Vacuümbuis-audioversterker

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Eén 12AX7 dubbele triode vacuümbuis
• Twee voedingstransformatoren, 120VAC step-down naar 12VAC (Radio Shack-catalogus # 273-1365, 273-1352 of 273-1511).
• Bruggelijkrichtermodule (Radio Shack-catalogus # 276-1173)
• Elektrolytische condensator, minimaal 47 µF, met een werkspanning van minimaal 200 volt DC.
• Bobine voor auto's
• Audioluidspreker, 8 Ω impedantie
• Twee weerstanden van 100 kΩ
• Eén condensator van 0,1 µF, 250 WVDC (Radio Shack-catalogus # 272-1053)
• "Laagspannings-wisselstroomvoeding" zoals weergegeven in het hoofdstuk AC-experimenten
• Eén tuimelschakelaar, SPST ("Single-Pole, Single-Throw")
• Radio, cassettespeler, muziektoetsenbord of andere bronnen van audiospanningssignaal

Waar kun je een 12AX7-buis krijgen, vraag je? Deze buizen zijn erg populair voor gebruik in de "voorversterker"-trappen van veel professionele elektrische gitaarversterkers.

Ga naar een goede muziekwinkel en je vindt ze voor een bescheiden prijs ($ 12 US of minder). Een Russische fabrikant genaamd Sovtek maakt deze buizen nieuw, dus u hoeft niet te vertrouwen op "New-Old-Stock" (NOS) componenten die zijn overgebleven van ter ziele gegane Amerikaanse fabrikanten.

Dit buismodel was in die tijd erg populair en kan worden gevonden in oude "tubed" elektronische testapparatuur (oscilloscopen, oscillatoren) als je toevallig toegang hebt tot dergelijke apparatuur. Ik raad echter sterk aan om een ​​nieuwe buis te kopen in plaats van risico's te nemen met buizen die zijn geborgen uit antieke apparatuur.

Het is belangrijk om een ​​elektrolytische condensator te kiezen met voldoende werkspanning (WVDC) om de output van het voedingscircuit van deze versterker (ongeveer 170 volt) te weerstaan. Ik raad ten zeerste aan om een ​​condensator te kiezen met een nominale spanning die ver boven de verwachte bedrijfsspanning ligt, om onverwachte spanningspieken of andere gebeurtenissen die de condensator kunnen belasten, op te vangen.

Ik kocht het Radio Shack elektrolytische condensatorassortiment (catalogus # 272-802), en het bevatte twee 47 µF, 250 WVDC condensatoren. Als je niet zo gelukkig bent, kun je dit circuit bouwen met vijf condensatoren, elk met een vermogen van 50 WVDC, ter vervanging van een 250 WVDC-eenheid:

Houd er rekening mee dat de totale capaciteit voor dit netwerk met vijf condensatoren 1/5 of 20% van de waarde van elke condensator zal zijn. Zorg er ook voor dat alle condensatorwaarden (in µF) en alle weerstandswaarden identiek zijn om ervoor te zorgen dat de condensatoren in het netwerk gelijkmatig worden opgeladen.

Een autobobine is een speciale hoogspanningstransformator die in automotoren wordt gebruikt om tienduizenden volt te produceren om de bougies te "ontsteken". In dit experiment wordt het gebruikt (heel onconventioneel, zou ik kunnen toevoegen!) als een impedantie-aanpassingstransformator tussen de vacuümbuis en een 8 Ω-audioluidspreker.

De specifieke keuze van "spoel" is niet kritisch, zolang deze in goede staat is. Hier is een foto van de spoel die ik voor dit experiment heb gebruikt:

De audiospeaker hoeft niet extravagant te zijn. Ik heb voor dit experiment kleine "boekenplank"-luidsprekers, auto- (6"x9") luidsprekers en een grote (100 watt) 3-weg stereoluidspreker gebruikt, en ze werken allemaal prima.

Gebruik geen koptelefoon onder geen enkele omstandigheid, aangezien de bobine geen elektrische isolatie biedt tussen de 170 volt gelijkstroom van de "plaat" voeding en de luidspreker, waardoor de luidsprekeraansluitingen worden verhoogd tot die spanning ten opzichte van aarde. Aangezien het uiteraard zeer gevaarlijk zou zijn om draden op uw hoofd te plaatsen met hoogspanning naar aarde , gebruik alsjeblieft geen koptelefoon!

