Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Ламповый аудио усилитель

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Ламповый аудио усилитель[1]

Оборудование и материалы

Где взять лампу 12AX7, спросите вы? Так я отвечу: эти лампы очень популярны для использования в каскадах «предусилителя» многих профессиональных усилителей для электрогитар.

Зайдите в любой хороший музыкальный магазин, и вы найдёте их по скромной цене (12 долларов США, а то и меньше). Благодаря российскому производителю Sovtek всегда доступны новые лампы, так что вам не нужно полагаться на компоненты «New-Old-Stock» (NOS), оставшиеся от несуществующих американских производителей.

Эта модель лампы была очень популярна в своё время, и её можно найти в старых «ламповых» электронных контрольно-измерительных приборах (осциллографах, осцилляторах), если у вас есть доступ к таким устройствам. Тем не менее, я настоятельно рекомендую покупать новые лампы, а не рисковать с лампами, утилизированными от старинного оборудования.

Важно выбрать электролитический конденсатор с достаточным рабочим напряжением (WVDC), чтобы выдержать выходное напряжение цепи питания этого усилителя (около 170 вольт). Я настоятельно рекомендую выбирать конденсатор с номинальным напряжением, значительно превышающим ожидаемое рабочее напряжение, чтобы выдерживать неожиданные скачки напряжения или любые другие события, которые могут привести к перегрузке конденсатора.

Я купил набор электролитических конденсаторов Radio Shack (номер по каталогу 272-802), и он содержал два конденсатора по 47 мкФ, 250 В постоянного тока. Если вам не так повезло, вы можете построить эту схему, используя пять конденсаторов, каждый из которых рассчитан на 50 В постоянного тока, чтобы заменить один блок на 250 Вт постоянного тока:

Рис. 1. Конденсатор на 250 В можно заменить на 5 конденсаторов по 50 В каждый.
Рис. 1. Конденсатор на 250 В можно заменить на 5 конденсаторов по 50 В каждый.

Имейте в виду, что общая ёмкость для этой сети из пяти конденсаторов будет составлять ⅕, или 20%, от номинала каждого конденсатора. Кроме того, чтобы обеспечить равномерную зарядку конденсаторов в сети, убедитесь, что номиналы всех конденсаторов (в мкФ) и резисторов одинаковы.

Автомобильная катушка зажигания – это специальный высоковольтный трансформатор, используемый в автомобильных двигателях для выработки десятков тысяч вольт для «запуска» свечей зажигания. В этом эксперименте она используется (очень нестандартно, должен заметить!) в качестве согласующего импеданса трансформатора между вакуумной лампой и 8-омным аудио динамиком.

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

Рис. 2. Эта катушка индуктивности знавала лучшие времена, но для эксперимента годится.
Рис. 2. Эта катушка индуктивности знавала лучшие времена, но для эксперимента годится.

Аудио динамик не обязательно должен быть экстравагантным. Для этого эксперимента я использовал небольшие полочные динамики, автомобильные (6 × 9 дюймов), а также большой (100 Вт) трёхполосный стереодинамик, и все они работают нормально.

Ни в коем случае не используйте комплект наушников, так как катушка зажигания не обеспечивает гальваническую развязку между 170 вольт постоянного тока «пластинчатого» источника питания и динамиком, тем самым повышая соединения динамика до этого напряжения по отношению к «земле». Поскольку очевидно, что размещение на голове проводов с высоким напряжением на «землю» было бы очень опасным, пожалуйста, не используйте наушники!

Вам понадобится источник переменного тока звуковой частоты в качестве входного сигнала для этой схемы усилителя. Я рекомендую небольшой радиоприёмник с батарейным питанием или музыкальный синтезатор с соответствующим кабелем, подключённым к разъёму «наушники» или «аудио выход» для передачи сигнала на ваш усилитель.

Ссылки по теме

Цели эксперимента

Принципиальные схемы

[[File:VI-5_19_3.png|400px|center|thumb|Рис. 3. Однотактный ламповый усилитель звука класса A.|alt=]Рис. 3. Однотактный ламповый усилитель звука класса A.]

Рис. 4. Схематическая диаграмма: ламповый аудио усилитель.
Рис. 4. Схематическая диаграмма: ламповый аудио усилитель.

Иллюстрации

Рис. 5. Иллюстрация: ламповый аудио усилитель.
Рис. 5. Иллюстрация: ламповый аудио усилитель.

Ход эксперимента

Добро пожаловать в мир ламповой электроники! Хотя это не совсем применение полупроводниковой технологии (за исключением выпрямителя источника питания), эта схема используется как введение в ламповые технологии и как интересное применение для трансформаторов согласования импеданса. Следует отметить, что построение и эксплуатация этой схемы требует работы со смертельными напряжениями!

