Amplificador de audio con tubo de vacío

PIEZAS Y MATERIALES

• Un tubo de vacío de doble triodo 12AX7
• Dos transformadores de potencia, reductores de 120 VCA a 12 VCA (catálogo de Radio Shack n. ° 273-1365, 273-1352 o 273-1511).
• Módulo rectificador de puente (catálogo de Radio Shack # 276-1173)
• Condensador electrolítico, al menos 47 µF, con un voltaje de trabajo de al menos 200 voltios CC.
• Bobina de encendido automotriz
• Altavoz de audio, impedancia de 8 Ω
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Un capacitor de 0.1 µF, 250 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1053)
• "Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje" como se muestra en el capítulo Experimentos de CA
• Un interruptor de palanca, SPST ("Unipolar, Un solo tiro")
• Radio, reproductor de cintas, teclado musical u otras fuentes de señal de voltaje de audio

¿Dónde puedes conseguir un tubo 12AX7, preguntas? Estos tubos son muy populares para su uso en las etapas de "preamplificador" de muchos amplificadores de guitarra eléctrica profesionales.

Vaya a cualquier tienda de buena música y los encontrará disponibles por un precio modesto ($ 12 USD o menos). Un fabricante ruso llamado Sovtek hace que estos tubos sean nuevos, por lo que no necesita depender de los componentes "New-Old-Stock" (NOS) que quedan de fabricantes estadounidenses desaparecidos.

Este modelo de tubo fue muy popular en su día y se puede encontrar en viejos equipos de prueba electrónicos "entubados" (osciloscopios, osciladores) si tiene acceso a dicho equipo. Sin embargo, sugiero encarecidamente comprar un tubo nuevo en lugar de arriesgarse con tubos recuperados de equipos antiguos.

Es importante seleccionar un capacitor electrolítico con suficiente voltaje de trabajo (WVDC) para soportar la salida del circuito de suministro de energía de este amplificador (alrededor de 170 voltios). Recomiendo encarecidamente elegir un capacitor con una clasificación de voltaje muy superior al voltaje operativo esperado, para manejar sobretensiones inesperadas o cualquier otro evento que pueda afectar el capacitor.

Compré el surtido de capacitores electrolíticos Radio Shack (catálogo # 272-802), y resultó que contenía dos capacitores de 47 µF, 250 WVDC. Si no es tan afortunado, puede construir este circuito con cinco condensadores, cada uno con una potencia nominal de 50 WVDC, para sustituir una unidad de 250 WVDC:

Tenga en cuenta que la capacitancia total para esta red de cinco capacitores será 1/5, o 20%, del valor de cada capacitor. Además, para garantizar una carga uniforme de los condensadores en la red, asegúrese de que todos los valores de los condensadores (en µF) y todos los valores de las resistencias sean idénticos.

Una bobina de encendido para automóvil es un transformador de alto voltaje de propósito especial que se utiliza en los motores de los automóviles para producir decenas de miles de voltios para "encender" las bujías. En este experimento, se usa (¡de manera muy poco convencional, debo agregar!) Como un transformador de adaptación de impedancia entre el tubo de vacío y un altavoz de audio de 8 Ω.

La elección específica de "bobina" no es crítica, siempre que esté en buenas condiciones de funcionamiento. Aquí hay una fotografía de la bobina que usé para este experimento:

El altavoz de audio no tiene por qué ser extravagante. He usado parlantes pequeños de "estantería", parlantes para automóviles (6 "x9"), así como un parlante estéreo de 3 vías grande (100 vatios) para este experimento, y todos funcionan bien.

No use un par de auriculares bajo ninguna circunstancia, ya que la bobina de encendido no proporciona aislamiento eléctrico entre los 170 voltios DC de la fuente de alimentación de “placa” y el altavoz, elevando así las conexiones del altavoz a ese voltaje con respecto a tierra. Dado que, obviamente, colocar cables en su cabeza con alto voltaje a tierra sería muy peligroso , por favor no use audífonos.

