителя, на которой 12AX7 показан в перевернутом положении (булавками вверх).

Не обращайте внимания на 10-сегментную светодиодную гистограмму слева и 8-позиционный DIP-переключатель в сборе справа на фотографии, так как это оставшиеся компоненты от эксперимента с цифровой схемой, собранного ранее на моей макетной плате.

Одним из преимуществ установки трубки в этом положении является простота идентификации штырей, поскольку большинство «схем штыревых соединений» для трубок показано снизу:

На схеме усилителя вы заметите, что оба триодных элемента внутри стеклянной оболочки 12AX7 используются параллельно:пластина подключена к пластине, сетка подключена к сетке, а катод подключен к катоду. Это сделано для максимизации выходной мощности лампы, но это не обязательно для демонстрации основных операций. Если хотите, для простоты вы можете использовать только один из триодов.

Конденсатор 0,1 мкФ, показанный на схеме, «соединяет» источник аудиосигнала (радио, музыкальный инструмент и т. Д.) С сеткой (ями) лампы, позволяя проходить переменному току, но блокируя постоянный ток. Резистор 100 кОм гарантирует, что среднее напряжение постоянного тока между сеткой и катодом равно нулю и не может «плавать» до некоторого высокого уровня. Обычно цепи смещения используются для того, чтобы сеть оставалась немного отрицательной по отношению к земле, но для этой цели схема смещения привносит больше сложности, чем ее ценность.

Когда я тестировал схему усилителя, я использовал выход радиоприемника, а затем выход проигрывателя компакт-дисков (CD) в качестве источника аудиосигнала. I смог легко посылать на усилитель звуковые сигналы различной амплитуды, чтобы проверить его работу в широком диапазоне условий:

На выходе схемы усилителя необходим трансформатор для «согласования» импедансов вакуумной лампы и динамика. Поскольку вакуумная лампа представляет собой высоковольтное слаботочное устройство, а большинство динамиков - это низковольтные сильноточные устройства, несоответствие между ними привело бы к очень низкому звуковому выходу, если бы они были подключены напрямую.

Чтобы успешно согласовать высоковольтный слаботочный источник с низковольтной сильноточной нагрузкой, мы должны использовать понижающий трансформатор. Поскольку сопротивление Тевенина в цепи вакуумной лампы составляет десятки тысяч Ом, а импеданс динамика составляет всего около 8 Ом, нам понадобится трансформатор с соотношением импедансов около 10 000:1.

Поскольку коэффициент импеданса трансформатора равен квадрату От его коэффициента передачи (или коэффициента напряжения) мы ищем трансформатор с коэффициентом поворота около 100:1. Типичная автомобильная катушка зажигания имеет примерно такое соотношение витков, а также рассчитана на чрезвычайно высокое напряжение на высоковольтной обмотке, что делает ее хорошо подходящей для этого применения.

Единственный плохой аспект использования катушки зажигания заключается в том, что она не обеспечивает гальванической развязки между первичной и вторичной обмотками, поскольку устройство фактически является автотрансформатором, причем каждая обмотка имеет общий вывод на одном конце. Это означает, что провода динамика будут находиться под высоким постоянным напряжением по отношению к заземлению цепи.

Пока мы знаем это и не прикасаемся к этим проводам во время работы, проблем не будет. В идеале, однако, трансформатор должен обеспечивать полную изоляцию, а также согласование импеданса, а прикасаться к проводам громкоговорителей во время использования можно будет совершенно безопасно.

Помните, все соединения в цепи выполняйте при выключенном питании! После визуальной проверки соединений с помощью омметра, чтобы убедиться, что цепь построена в соответствии с принципиальной схемой, подайте питание на нити трубки и подождите около 30 секунд, пока она не нагреется до рабочей температуры.

Обе нити должны излучать мягкое оранжевое свечение, видимое как сверху, так и снизу трубки. Установите регулятор громкости вашего радио / CD-плеера / источника сигнала музыкальной клавиатуры на минимум, затем включите переключатель питания пластины.

Вольтметр, который вы подключили между выходной клеммой B + источника питания и «землей», должен регистрировать полное напряжение (около 170 вольт). Теперь увеличьте громкость источника сигнала и слушайте динамик. Если все в порядке, вы должны четко слышать правильные звуки из динамика.

Устранение неполадок в этой цепи: Лучше всего использовать чувствительный звуковой детектор, описанный в главах, посвященных постоянному и переменному току настоящего тома «Эксперименты».

Подключите конденсатор 0,1 мкФ последовательно с каждым измерительным проводом, чтобы заблокировать постоянный ток от детектора, затем подключите один из измерительных проводов к земле, используя другой измерительный провод для проверки аудиосигнала в различных точках цепи. Используйте конденсаторы с высоким номинальным напряжением, такие как тот, который используется на входе схемы усилителя:

Использование двух конденсаторов связи вместо одного добавляет дополнительную степень безопасности, помогая изолировать устройство от любого (высокого) постоянного напряжения. Однако даже без дополнительного конденсатора внутренний трансформатор детектора должен обеспечивать достаточную электрическую изоляцию для вашей безопасности при использовании его для проверки сигналов в такой высоковольтной цепи, особенно если вы построили свой детектор с использованием силового трансформатора на 120 В ( вместо трансформатора «аудиовыхода»), как предлагается.

Используйте его для проверки наличия хорошего сигнала на входе, затем на штыре (ах) решетки трубки, затем на пластине трубки и т. Д., Пока проблема не будет обнаружена. Имея емкостную связь, детектор также может проверять чрезмерное "гудение" источника питания:прикоснитесь свободным испытательным проводом к клемме B + источника питания и прислушайтесь к громкому гудению 60 Гц.

Шум должен быть очень тихим, но не громким. Если он громкий, источник питания не фильтруется в достаточной степени и может потребоваться дополнительная емкость фильтра. После тестирования точки в цепи усилителя высоким постоянным напряжением относительно земли на разделительных конденсаторах детектора может возникнуть значительное напряжение.

Чтобы разрядить это напряжение, прикоснитесь свободным щупом к заземленному щупу. При разрядке конденсаторов связи в наушниках должен быть слышен «хлопок».

Если вы предпочитаете использовать вольтметр для проверки наличия аудиосигнала, вы можете сделать это, установив чувствительный диапазон напряжения переменного тока. Однако показания вольтметра ничего не говорят о качестве . сигнала, просто его присутствие.

Имейте в виду, что большинство вольтметров переменного тока регистрируют переходное напряжение при первоначальном подключении к источнику постоянного напряжения, поэтому не удивляйтесь, увидев «всплеск» (сильная, мгновенная индикация напряжения) в тот самый момент, когда устанавливается контакт с щупы измерителя к цепи, быстро уменьшающиеся до истинного значения сигнала переменного тока. Вы можете быть приятно удивлены качеством и глубиной тона этой небольшой схемы усилителя, особенно с учетом ее низкой выходной мощности:менее 1 Вт звуковой мощности.

Конечно, схема довольно грубая и жертвует качеством ради простоты и доступности деталей, но она служит для демонстрации основного принципа лампового усиления. Продвинутые любители и студенты могут поэкспериментировать с сетями смещения, отрицательной обратной связью, разными выходными трансформаторами, разными напряжениями источника питания и даже разными лампами, чтобы получить больше мощности и / или лучшее качество звука.

Вот фотография очень похожей схемы усилителя, созданной группой мужа и жены Терри и Шерил Гетц, демонстрирующая, что можно сделать, если к подобному проекту приложить внимание и мастерство.