DIY 12AX7 ламповый аудиоусилитель: Классический звук своими руками

Детали и материалы

• Одна двухдвойная триода 12AX7
• Два понижающих трансформатора 120VAC → 12VAC (Radio Shack #273-1365, 273-1352 или 273-1511)
• Мостовый выпрямительный модуль (Radio Shack #276-1173)
• Электролитический конденсатор, минимум 47 мкФ, рабочее напряжение не менее 200 В DC
• Автомобильная катушка зажигания
• Акустический динамик, 8 Ом импеданс
• Два резистора 100 кОм
• Один конденсатор 0,1 мкФ, 250 В постоянного тока (Radio Shack #272-1053)
• «Низковольтный блок питания переменного тока» как показано в главе AC Experiments
• Один тумблер SPST («Single-Pole, Single-Throw»)
• Радио, кассетный плеер, музыкальная клавиатура или другие источники аудиосигнала напряжения

Где достать лампу 12AX7, спросите вы? Эти лампы очень популярны для использования в «предварительных усилительных» каскадах многих профессиональных гитарных комбиков.

Зайдите в любой хороший музыкальный магазин и вы найдете их за умеренную цену ($12 США или менее). Российский производитель Sovtek выпускает эти лампы новые, так что не нужно полагаться на «New-Old-Stock» (NOS) компоненты, оставшиеся от вышедших из производства американских المصنчиков.

Эта модель лампы была очень популярна в свой день и может быть найдена в старом «ламповом» измерительном оборудовании (осциллографы, генераторы), если у вас есть доступ к такому оборудованию. Однако я настоятельно рекомендую покупать лампу новую, а не рисковать с лампами, снятыми с антикварного оборудования.

Важно выбрать электролитический конденсатор с достаточным рабочим напряжением (WVDC) для выдержания выхода схемы блока питания этого усилителя (около 170 вольт). Я настоятельно рекомендую выбирать конденсатор с номиналом напряжения значительно выше ожидаемого рабочего, чтобы справляться с неожиданными скачками напряжения или любым другим событием, которое может нагрузить конденсатор.

Я приобрел набор электролитических конденсаторов Radio Shack (каталог #272-802), и он случайно содержал два конденсатора 47 мкФ, 250 WVDC. Если вам не повезло так, вы можете построить эту схему, используя пять конденсаторов, каждый на 50 WVDC, для замены одного блока на 250 WVDC:

Имейте в виду, что общая емкость этой пятиконденсаторной сети будет 1/5, или 20%, от значения каждого конденсатора. Также, для обеспечения равномерного заряда конденсаторов в сети, убедитесь, что все значения емкости (в мкФ) и все значения резисторов идентичны.

Автомобильная катушка зажигания — специальный высоковольтный трансформатор, используемый в автомобильных двигателях для производства десятков тысяч вольт для «прожига» свечей зажигания. В этом эксперименте она используется (очень необычно, могу добавить!) как импеданс-согласующий трансформатор между электронной лампой и 8-омным аудиодинамиком.

Конкретный выбор «катушки» не критичен, пока она в хорошем рабочем состоянии. Вот фотография катушки, которую я использовал для этого эксперимента:

Акустический динамик не обязательно должен быть экстравагантным. Я использовал маленькие «полочные» колонки, автомобильные (6"x9") динамики, а также большую (100 ватт) 3-путевую стереосистему для этого эксперимента, и они все работают нормально.

Ни в коем случае не используйте наушники, так как катушка зажигания не обеспечивает электрическую изоляцию между 170 вольтами постоянного тока «пластинного» блока питания и динамиком, тем самым поднимая соединения динамика до этого напряжения относительно земли. Поскольку очевидно, что размещение проводов на голове с высоким напряжением к земле было бы очень опасно, пожалуйста, не используйте наушники!

Вам понадобится какой-то источник аудиочастотного переменного тока как входной сигнал для этой усилительной схемы. Я рекомендую небольшое батарейное радио или музыкальную клавиатуру, с подходящим кабелем, вставленным в гнездо «наушники» или «audio out» для передачи сигнала к вашему усилителю.

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapter 13: «Electron Tubes»

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapter 3: «Diodes and Rectifiers»

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapter 9: «Transformers»

Цели обучения

• Использование электронной лампы (триоды) как аудиоусилителя
• Использование трансформаторов как в понижающей, так и в повышающей работе
• Как построить высоковольтный DC блок питания
• Использование трансформатора для согласования импедансов

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Добро пожаловать в мир ламповой электроники! Хотя не совсем применение полупроводниковой технологии (кроме выпрямителя блока питания), эта схема используется как введение в ламповую технологию и интересное применение импеданс-согласующих трансформаторов. Следует отметить, что сборка и эксплуатация этой схемы задействует смертельные напряжения!