Necesitará alguna fuente de CA de frecuencia de audio como señal de entrada para este circuito amplificador. Recomiendo una radio pequeña que funcione con pilas o un teclado musical, con un cable apropiado enchufado en el conector para "auriculares" o "salida de audio" para transmitir la señal a su amplificador.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 13:"Tubos de electrones"

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 3:“Diodos y rectificadores”

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 2, capítulo 9:"Transformadores"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Usar un tubo de vacío (triodo) como amplificador de audio
• Uso de transformadores tanto en operación ascendente como descendente
• Cómo construir una fuente de alimentación de CC de alto voltaje
• Usar un transformador para igualar impedancias

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

¡Bienvenido al mundo de la electrónica de tubos de vacío! Si bien no es exactamente una aplicación de la tecnología de semiconductores (excepto el rectificador de la fuente de alimentación), este circuito se utiliza como una introducción a la tecnología de tubos de vacío y una aplicación interesante para transformadores de adaptación de impedancia. Cabe señalar que ¡construir y operar este circuito implica trabajar con voltajes letales!

¡Debe tener el máximo cuidado al trabajar con este circuito, ya que 170 voltios CC son capaces de electrocutarlo! Se recomienda que los principiantes busquen asistencia calificada (electricistas experimentados, técnicos electrónicos o ingenieros) si intentan construir este amplificador.

ADVERTENCIA:¡no toque ningún cable o terminal mientras el circuito del amplificador esté energizado! Si debe hacer contacto con el circuito en cualquier punto, apague el interruptor de suministro de energía de la “placa” y espere a que el condensador del filtro se descargue por debajo de 30 voltios antes de tocar cualquier parte del circuito. Si prueba los voltajes del circuito con la energía encendida, use solo una mano si es posible para evitar la posibilidad de una descarga eléctrica de brazo a brazo.

Construcción de la fuente de alimentación de alto voltaje: Los tubos de vacío requieren un voltaje de CC bastante alto aplicado entre la placa y los terminales del cátodo para funcionar de manera eficiente. Aunque es posible operar el circuito amplificador descrito en este experimento con tan solo 24 voltios de CC, la salida de potencia será minúscula y la calidad del sonido deficiente.

El triodo 12AX7 tiene un valor nominal de "voltaje de placa" máximo (voltaje aplicado entre terminales de placa y cátodo) de 330 voltios, por lo que nuestra fuente de alimentación de 170 voltios CC especificada aquí está dentro de ese límite máximo. Utilicé este amplificador con una potencia de hasta 235 voltios CC y descubrí que tanto la calidad como la intensidad del sonido mejoraron ligeramente , pero no lo suficiente en mi opinión como para justificar el peligro adicional para los experimentadores.

La fuente de alimentación en realidad tiene dos salidas de potencia diferentes:la salida de CC "B +" para la potencia de la placa y la potencia de "filamento", que es de sólo 12 voltios de CA. Los tubos requieren energía aplicada a un pequeño filamento (a veces llamado calentador ) para funcionar, ya que el cátodo debe estar lo suficientemente caliente como para emitir electrones térmicamente, ¡y eso no sucede a temperatura ambiente!

El uso de un transformador de potencia para reducir la potencia de CA de 120 voltios de la casa a 12 voltios de CA proporciona bajo voltaje para los filamentos, y otro transformador conectado en forma de aumento lleva el voltaje de regreso a 120 voltios. Quizás se esté preguntando, “¿por qué volver a subir el voltaje a 120 voltios con otro transformador? ¿Por qué no simplemente desconectar el enchufe de la pared para obtener una alimentación de CA de 120 voltios directamente ? y luego rectificar eso en 170 voltios CC? "

La respuesta a esto es doble En primer lugar, hacer funcionar la energía a través de dos transformadores limita inherentemente la cantidad de corriente que puede enviarse a un cortocircuito accidental en el lado de la placa del circuito amplificador. En segundo lugar, aísla eléctricamente el circuito de la placa del sistema de cableado de su casa. Si rectificáramos la energía del enchufe de pared con un puente de diodos, ambos terminales de CC (+ y -) tendrían un voltaje elevado desde la conexión a tierra de seguridad del sistema eléctrico de su casa, lo que aumentaría el riesgo de descarga.