Вы должны проявлять предельную осторожность при работе с этой цепью, так как 170 вольт постоянного тока могут убить вас электрическим током!!! Начинающим рекомендуется обратиться за квалифицированной помощью (к опытным электрикам, электронщикам или инженерам), если они пытаются собрать этот усилитель.

Внимание!

Не прикасайтесь к проводам или клеммам, пока цепь усилителя находится под напряжением! Если вам необходимо установить контакт с цепью в любой точке, выключите «пластинчатый» выключатель питания и подождите, пока конденсатор фильтра разрядится ниже 30 вольт, прежде чем прикасаться к какой-либо части цепи. При проверке напряжения цепи при включённом питании используйте, по возможности, только одну руку, чтобы избежать возможности поражения электрическим током при контакте руки с рукой.

Создание высоковольтного источника питания: для эффективной работы вакуумных ламп требуется достаточно высокое постоянное напряжение, подаваемое между клеммами пластины и катода. Хотя схема усилителя, описанная в этом эксперименте, может работать даже при напряжении 24 В постоянного тока, выходная мощность будет незначительной, а качество звука — плохим.

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

Блок питания на самом деле имеет два разных выхода мощности: выход постоянного тока «B+» для питания от пластины и источник питания «накаливания», который составляет всего 12 вольт переменного тока. Для работы ламп требуется питание, подаваемое на маленькую нить накала (иногда называемую нагревателем), поскольку катод должен быть достаточно горячим, чтобы термически испускать электроны, а этого не происходит при комнатной температуре!

Использование одного силового трансформатора для понижения домашнего напряжения переменного тока 120 вольт до 12 вольт переменного тока обеспечивает низкое напряжение для нитей накала, а другой трансформатор, подключённый в повышающем режиме, возвращает напряжение обратно до 120 вольт. Вы можете задаться вопросом: «Зачем повышать напряжение до 120 вольт с помощью другого трансформатора? Почему бы просто не отключить вилку от настенной розетки, чтобы напрямую получить 120 вольт переменного тока, а затем преобразовать его в 170 вольт постоянного тока?»

Ответ на этот вопрос двоякий: во-первых, прохождение мощности через два трансформатора по своей природе ограничивает величину тока, который может быть направлен на случайное короткое замыкание на стороне пластины схемы усилителя. Во-вторых, он электрически изолирует цепь пластины от электропроводки вашего дома. Если бы мы выпрямляли напряжение в настенной розетке с помощью диодного моста, это привело бы к повышенному напряжению на обеих клеммах постоянного тока (+ и -) от защитного заземления электрической системы вашего дома, тем самым увеличивая опасность поражения электрическим током.

Обратите внимание на тумблер, подключённый между 12-вольтовыми обмотками двух трансформаторов, с надписью «Переключатель питания пластин». Этот переключатель управляет питанием повышающего трансформатора, тем самым контролируя напряжение пластины в цепи усилителя. Почему бы просто не использовать основной переключатель питания, подключённый к 120-вольтовой вилке? Зачем нужен второй переключатель для отключения высокого напряжения постоянного тока, когда отключение одного основного переключателя приведёт к тому же самому?

Ответ заключается в правильной работе электронных ламп: как и лампы накаливания, электронные лампы «изнашиваются», когда их нити накала постоянно включаются и выключаются, поэтому наличие этого дополнительного переключателя в цепи позволяет отключать высокое напряжение постоянного тока (в целях безопасности, при изменении или регулировки схемы) без отключения нити накала. Кроме того, перед подачей анодного напряжения рекомендуется подождать, пока лампа не достигнет полной рабочей температуры, а этот второй переключатель позволяет отложить подачу анодного напряжения до тех пор, пока лампа не достигнет рабочей температуры.

Во время работы к выводу «B+» источника питания (между клеммой «B+» и «землёй») должен быть подключён вольтметр, непрерывно показывающий напряжение источника питания. Этот измеритель покажет вам, когда конденсатор фильтра разрядится ниже предела опасности поражения электрическим током (30 вольт), когда вы выключите «Переключатель питания пластины» для обслуживания схемы усилителя.

Клемму «земля», показанную на выходе постоянного тока цепи питания, не нужно подключать к заземлению. Скорее, это просто символ, показывающий общее соединение с соответствующим символом клеммы заземления в схеме усилителя. В схеме, которую вы строите, будет кусок провода, соединяющий эти две «заземляющие» точки вместе. Как всегда, обозначение некоторых общих точек в цепи с помощью общего символа является стандартной практикой в электронных схемах.