Вы должны проявлять высочайшую осторожность при работе с этой схемой, так как 170 вольт постоянного тока способны убить вас!! Рекомендуется, чтобы новички искали квалифицированную помощь (опытные электрики, радиотехники или инженеры) при попытке собрать этот усилитель.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: не касайтесь никаких проводов или клемм, пока схема усилителя под напряжением! Если вы должны сделать контакт со схемой в какой-то момент, выключите переключатель «пластинного» блока питания и подождите, пока фильтрующий конденсатор разрядится ниже 30 вольт перед касанием любой части схемы. Если тестируете напряжения схемы с включенным питанием, используйте только одну руку, если возможно, чтобы избежать возможности удара током рука-рука.

Сборка высоковольтного блока питания: Электронные лампы требуют довольно высокого постоянного напряжения, приложенного между анодом и катодом, для эффективной работы. Хотя возможно работать усилительной схемой, описанной в этом эксперименте, на напряжении всего 24 вольта постоянного тока, выходная мощность будет ничтожно малой, а качество звука плохой.

Триод 12AX7 рассчитан на максимальное «анодное напряжение» (напряжение, приложенное между анодом и катодом) 330 вольт, поэтому наш блок питания 170 вольт постоянного тока, указанный здесь, хорошо входит в этот предел. Я эксплуатировал этот усилитель на напряжении до 235 вольт постоянного тока и обнаружил, что качество звука и интенсивность немного улучшились, но не настолько, чтобы, по моему мнению, оправдывать дополнительную опасность для экспериментаторов.

Блок питания фактически имеет два разных выхода: «B+» DC выход для анодного питания, и «филаментное» питание, которое составляет всего 12 вольт переменного тока. Лампы требуют питания, приложенного к малому филаменту (иногда называемому нагревателем), для работы, так как катод должен быть достаточно горячим для термической эмиссии электронов, и это не происходит при комнатной температуре!

Используя один понижающий трансформатор для снижения бытовых 120 вольт переменного тока до 12 вольт переменного тока обеспечивает низковольтное питание для филаментов, и другой трансформатор, соединенный в повышающей схеме, поднимает напряжение обратно до 120 вольт. Вы можете спросить: «зачем поднимать напряжение обратно до 120 вольт другим трансформатором? Почему не просто отпаять от сетевой вилки, чтобы получить 120 вольт переменного тока напрямую, а затем выпрямить это в 170 вольт постоянного тока?»

Ответ на это двойственен: первый, пропускание питания через два трансформатора по сути ограничивает количество тока, которое может быть отправлено в случайное короткое замыкание на анодной стороне усилительной схемы. Второй, это электрически изолирует анодную цепь от проводки вашего дома. Если бы мы выпрямляли сетевое напряжение диодным мостом, это сделало бы оба DC терминала (+ и -) поднятыми в напряжении от безопасности заземления электрической системы вашего дома, тем самым увеличивая опасность удара током.

Обратите внимание на тумблер, соединенный между 12-вольтовыми обмотками двух трансформаторов, помеченный «Plate supply switch». Этот переключатель управляет питанием повышающего трансформатора, тем самым контролируя анодное напряжение усилительной схемы. Почему не просто использовать главный сетевой переключатель, соединенный с 120-вольтовой вилкой? Зачем нужен второй переключатель для отключения высоковольтного постоянного тока, когда отключение одного главного переключателя совершило бы то же самое?

Ответ кроется в правильной работе электронной лампы: как лампы накаливания, электронные лампы «изнашиваются», когда их филаменты включаются и выключаются повторно, поэтому наличие этого дополнительного переключателя в схеме позволяет вам отключить высоковольтный постоянный ток (для безопасности при модификации или регулировке схемы) без необходимости отключать филамент. Также это хорошая привычка ждать, пока лампа достигнет полной рабочей температуры перед приложением анодного напряжения, и этот второй переключатель позволяет вам задержать приложение анодного напряжения до того, как лампа успеет достичь рабочей температуры.

Во время работы у вас должен быть вольтметр, подключенный к выходу «B+» блока питания (между терминалом B+ и «землей»), постоянно показывающий напряжение блока питания. Этот прибор покажет вам, когда фильтрующий конденсатор разрядился ниже предела опасности удара током (30 вольт) при выключении «Plate supply switch» для обслуживания усилительной схемы.

Терминал «земля», показанный на DC выходе схемы блока питания, не обязан соединяться с землей. Скорее, это просто символ, показывающий общую связь с соответствующим терминалом земли в усилительной схеме. В собираемой вами схеме будет кусок провода, соединяющий эти две «земли» вместе. Как всегда, обозначение определенных общих точек схемы посредством общего символа — стандартная практика в электронных схемах.