Tenga en cuenta el interruptor de palanca conectado entre los devanados de 12 voltios de los dos transformadores, con la etiqueta "Interruptor de suministro de placa". Este interruptor controla la energía al transformador elevador, controlando así el voltaje de la placa al circuito amplificador. ¿Por qué no utilizar simplemente el interruptor de alimentación principal conectado al enchufe de 120 voltios? ¿Por qué tiene un segundo interruptor para apagar el alto voltaje de CC, cuando apagar un interruptor principal lograría lo mismo?

La respuesta está en el funcionamiento correcto del tubo de vacío: Al igual que las bombillas incandescentes, los tubos de vacío se "desgastan" cuando sus filamentos se encienden y apagan repetidamente, por lo que tener este interruptor adicional en el circuito le permite apagar el alto voltaje de CC (por seguridad al modificar o ajustar el circuito) sin tener que hacerlo apague el filamento. Además, es un buen hábito esperar a que el tubo alcance la temperatura de funcionamiento completa antes aplicando voltaje de placa, y este segundo interruptor le permite retrasar la aplicación de voltaje de placa hasta que el tubo haya tenido tiempo de alcanzar la temperatura de funcionamiento.

Durante el funcionamiento, debe tener un voltímetro conectado al " B + ”Salida de la fuente de alimentación (entre B + terminal y tierra), proporcionando continuamente una indicación del voltaje de la fuente de alimentación. Este medidor le mostrará cuando el condensador del filtro se haya descargado por debajo del límite de riesgo de descarga (30 voltios) cuando apague el "Interruptor de suministro de placa" para reparar el circuito del amplificador.

El terminal de "tierra" que se muestra en la salida de CC del circuito de suministro de energía no necesita conectarse a tierra. Más bien, es simplemente un símbolo que muestra una conexión común con un símbolo de terminal de tierra correspondiente en el circuito amplificador. En el circuito que construya, habrá un trozo de cable que conectará estos dos puntos de "tierra". Como siempre, la designación de ciertos puntos comunes en un circuito por medio de un símbolo compartido es una práctica estándar en los esquemas electrónicos.

Observará que el diagrama esquemático muestra una resistencia de 100 kΩ en paralelo con el condensador del filtro. Esta resistencia es bastante necesaria, ya que proporciona al condensador una ruta de descarga cuando se apaga la alimentación de CA. Sin esta resistencia de "purga" en el circuito, es probable que el condensador retenga una carga peligrosa durante mucho tiempo después del "apagado", lo que representa un peligro de descarga adicional para usted.

En el circuito que construí, con un condensador de 47 µF y una resistencia de purga de 100 kΩ, la constante de tiempo de este circuito RC fue de unos breves 4,7 segundos. Si encuentra un valor de condensador de filtro mayor (bueno para minimizar el "zumbido" no deseado de la fuente de alimentación en el altavoz), deberá usar un valor correspondientemente más pequeño de resistencia de purga, o esperar más tiempo para que el voltaje se purgue cada vez que apague el interruptor "Suministro de platos".

Asegúrese de tener la fuente de alimentación construida de manera segura y funcionando de manera confiable antes de intentar alimentar el circuito amplificador con ella. Esta es una buena práctica de construcción de circuitos en general:primero construya y solucione los problemas de la fuente de alimentación, luego construya el circuito que desea alimentar con ella. Si la fuente de alimentación no funciona como debería, tampoco lo hará el circuito alimentado, sin importar qué tan bien esté diseñado y construido.

Construyendo el amplificador: Uno de los problemas de la construcción de circuitos de tubos de vacío en el siglo XXI es que los enchufes porque estos componentes pueden ser difíciles de encontrar. Dada la vida útil limitada de la mayoría de los tubos "receptores" (unos pocos años), la mayoría de los dispositivos electrónicos "con tubos" utilizaban enchufes para montar los tubos, de modo que pudieran quitarse y reemplazarse fácilmente.

Aunque los tubos todavía pueden obtenerse (en tiendas de suministros de música) con relativa facilidad, los enchufes a los que se enchufan son considerablemente más escasos:¡su Radio Shack local no los tendrá en stock! Entonces, ¿cómo construimos circuitos con tubos, si es posible que no podamos obtener enchufes para que se conecten?