Вы заметите, что на принципиальной диаграмме резистор номиналом 100 кОм подключён параллельно конденсатору фильтра. Этот резистор совершенно необходим, так как он обеспечивает путь разряда конденсатора при отключении питания переменного тока. Без этого «стравливающего» резистора в цепи конденсатор, вероятно, будет сохранять опасный заряд в течение длительного времени после «отключения питания», создавая для вас дополнительную опасность поражения электрическим током.

В схеме, которую я построил – с конденсатором 47 мкФ и стабилизирующим резистором 100 кОм – постоянная времени этой RC-цепи составляла всего 4,7 секунды. Если вам посчастливилось найти большее значение конденсатора фильтра (хорошо для минимизации нежелательного «гула» источника питания в динамике), вам нужно будет использовать соответственно меньшее значение резистора разрядки или ждать дольше, пока напряжение не спадёт каждый раз, когда вы выключите «Переключатель питания пластин».

Прежде чем пытаться запитать с его помощью схему усилителя, убедитесь, что источник питания надёжно сконструирован и работает без проволочек. В целом это хорошая практика построения схемы: сначала соберите источник питания и устраните неполадки, а затем соберите схему, которую вы собираетесь питать от него. Если источник питания не работает должным образом, то и схема питания не будет работать, как бы хорошо она ни была спроектирована и построена.

Сборка усилителя: одна из проблем при сборке схем на электронных лампах в 21 веке заключается в том, что сложно найти разъёмы для подобных компонентов. Учитывая ограниченный срок службы большинства «приёмных» ламп (несколько лет), в большинстве «ламповых» электронных устройств использовались гнёзда для установки ламп, чтобы их можно было легко снимать и заменять.

Хотя лампы всё ещё можно относительно легко достать (в музыкальных магазинах), разъёмов, к которым они подключаются, значительно меньше — в вашем местном магазине Radio Shack их не будет! Как же тогда мы будем строить цепи из ламп, если у нас может не быть розеток для их подключения?

Для небольших трубок эту проблему можно обойти, напрямую припаяв короткие отрезки одножильного медного провода 22-го калибра к контактам трубки, что позволит вам «вставить» трубку в макетную плату без пайки. Вот фотография моего лампового усилителя, показывающая 12AX7 в перевёрнутом положении (выводами вверх).

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

Рис. 6. Ламповый усилитель, 12AX7 в перевёрнутом положении (выводами вверх).
Рис. 6. Ламповый усилитель, 12AX7 в перевёрнутом положении (выводами вверх).

Одним из преимуществ монтажа лампы в этом положении является простота идентификации контактов, поскольку большинство «схем соединений штырей» для трубок показаны в виде снизу:

Рис. 7. Схема лампы с двумя триодами 12AX7.
Рис. 7. Схема лампы с двумя триодами 12AX7.

Вы заметите на схеме усилителя, что оба элемента триода внутри стеклянной оболочки 12AX7 используются параллельно: пластина соединена с пластиной, сетка соединена с сеткой, а катод соединен с катодом. Это делается для максимизации выходной мощности лампы, но не обязательно для демонстрации основных операций. Вы можете использовать только один из триодов, для простоты, если хотите.

Конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ, показанный на схеме, «соединяет» источник аудиосигнала (радио, музыкальный инструмент и т. д.) с сеткой (сетками) лампы, пропуская переменный ток, но блокируя постоянный ток. Резистор 100 кОм гарантирует, что среднее постоянное напряжение между сеткой и катодом равно нулю и не может «плавать» до какого-то высокого уровня. Как правило, схемы смещения используются для того, чтобы сетка оставалась слегка отрицательной по отношению к «земле», но для этой цели схема смещения представляет больше сложности, чем пользы.

Когда я тестировал свою схему усилителя, я использовал выход радиоприёмника, а затем выход проигрывателя компакт-дисков (CD) в качестве источника аудиосигнала. Используя удлинитель с разъёмом «моно» на «фоно», подключённый к разъёму для наушников ресивера/проигрывателя компакт-дисков, и соединительные провода типа «крокодил», соединяющие «моно» конец шнура с входными клеммами лампового усилителя, я смог легко отправить на усилитель звуковые сигналы различной амплитуды, чтобы проверить его работу в широком диапазоне условий:

Рис. 8. Отправка на усилитель звуковых сигналов различной амплитуды.
Рис. 8. Отправка на усилитель звуковых сигналов различной амплитуды.

Трансформатор необходим на выходе схемы усилителя для «согласования» импедансов электронной лампы и динамика. Поскольку вакуумная лампа является устройством с высоким напряжением и низким током, а большинство динамиков являются устройствами с низким напряжением и высоким током, несоответствие между ними привело бы к очень низкой выходной мощности звука, если бы они были подключены напрямую.