Вы заметите на схеме резистор 100 кОм параллельно фильтрующему конденсатору. Этот резистор вполне необходим, так как он дает конденсатору путь для разряда при выключении переменного тока. Без этого «блеeder» резистора в схеме конденсатор, скорее всего, удержит опасный заряд длительное время после «выключения», создавая дополнительную опасность удара током для вас.

В схеме, которую я собрал — с конденсатором 47 мкФ и резистором 100 кОм — временная постоянная этой RC цепи составляла краткие 4,7 секунды. Если вы случайно найдете фильтрующий конденсатор большего значения (хороший для минимизации нежелательного «гуда» блока питания в динамике), вам понадобится использовать соответствующее меньшее значение блеeder резистора, или ждать дольше для разряда напряжения каждый раз, когда вы выключаете переключатель «Plate supply».

Убедитесь, что у вас блок питания безопасно собран и надежно работает перед попыткой запитать усилительную схему им. Это хорошая практика сборки схем в целом: сначала собирайте и отлаживайте блок питания, затем собирайте схему, которую вы намерены им запитать. Если блок питания не функционирует как надо, то ни запитанная им схема не будет работать, как бы хорошо она ни была спроектирована и собрана.

Сборка усилителя: Одна из проблем сборки ламповых схем в 21 веке — это то, что панели для этих компонентов могут быть труднодоступны. Учитывая ограниченный срок службы большинства «приемных» ламп (несколько лет), большинство «ламповых» электронных приборов использовали панели для монтажа ламп, чтобы их можно было легко снимать и заменять.

Хотя лампы все еще можно получить (из музыкальных магазинов) с относительной легкостью, панели, в которые они вставляются, значительно редче — ваш местный Radio Shack не будет иметь их в наличии! Как же нам строить схемы с лампами, если мы можем не получить панели для них?

Для малых ламп эту проблему можно обойти прямым паянием коротких кусков монтажного провода 22 калибра к выводам лампы, позволяя вам «вставлять» лампу в беспаечную макетную плату. Вот фотография моего лампового усилителя, показывающая 12AX7 в инвертированном положении (выводами вверх).

Пожалуйста, игнорируйте 10-сегментный LED барграф слева и 8-позиционную DIP-панель переключателей справа на фотографии, так как это остаточные компоненты от эксперимента с цифровой схемой, собранной ранее на моей макетной плате.

Одно преимущество монтажа лампы в этом положении — легкость идентификации выводов, поскольку большинство «диаграмм соединений выводов» для ламп показаны с вида снизу:

Вы заметите на схеме усилителя, что оба триодных элемента внутри стеклянной колбы 12AX7 используются параллельно: анод к аноду, сетка к сетке, катод к катоду. Это делается для максимизации выходной мощности лампы, но не обязательно для демонстрации базовой работы. Вы можете использовать только один из триодов для простоты, если пожелаете.

Конденсатор 0,1 мкФ, показанный на схеме, «связывает» источник аудиосигнала (радио, музыкальную клавиатуру и т.д.) с сеткой(ами) лампы, пропуская переменный ток, но блокируя постоянный. Резистор 100 кОм обеспечивает, чтобы среднее постоянное напряжение между сеткой и катодом было нулевым и не могло «плавать» на каком-то высоком уровне. Обычно смещающие схемы используются для удержания сетки слегка отрицательной относительно земли, но для этой цели смещающая схема ввела бы больше сложности, чем того стоит.

Когда я тестировал свою усилительную схему, я использовал выход радиоприемника, а позже выход компакт-диска (CD) проигрывателя как источник аудиосигнала. Используя удлинительный шнур «моно»-на-«фоно» разъем, вставленный в гнездо наушников приемника/CD проигрывателя, и крокодиловые перемычки, соединяющие «моно» кончик шнура с входными клеммами лампового усилителя, я смог легко передать усилителю аудиосигналы переменной амплитуды для тестирования его производительности на широком диапазоне условий:

Трансформатор необходим на выходе усилительной схемы для «согласования» импедансов электронной лампы и динамика. Поскольку электронная лампа — высоковольтный, низкоточный прибор, а большинство динамиков — низковольтные, высокоточные приборы, несоответствие между ними привело бы к очень низкой аудио выходной мощности при прямом соединении.

Для успешного согласования высоковольтного, низкоточного источника с низковольтным, высокоточным нагрузкой мы должны использовать понижающий трансформатор. Поскольку тевененовское сопротивление схемы лампы находится в диапазоне десятков тысяч ом, а динамик имеет только около 8 ом импеданса, нам понадобится трансформатор с импедансным отношением около 10 000:1.

Поскольку импедансное отношение трансформатора — квадрат его коэффициента витков (или напряжений), мы ищем трансформатор с коэффициентом витков около 100:1. Типичная автомобильная катушка зажигания имеет примерно это отношение витков, и она также рассчитана на экстремально высокое напряжение на высоковольтной обмотке, делая её хорошо подходящей для этого применения.