Para tubos pequeños, este problema puede evitarse soldando directamente tramos cortos de alambre de cobre sólido de calibre 22 a las clavijas del tubo, lo que le permite "enchufar" el tubo en una placa de prueba sin soldadura. Aquí hay una fotografía de mi amplificador de válvulas, que muestra el 12AX7 en una posición invertida (con el pin hacia arriba).

Ignore el gráfico de barras LED de 10 segmentos a la izquierda y el conjunto del interruptor DIP de 8 posiciones a la derecha en la fotografía, ya que estos son componentes sobrantes de un experimento de circuito digital ensamblado previamente en mi tablero.

Una ventaja de montar el tubo en esta posición es la facilidad de identificación de los pines, ya que la mayoría de los "diagramas de conexión de pines" para tubos se muestran desde una vista inferior:

Notará en el esquema del amplificador que ambos elementos de triodo dentro de la envoltura de vidrio del 12AX7 se están utilizando, en paralelo:placa conectada a placa, rejilla conectada a rejilla y cátodo conectado a cátodo. Esto se hace para maximizar la salida de potencia del tubo, pero no es necesario para demostrar el funcionamiento básico. Puede usar solo uno de los triodos, por simplicidad, si lo desea.

El condensador de 0,1 µF que se muestra en el esquema "acopla" la fuente de señal de audio (radio, teclado musical, etc.) a la (s) rejilla (s) del tubo, permitiendo que pase CA pero bloqueando CC. La resistencia de 100 kΩ asegura que el voltaje de CC promedio entre la rejilla y el cátodo sea cero y no pueda “flotar” a un nivel alto. Por lo general, los circuitos de polarización se utilizan para mantener la red ligeramente negativa con respecto a la tierra, pero para este propósito, un circuito de polarización introduciría más complejidad de lo que vale.

Cuando probé mi circuito amplificador, usé la salida de un receptor de radio, y luego la salida de un reproductor de disco compacto (CD), como fuente de señal de audio. Usando un cable de extensión de conector "mono" a "phono" enchufado en la toma de auriculares del receptor / reproductor de CD, y cables de puente de pinza de cocodrilo que conectan la punta "mono" del cable a los terminales de entrada del amplificador de tubo, I pudo enviar fácilmente las señales de audio del amplificador de diversa amplitud para probar su rendimiento en una amplia gama de condiciones:

Un transformador es esencial en la salida del circuito amplificador para "igualar" las impedancias del tubo de vacío y el altavoz. Dado que el tubo de vacío es un dispositivo de alto voltaje y baja corriente, y la mayoría de los altavoces son dispositivos de bajo voltaje y alta corriente, la falta de coincidencia entre ellos daría como resultado una salida de audio muy baja si estuvieran conectados directamente.

Para hacer coincidir con éxito la fuente de alto voltaje y baja corriente con la carga de bajo voltaje y alta corriente, debemos usar un transformador reductor. Dado que la resistencia de Thevenin del circuito del tubo de vacío varía en decenas de miles de ohmios, y el altavoz solo tiene una impedancia de aproximadamente 8 ohmios, necesitaremos un transformador con una relación de impedancia de aproximadamente 10,000:1.

Dado que la relación de impedancia de un transformador es el cuadrado de su relación de vueltas (o relación de voltaje), estamos buscando un transformador con una relación de vueltas de aproximadamente 100:1. Una bobina de encendido de automóvil típica tiene aproximadamente esta relación de vueltas y también está clasificada para voltaje extremadamente alto en el devanado de alto voltaje, lo que la hace muy adecuada para esta aplicación.

El único aspecto negativo de usar una bobina de encendido es que no proporciona aislamiento eléctrico entre los devanados primario y secundario, ya que el dispositivo es en realidad un autotransformador, y cada devanado comparte un terminal común en un extremo. Esto significa que los cables de los altavoces tendrán un voltaje de CC alto con respecto a la tierra del circuito.

Siempre que sepamos esto y evitemos tocar esos cables durante el funcionamiento, no habrá ningún problema. Idealmente, sin embargo, el transformador proporcionaría un aislamiento completo, así como una adaptación de impedancia, y los cables de los altavoces serían perfectamente seguros para tocar durante el uso.

Recuerde, haga todas las conexiones en el circuito ¡con la energía apagada! Después de verificar las conexiones visualmente y con un ohmímetro para asegurarse de que el circuito esté construido según el diagrama esquemático, aplique energía a los filamentos del tubo y espere unos 30 segundos para que alcance la temperatura de funcionamiento.

