Amplificador de Audio DIY con Tubo de Vacío 12AX7 – Construcción de Sonido Clásico

COMPONENTES Y MATERIALES

• Un tubo de vacío 12AX7 doble triodo
• Dos transformadores de potencia, 120VCA reductor a 12VCA (Radio Shack #273-1365, 273-1352, o 273-1511).
• Módulo rectificador puente (Radio Shack #276-1173)
• Capacitor electrolítico, al menos 47 µF, con voltaje de trabajo al menos 200 V CC.
• Bobina de encendido automotriz
• Altavoz de audio, 8 Ω impedancia
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Un capacitor 0,1 µF, 250 WVDC (Radio Shack #272-1053)
• "Fuente de alimentación CA de bajo voltaje" como se muestra en capítulo Experimentos CA
• Un interruptor conmutador, SPST ("Single-Pole, Single-Throw")
• Radio, reproductor de cinta, teclado musical, u otras fuentes de señal de voltaje audio

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

Ve a cualquier buena tienda de música y los encontrarás por precio modesto ($12 US o menos). Un fabricante ruso llamado Sovtek los fabrica nuevos, así que no necesitas depender de componentes "New-Old-Stock" (NOS) sobrantes de fabricantes americanos desaparecidos.

Este modelo de tubo fue muy popular en su época y puede encontrarse en viejo equipo de prueba "tubed" (osciloscopios, osciladores) si tienes acceso a tal equipo. Sin embargo, recomiendo encarecidamente comprar un tubo nuevo en lugar de arriesgarse con tubos recuperados de equipo antiguo.

Es importante seleccionar un capacitor electrolítico con voltaje de trabajo (WVDC) suficiente para soportar la salida del circuito de fuente de alimentación de este amplificador (aproximadamente 170 voltios). Recomiendo fuertemente elegir un capacitor con clasificación de voltaje bien por encima del voltaje de operación esperado, para manejar picos de voltaje inesperados u otros eventos que puedan tensar el capacitor.

Compré el surtido de capacitores electrolíticos Radio Shack (catálogo #272-802), y contenía dos capacitores de 47 µF, 250 WVDC. Si no tienes tanta suerte, puedes construir este circuito usando cinco capacitores, cada uno clasificado a 50 WVDC, para sustituir una unidad de 250 WVDC:

 

Ten en cuenta que la capacitancia total para esta red de cinco capacitores será 1/5, o 20%, del valor de cada capacitor. Además, para asegurar carga uniforme de capacitores en la red, asegúrate que todos los valores de capacitancia (en µF) y todos los valores de resistencia sean idénticos.

Una bobina de encendido automotriz es un transformador de alto voltaje de propósito especial usado en motores de auto para producir decenas de miles de volts para "disparar" las bujías. En este experimento, se usa (muy inconvencionalmente, debo añadir!) como transformador de acoplamiento de impedancia entre el tubo de vacío y un altavoz de 8 Ω.

La elección específica de "bobina" no es crítica, siempre que esté en buen estado operativo. Aquí una fotografía de la bobina que usé para este experimento:

 

El altavoz no necesita ser extravagante. He usado pequeños altavoces "bookshelf", altavoces automotrices (6"x9"), así como un gran altavoz estéreo 3-vías de 100 vatios para este experimento, y todos funcionan bien.

No uses auriculares bajo ninguna circunstancia, ya que la bobina de encendido no proporciona aislamiento eléctrico entre los 170 voltios CC de la fuente de alimentación "placa" y el altavoz, elevando así las conexiones del altavoz a ese voltaje respecto a tierra. Como obviamente colocar cables en tu cabeza con alto voltaje a tierra sería muy peligroso, ¡por favor no uses auriculares!

Necesitarás alguna fuente de CA de frecuencia audio como señal de entrada a este circuito amplificador. Recomiendo una radio pequeña a pilas o teclado musical, con cable apropiado enchufado en la toma "auriculares" o "salida audio" para llevar la señal a tu amplificador.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lessons In Electric Circuits, Volumen 3, capítulo 13: "Tubos de Electrones"

Lessons In Electric Circuits, Volumen 3, capítulo 3: "Diodos y Rectificadores"

Lessons In Electric Circuits, Volumen 2, capítulo 9: "Transformadores"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Usar un tubo de vacío (triodo) como amplificador de audio
• Usar transformadores en operación tanto reductora como elevadora
• Cómo construir una fuente de alimentación CC de alto voltaje
• Usar un transformador para acoplar impedancias

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

 

 

ILUSTRACIÓN

 

INSTRUCCIONES

¡Bienvenido al mundo de la electrónica de tubos de vacío! Aunque no es exactamente una aplicación de tecnología semiconductor (fuente de alimentación rectificadora exceptuada), este circuito se usa como introducción a tecnología de tubos de vacío, y una aplicación interesante para transformadores de acoplamiento de impedancia. Debe notarse que construir y operar este circuito involucra trabajo con voltajes letales!