Единственный плохой аспект использования катушки зажигания — она не обеспечивает электрическую изоляцию между первичной и вторичной обмотками, так как прибор фактически является автотрансформатором, с каждой обмоткой, разделяющей общий терминал на одном конце. Это означает, что провода динамика будут на высоком постоянном напряжении относительно цепной земли.

Пока мы знаем это и избегаем касания этих проводов во время работы, проблем не будет. Идеально, однако, трансформатор обеспечивал бы полную изоляцию так же, как и согласование импедансов, и провода динамика были бы абсолютно безопасны для прикосновения во время использования.

Помните, делайте все соединения в схеме с выключенным питанием! После визуальной проверки связей и омметром, чтобы убедиться, что схема собрана согласно схеме, придайте питание филаментам лампы и подождите около 30 секунд для достижения рабочей температуры.

Оба филамента должны излучать мягкое оранжевое свечение, видимое как с верхнего, так и с нижнего вида лампы. Поверните регулятор громкости вашего радио/CD проигрывателя/музыкальной клавиатуры источника сигнала на минимум, затем включите переключатель пластинного питания.

Вольтметр, который вы подключили между выходом B+ блока питания и «землей», должен зарегистрировать полное напряжение (около 170 вольт). Теперь увеличьте регулятор громкости на источнике сигнала и послушайте динамик. Если все хорошо, вы должны слышать правильные звуки четко через динамик.

Поиск неисправностей этой схемы: Лучше всего делается с чувствительным аудиодетектором, описанным в главах DC и AC этого тома Experiments.

Подключите конденсатор 0,1 мкФ последовательно с каждым тестовым зондом для блокировки постоянного тока от детектора, затем подключите один из тестовых зондов к земле, в то время как используйте другой тестовый зонд для проверки аудиосигнала в разных точках схемы. Используйте конденсаторы с высоким номиналом напряжения, как тот, использованный на входе усилительной схемы:

Использование двух связывающих конденсаторов вместо одного добавляет дополнительную степень безопасности, помогая изолировать прибор от любого (высокого) постоянного напряжения. Даже без дополнительного конденсатора внутренний трансформатор детектора должен обеспечивать достаточное электрическое изолирование для вашей безопасности при использовании его для тестирования сигналов в высоковольтной схеме вроде этой, особенно если вы собрали свой детектор с 120-вольтовым силовым трансформатором (а не «аудио выходным» трансформатором) как предложено.

Используйте его для теста хорошего сигнала на входе, затем на выводе(ах) сетки лампы, затем на аноде лампы и т.д., пока проблема не найдена. Будучи емкостно связанным, детектор также способен тестировать чрезмерный блок питания «гуд»: коснитесь свободным тестовым зондом терминала B+ блока питания и послушайте громкое 60 Гц гудение.

Шум должен быть очень тихим, не громким. Если он громкий, блок питания не отфильтрован достаточно адекватно и может нуждаться в дополнительной фильтрующей емкости. После тестирования точки в усилительной схеме с большим постоянным напряжением к земле, связывающие конденсаторы на детекторе могут набрать существенное напряжение.

Для разряда этого напряжения кратковременно коснитесь свободного тестового зонда заземленного тестового зонда. «Хлопок» звук должен быть услышан в наушниках при разряде связывающих конденсаторов.

Если вы предпочтете использовать вольтметр для тестирования наличия аудиосигнала, вы можете сделать это, установив его на чувствительный диапазон переменного напряжения. Показание, которое вы получите от вольтметра, однако, не скажет вам ничего о качестве сигнала, только о его простом присутствии.

Имейте в виду, что большинство вольтметров переменного тока зарегистрируют переходное напряжение при первоначальном подключении через источник постоянного напряжения, так что не удивляйтесь увидеть «пик» (сильное мгновенное показание напряжения) в самый момент контакта зондов прибора со схемой, быстро убывающий к истинному значению переменного сигнала. Вы можете приятно удивиться качеству и глубине тона от этого маленького усилителя, особенно учитывая его низкую выходную мощность: менее 1 ватта аудиомощи.

Конечно, схема довольно груба и жертвует качеством ради простоты и доступности деталей, но она служит для демонстрации базового принципа лампового усиления. Продвинутые любители и студенты могут пожелать экспериментировать со смещающими сетями, отрицательной обратной связью, разными выходными трансформаторами, разными напряжениями блока питания и даже разными лампами для получения большей мощности и/или лучшего качества звука.

Вот фото очень похожего усилительной схемы, собранной мужем и женой Терри и Шеррил Гётц, иллюстрирующей, что можно сделать, когда забота и мастерство применяются к проекту вроде этого.