Ambos filamentos deben emitir un brillo anaranjado suave, visible desde las vistas superior e inferior del tubo. Gire el control de volumen de la fuente de señal de su radio / reproductor de CD / teclado musical al mínimo, luego encienda el interruptor de suministro de la placa.

El voltímetro que ha conectado entre el terminal de salida B + de la fuente de alimentación y "tierra" debe registrar voltaje completo (aproximadamente 170 voltios). Ahora, suba el control de volumen en la fuente de señal y escuche al altavoz. Si todo está bien, debería escuchar los sonidos correctos claramente a través del altavoz.

Solución de problemas de este circuito: Se hace mejor con el detector de audio sensible que se describe en los capítulos de CC y CA de este volumen de Experimentos.

Conecte un capacitor de 0.1 µF en serie con cada cable de prueba para bloquear la CC del detector, luego conecte uno de los cables de prueba a tierra, mientras usa el otro cable de prueba para verificar la señal de audio en varios puntos del circuito. Utilice condensadores con una clasificación de alto voltaje, como el que se usa en la entrada del circuito amplificador:

El uso de dos condensadores de acoplamiento en lugar de solo uno agrega un grado adicional de seguridad, al ayudar a aislar la unidad de cualquier voltaje de CC (alto). Sin embargo, incluso sin el condensador adicional, el transformador interno del detector debe proporcionar suficiente aislamiento eléctrico para su seguridad al usarlo para probar señales en un circuito de alto voltaje como este, especialmente si construyó su detector con un transformador de potencia de 120 voltios ( en lugar de un transformador de "salida de audio") como se sugiere.

Úselo para probar una buena señal en la entrada, luego en las clavijas de la rejilla del tubo, luego en la placa del tubo, etc. hasta que se encuentre el problema. Al estar acoplado capacitivamente, el detector también puede probar el "zumbido" excesivo de la fuente de alimentación:toque el cable de prueba libre en el terminal B + de la fuente y escuche un fuerte zumbido de 60 Hz.

El ruido debe ser muy suave, no fuerte. Si es fuerte, la fuente de alimentación no se filtra lo suficiente y puede necesitar capacitancia de filtro adicional. Después de probar un punto en el circuito del amplificador con un gran voltaje de CC a tierra, los condensadores de acoplamiento del detector pueden acumular un voltaje sustancial.

Para descargar este voltaje, toque brevemente el cable de prueba libre con el cable de prueba conectado a tierra. Se debe escuchar un sonido de "pop" en los auriculares cuando se descargan los condensadores de acoplamiento.

Si prefiere usar un voltímetro para probar la presencia de señal de audio, puede hacerlo, configurándolo en un rango sensible de voltaje de CA. Sin embargo, la indicación que obtiene de un voltímetro no le dice nada sobre la calidad de la señal, solo su mera presencia.

Tenga en cuenta que la mayoría de los voltímetros de CA registrarán un voltaje transitorio cuando se conecten inicialmente a través de una fuente de voltaje de CC, por lo que no se sorprenda de ver un "pico" (una fuerte indicación de voltaje momentáneo) en el mismo momento en que se hace contacto con las sondas del medidor al circuito, disminuyendo rápidamente al valor real de la señal de CA. Es posible que se sorprenda gratamente de la calidad y profundidad del tono de este pequeño circuito amplificador, especialmente dada su baja potencia de salida:menos de 1 vatio de potencia de audio.

Por supuesto, el circuito es bastante tosco y sacrifica la calidad por la simplicidad y la disponibilidad de piezas, pero sirve para demostrar el principio básico de la amplificación del tubo de vacío. Los estudiantes y aficionados avanzados pueden desear experimentar con redes de polarización, retroalimentación negativa, diferentes transformadores de salida, diferentes voltajes de suministro de energía e incluso diferentes tubos, para obtener más potencia y / o mejor calidad de sonido.

Aquí hay una foto de un circuito amplificador muy similar, construido por el equipo de marido y mujer de Terry y Cheryl Goetz, que ilustra lo que se puede hacer cuando se aplican cuidados y destreza a un proyecto como este.