Debes mostrar extremo cuidado al trabajar con este circuito, ¡ya que 170 voltios CC es capaz de electrocutarte!! Se recomienda que principiantes busquen asistencia calificada (electricistas experimentados, técnicos de electrónica, o ingenieros) si intentan construir este amplificador.

ADVERTENCIA: no toques cables o terminales mientras el circuito amplificador esté energizado! Si debes hacer contacto con el circuito en cualquier punto, apaga el interruptor de "fuente placa" y espera a que el capacitor filtro descargue por debajo de 30 voltios antes de tocar cualquier parte del circuito. Si pruebas voltajes de circuito con la alimentación encendida, usa solo una mano si es posible para evitar posibilidad de descarga brazo-a-brazo.

Construyendo la fuente de alto voltaje: Los tubos de vacío requieren voltaje CC bastante alto aplicado entre terminales placa y cátodo para funcionar eficientemente. Aunque es posible operar el circuito amplificador descrito en este experimento con tan bajo como 24 voltios CC, la potencia de salida será minúscula y la calidad de sonido pobre.

El triodo 12AX7 está clasificado en máximo "voltaje de placa" (voltaje aplicado entre placa y cátodo) de 330 voltios, así que nuestra fuente de 170 voltios CC especificada aquí está bien dentro de ese límite máximo. He operado este amplificador hasta 235 voltios CC y descubrí que tanto calidad como intensidad de sonido mejoraron ligeramente, pero no lo suficiente en mi estimación para justificar el peligro adicional para experimentadores.

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

Usar un transformador para reducir los 120 voltios CA domésticos a 12 voltios CA proporciona bajo voltaje para los filamentos, y otro transformador conectado en forma elevadora devuelve el voltaje a 120 voltios. Podrías preguntarte, "¿por qué subir el voltaje de nuevo a 120 voltios con otro transformador? ¿Por qué no simplemente derivar del enchufe de pared para obtener 120 voltios CA directamente, y luego rectificar eso en 170 voltios CC?"

La respuesta es doble: primero, hacer pasar la potencia a través de dos transformadores limita inherentemente la cantidad de corriente que puede enviarse a un cortocircuito accidental en el lado placa del circuito amplificador. Segundo, aisla eléctricamente el circuito de placa del sistema de cableado de tu casa. Si rectificáramos potencia de enchufe con puente diodo, ambos terminales CC (+ y -) estarían elevados en voltaje desde la conexión de seguridad a tierra del sistema eléctrico de tu casa, aumentando el peligro de descarga.

Observa el interruptor conmutador conectado entre los devanados de 12 voltios de los dos transformadores, etiquetado "Interruptor fuente placa". Este interruptor controla potencia al transformador elevador, controlando así voltaje de placa al circuito amplificador. ¿Por qué no usar solo el interruptor principal conectado al enchufe de 120 voltios? ¿Por qué un segundo interruptor para apagar el alto voltaje CC, cuando apagar el interruptor principal lograría lo mismo?

La respuesta radica en operación adecuada de tubo de vacío: como bombillas incandescentes, los tubos de vacío "se desgastan" cuando sus filamentos se encienden y apagan repetidamente, así que tener este interruptor adicional en el circuito te permite apagar el alto voltaje CC (para seguridad al modificar o ajustar el circuito) sin tener que apagar el filamento. También, es buen hábito esperar a que el tubo alcance temperatura operativa completa antes de aplicar voltaje de placa, y este segundo interruptor te permite retrasar la aplicación de voltaje de placa hasta que el tubo haya tenido tiempo de alcanzar temperatura operativa.

Durante operación, deberías tener un voltímetro conectado a la salida "B+" de la fuente de alimentación (entre terminal B+ y "tierra"), proporcionando indicación continua del voltaje de la fuente. Este medidor te mostrará cuándo el capacitor filtro ha descargado por debajo del límite de peligro de descarga (30 voltios) cuando apagas el "Interruptor fuente placa" para servicio del circuito amplificador.

El terminal "tierra" mostrado en la salida CC del circuito de fuente de alimentación no necesita conectar a tierra física. Más bien, es meramente un símbolo mostrando conexión común con un símbolo terminal de tierra correspondiente en el circuito amplificador. En el circuito que construyas, habrá un cable conectando estos dos puntos "tierra" juntos. Como siempre, la designación de ciertos puntos comunes en un circuito mediante un símbolo compartido es práctica estándar en esquemáticos electrónicos.