Чтобы успешно согласовать высоковольтный слаботочный источник с низковольтной сильноточной нагрузкой, мы должны использовать понижающий трансформатор. Так как сопротивление Тевенена цепи вакуумной лампы колеблется в десятки тысяч Ом, а сопротивление динамика составляет всего около 8 Ом, нам понадобится трансформатор с коэффициентом импеданса около 10000:1.

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

Единственным плохим аспектом использования катушки зажигания является то, что она не обеспечивает гальваническую развязку между первичной и вторичной обмотками, поскольку устройство фактически представляет собой автотрансформатор, в котором каждая обмотка имеет общий вывод на одном конце. Это означает, что провода динамиков будут находиться под высоким постоянным напряжением по отношению к заземлению цепи.

Пока мы это знаем и не касаемся этих проводов во время работы, проблем не будет. В идеале, однако, трансформатор должен обеспечивать полную изоляцию, а также согласование импедансов, а к проводам динамиков можно совершенно безопасно прикасаться во время использования.

Помните, что все соединения в цепи следует выполнять при выключенном питании! После проверки соединений визуально и с помощью омметра, чтобы убедиться, что цепь построена в соответствии с принципиальной схемой, подайте питание на нити накала лампы и подождите около 30 секунд, чтобы она достигла рабочей температуры.

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

Вольтметр, подключённый между выходной клеммой «B+» источника питания и «землёй», должен регистрировать полное напряжение (около 170 вольт). Теперь увеличьте громкость на источнике сигнала и слушайте динамик. Если всё в порядке, вы должны чётко слышать правильные звуки через динамик.

Устранение неполадок в этой цепи: Лучше всего использовать чувствительный аудио детектор, описанный в главах «Постоянный ток» и «Переменный ток» этого тома «Эксперименты».

Подсоедините конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ последовательно к каждому измерительному проводу, чтобы заблокировать постоянный ток от детектора, затем подключите один из измерительных проводов к «земле», а другой измерительный провод используйте для проверки аудиосигнала в различных точках цепи. Используйте конденсаторы с высоким номинальным напряжением, такие как тот, который используется на входе схемы усилителя:

Рис. 9. Использование конденсаторов с высоким номинальным напряжением.
Рис. 9. Использование конденсаторов с высоким номинальным напряжением.

Использование двух разделительных конденсаторов вместо одного добавляет дополнительную степень безопасности, помогая изолировать устройство от любого (высокого) напряжения постоянного тока. 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, как эта, особенно если вы построили свой детектор с использованием силового трансформатора на 120 вольт (вместо трансформатора «аудиовыхода»), как это было предложено.

Используйте его для проверки наличия хорошего сигнала на входе, затем на выводах сетки лампы, затем на пластине лампы и т. д., пока проблема не будет найдена. Имея ёмкостную «связь», детектор также может обнаруживать чрезмерное «гудение» источника питания: прикоснитесь свободным тестовым проводом к клемме «B+» источника питания и прислушайтесь к громкому гудящему шуму частотой 60 Гц.

Шум должен быть очень тихим, не громким. Если он громкий, блок питания не фильтруется должным образом и может потребоваться дополнительная ёмкость фильтра. После проверки точки в цепи усилителя с высоким постоянным напряжением относительно «земли», ёмкостная «связь» на детекторе может создать значительное напряжение.

Чтобы снять это напряжение, прикоснитесь свободным щупом к заземлённому щупу. В наушниках должен быть слышен «хлопок», когда разряжаются разделительные конденсаторы.

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

Имейте в виду, что большинство вольтметров переменного тока будут регистрировать переходное напряжение при первоначальном подключении к источнику постоянного напряжения, поэтому не удивляйтесь, увидев «всплеск» (сильное, мгновенное показание напряжения) в тот самый момент, когда происходит контакт с датчика счётчика к цепи, быстро уменьшаясь до истинного значения сигнала переменного тока. Вы можете быть приятно удивлены качеством и глубиной тона этой маленькой схемы усилителя, особенно с учётом его 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 захотеть поэкспериментировать с цепями смещения, отрицательной обратной связью, разными выходными трансформаторами, разными напряжениями питания и даже разными лампами, чтобы получить большую мощность и/или лучшее качество звука.

Вот фотография очень похожей схемы усилителя, созданной командой мужа и жены Терри и Шерил Гетц, иллюстрирующая, что можно сделать, когда к такому проекту, как этот, применяются забота и мастерство.

Рис. 10. Конкретная реализация схемы усилителя.
Рис. 10. Конкретная реализация схемы усилителя.

См.также

Внешние ссылки