Notarás que el diagrama esquemático muestra una resistencia de 100 kΩ en paralelo con el capacitor filtro. Esta resistencia es bastante necesaria, ya que provee al capacitor un camino para descarga cuando la potencia CA se apaga. Sin este resistor "descargador" en el circuito, el capacitor probablemente retendría carga peligrosa por mucho tiempo después de "apagado", representando peligro de descarga adicional.

En el circuito que construí —con capacitor 47 µF y resistor descargador 100 kΩ— la constante de tiempo de este circuito RC fue breve 4,7 segundos. Si encuentras valor de capacitor filtro mayor (bueno para minimizar "zumbido" no deseado de fuente en el altavoz), necesitarás usar valor correspondientemente menor de resistor descargador, o esperar más para que el voltaje se descargue cada vez que apagas el "Interruptor fuente placa".

Asegúrate de tener la fuente de alimentación construida de forma segura y funcionando confiablemente antes de intentar alimentar el circuito amplificador con ella. Esta es buena práctica de construcción de circuitos en general: construye y soluciona problemas de la fuente primero, luego construye el circuito que pretendes alimentar. Si la fuente no funciona como debería, entonces el circuito alimentado tampoco lo hará, sin importar cuán bien diseñado y construido esté.

Construyendo el amplificador: Uno de los problemas con construir circuitos de tubos en el siglo 21 es que los zócalos para estos componentes pueden ser difíciles de encontrar. Dada la vida limitada de la mayoría de tubos "receptor" (unos pocos años), la mayoría de dispositivos electrónicos "tubed" usaban zócalos para montar los tubos, para que pudieran removerse y reemplazarse fácilmente.

Aunque los tubos aún pueden obtenerse (de tiendas de suministros musicales) con relativa facilidad, los zócalos en que enchufan son considerablemente más escasos —¡tu Radio Shack local no los tendrá en stock! ¿Cómo, entonces, construimos circuitos con tubos, si podríamos no conseguir zócalos para enchufarlos?

Para tubos pequeños, este problema puede sortearse soldando directamente longitudes cortas de alambre de cobre sólido calibre 22 a los pines del tubo, permitiéndote "enchufar" el tubo en una protoboard sin soldadura. Aquí una fotografía de mi amplificador de tubo, mostrando el 12AX7 en posición invertida (lado pines arriba).

Por favor ignora la barra LED 10 segmentos a la izquierda y el ensamblaje DIP switch 8 posiciones a la derecha en la fotografía, ya que son componentes sobrantes de un experimento de circuito digital ensamblado previamente en mi protoboard.

 

Un beneficio de montar el tubo en esta posición es facilidad de identificación de pines ya que la mayoría de "diagramas de conexión de pines" para tubos se muestran desde vista inferior:

 

Notarás en el esquema amplificador que ambos elementos triodo dentro del sobre de vidrio del 12AX7 están siendo usados, en paralelo: placa conectada a placa, rejilla conectada a rejilla, y cátodo conectado a cátodo. Esto se hace para maximizar potencia de salida del tubo, pero no es necesario para demostrar operación básica. Puedes usar solo uno de los triodos, por simplicidad, si lo deseas.

El capacitor 0,1 µF mostrado en el esquema "acopla" la fuente de señal audio (radio, teclado musical, etc.) a la(s) rejilla(s) del tubo, permitiendo CA pasar pero bloqueando CC. La resistencia 100 kΩ asegura que el voltaje CC promedio entre rejilla y cátodo es cero, y no puede "flotar" a algún nivel alto. Típicamente, circuitos de polarización se usan para mantener rejilla ligeramente negativa respecto a tierra, pero para este propósito, un circuito de polarización introduciría más complejidad de la 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 audio. Usando un cable extensor "mono"-a-"phono" enchufado en la toma auriculares del receptor/reproductor CD, y cables puente con pinzas de cocodrilo conectando la punta "mono" del cable a terminales de entrada del amplificador de tubo, pude enviar fácilmente señales audio de amplitud variable para probar su rendimiento en amplia gama de condiciones:

 

Un transformador es esencial en la salida del circuito amplificador para "acoplar" las impedancias de tubo de vacío y altavoz. Como el tubo de vacío es dispositivo de alto voltaje, baja corriente, y la mayoría de altavoces son dispositivos de bajo voltaje, alta corriente, el desajuste entre ellos resultaría en potencia audio muy baja si se conectaran directamente.

Para acoplar exitosamente la fuente alto voltaje, baja corriente a la carga bajo voltaje, alta corriente, debemos usar transformador reductor. Como la resistencia Thevenin del circuito de tubo ronda decenas de miles de ohmios, y el altavoz solo tiene ~8 ohmios impedancia, necesitaremos transformador con relación impedancia ~10,000:1.

Como la relación impedancia de un transformador es el cuadrado de su relación de vueltas (o voltaje), buscamos transformador con relación vueltas ~100:1. Una bobina de encendido automotriz típica tiene aproximadamente esta relación, y también está clasificada para voltaje extremadamente alto en el devanado alto voltaje, haciéndola adecuada para esta aplicación.

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

Mientras sepamos esto, y evitemos tocar esos cables durante operación, no habrá problema. Idealmente, el transformador proveería aislamiento completo además de acoplamiento impedancia, y los cables del altavoz serían perfectamente seguros al tocar durante uso.

Recuerda, haz todas las conexiones en el circuito con la alimentación apagada! Después de verificar conexiones visual y con óhmetro para asegurar que el circuito está construido según diagrama esquemático, aplica potencia a los filamentos del tubo y espera ~30 segundos para que alcance temperatura operativa.

Ambos filamentos deberían emitir suave brillo naranja, visible desde vistas superior e inferior del tubo. Pon control volumen de tu radio/reproductor CD/teclado señal a mínimo, luego enciende interruptor fuente placa.

El voltímetro conectado entre terminal B+ de la fuente y "tierra" debería registrar voltaje completo (aproximadamente 170 voltios). Ahora, sube control volumen en la fuente señal y escucha el altavoz. Si todo está bien, deberías oír sonidos correctos claramente a través del altavoz.

Solución de problemas este circuito: Mejor hecho con detector de audio sensible descrito en capítulos CC y CA de este volumen Experimentos.

Conecta capacitor 0,1 µF en serie con cada punta de prueba para bloquear CC del detector, luego conecta una punta a tierra, mientras usas la otra para buscar señal audio en varios puntos del circuito. Usa capacitores con alta clasificación voltaje, como el usado en entrada del amplificador:

 

Usar dos capacitores de acoplamiento en vez de solo uno añade grado adicional seguridad, ayudando aislar unidad de cualquier voltaje CC (alto). Incluso sin capacitor extra, el transformador interno del detector debería proveer aislamiento eléctrico suficiente para tu seguridad al usarlo para probar señales en circuito alto voltaje como este, especialmente si construiste tu detector usando transformador potencia 120 voltios (en vez de transformador "salida audio") como sugerido.

Úsalo para probar buena señal en entrada, luego en pin(es) rejilla del tubo, luego en placa del tubo, etc. hasta encontrar problema. Al ser acoplado capacitivamente, el detector también puede probar "zumbido" excesivo fuente: toca punta libre al terminal B+ de la fuente y escucha fuerte zumbido 60 Hz.

El ruido debería ser muy suave, no fuerte. Si es fuerte, la fuente no está filtrada adecuadamente y puede necesitar capacitancia filtro adicional. Después de probar punto en circuito amplificador con alto voltaje CC a tierra, los capacitores acoplamiento en el detector pueden acumular voltaje sustancial.

Para descargar este voltaje, toca brevemente la punta libre a la punta puesta a tierra. Un sonido "pop" debería oírse en auriculares mientras los capacitores acoplamiento descargan.

Si prefieres usar voltímetro para probar presencia de señal audio, puedes hacerlo, configurándolo en rango sensible voltaje CA. La indicación de un voltímetro, aunque, no te dice nada sobre la calidad de la señal, solo su mera presencia.

Ten en cuenta que la mayoría de voltímetros CA registrarán voltaje transitorio al conectarse inicialmente a través de fuente voltaje CC, así que no te sorprendas ver "pico" (indicación voltaje momentánea fuerte) en el momento exacto que las puntas del medidor contactan el circuito, disminuyendo rápidamente al valor real señal CA. Puedes sorprenderte gratamente por la calidad y profundidad de tono de este pequeño circuito amplificador, especialmente dado su bajo potencia salida: menos de 1 vatio potencia audio.

Por supuesto, el circuito es bastante crudo y sacrifica calidad por simplicidad y disponibilidad partes, pero sirve demostrar principio básico amplificación tubo vacío. Aficionados avanzados y estudiantes pueden desear experimentar con redes polarización, realimentación negativa, transformadores salida diferentes, voltajes fuente alimentación diferentes, e incluso tubos diferentes, para obtener más potencia y/o mejor calidad sonido.

Aquí una foto de circuito amplificador muy similar, construido por el equipo esposo-esposa Terry y Cheryl Goetz, ilustrando lo que puede hacerse cuando cuidado y artesanía se aplican a proyecto como este.