U hebt een bron van audiofrequentie-wisselstroom nodig als ingangssignaal voor dit versterkercircuit. Ik raad een kleine batterijgevoede radio of muziektoetsenbord aan, met een geschikte kabel aangesloten op de "hoofdtelefoon"- of "audio-uitgang" -aansluiting om het signaal naar uw versterker over te brengen.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 13:“Elektronenbuizen”

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 3:"Diodes en gelijkrichters"

Lessen in elektrische circuits , Volume 2, hoofdstuk 9:“Transformers”

LEERDOELSTELLINGEN

• Een vacuümbuis (triode) gebruiken als audioversterker
• Transformers gebruiken in zowel step-down als step-up werking
• Hoe een hoogspannings-gelijkstroomvoeding te bouwen
• Een transformator gebruiken om impedanties te matchen

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Welkom in de wereld van vacuümbuiselektronica! Hoewel het niet echt een toepassing van halfgeleidertechnologie is (met uitzondering van de voedingsgelijkrichter), wordt dit circuit gebruikt als een inleiding tot vacuümbuistechnologie en een interessante toepassing voor impedantie-aanpassende transformatoren. Opgemerkt moet worden dat het bouwen en bedienen van dit circuit gepaard gaat met werken met dodelijke spanningen!

U moet uiterst voorzichtig zijn bij het werken met deze schakeling, aangezien 170 volt DC u kan elektrocuteren!! Het wordt aanbevolen dat beginners gekwalificeerde hulp zoeken (ervaren elektriciens, elektronicatechnici of ingenieurs) als ze proberen deze versterker te bouwen.

WAARSCHUWING:raak geen draden of aansluitingen aan terwijl het versterkercircuit onder spanning staat! Als u op enig moment contact moet maken met het circuit, zet u de "plaat"-voedingsschakelaar uit en wacht u tot de filtercondensator onder de 30 volt is ontladen voordat u een deel van het circuit aanraakt. Als u circuitspanningen test terwijl de stroom is ingeschakeld, gebruik dan indien mogelijk slechts één hand om de mogelijkheid van een elektrische schok van arm tot arm te voorkomen.

Het bouwen van de hoogspanningsvoeding: Vacuümbuizen vereisen een vrij hoge gelijkspanning tussen plaat- en kathodeaansluitingen om efficiënt te kunnen functioneren. Hoewel het mogelijk is om het in dit experiment beschreven versterkercircuit te laten werken op slechts 24 volt gelijkstroom, zal het uitgangsvermogen minuscuul zijn en de geluidskwaliteit slecht.

De 12AX7-triode heeft een maximale "plaatspanning" (spanning toegepast tussen plaat- en kathodeaansluitingen) van 330 volt, dus onze voeding van 170 volt DC die hier wordt gespecificeerd, ligt ruim binnen die maximale limiet. Ik heb deze versterker op maar liefst 235 volt gelijkstroom laten werken en ontdekte dat zowel de geluidskwaliteit als de intensiteit iets verbeterden , maar naar mijn mening niet genoeg om het extra gevaar voor onderzoekers te rechtvaardigen.

De voeding heeft eigenlijk twee verschillende vermogensuitgangen:de "B+" DC-uitgang voor plaatvoeding en de "filament" -voeding, die slechts 12 volt AC is. Buizen hebben stroom nodig op een kleine gloeidraad (ook wel een verwarmer genoemd) ) om te kunnen functioneren, aangezien de kathode heet genoeg moet zijn om elektronen thermisch uit te zenden, en dat gebeurt niet bij kamertemperatuur!

Het gebruik van één voedingstransformator om 120 volt wisselstroom in het huishouden te verlagen naar 12 volt wisselstroom zorgt voor een laag voltage voor de filamenten, en een andere transformator die op een step-up manier is aangesloten, brengt de spanning terug naar 120 volt. Je vraagt ​​​​je misschien af:"Waarom zou je de spanning terug naar 120 volt brengen met een andere transformator? Waarom niet gewoon de stekker uit het stopcontact halen om direct 120 volt wisselstroom te krijgen , en zet dat dan om in 170 volt gelijkstroom?”

Het antwoord hierop is tweeledig :ten eerste beperkt het laten lopen van stroom door twee transformatoren inherent de hoeveelheid stroom die kan worden gestuurd naar een onbedoelde kortsluiting aan de plaatzijde van het versterkercircuit. Ten tweede isoleert het het plaatcircuit elektrisch van het bedradingssysteem van uw huis. Als we de stroom naar het stopcontact zouden corrigeren met een diodebrug, zouden beide DC-aansluitingen (+ en -) een hoger voltage krijgen dan de veiligheidsaarding van het elektrische systeem van uw huis, waardoor het risico op schokken groter wordt.

Let op de tuimelschakelaar die is aangesloten tussen de 12 volt-wikkelingen van de twee transformatoren, met het label 'Plaattoevoerschakelaar'. Deze schakelaar regelt het vermogen naar de step-up transformator, waardoor de plaatspanning naar het versterkercircuit wordt geregeld. Waarom gebruik je niet gewoon de hoofdschakelaar die is aangesloten op de 120 volt-stekker? Waarom heeft een tweede schakelaar om de DC-hoogspanning uit te schakelen, terwijl het uitschakelen van één hoofdschakelaar hetzelfde zou bereiken?

Het antwoord ligt in de juiste werking van de vacuümbuis: zoals gloeilampen, "slijten" vacuümbuizen wanneer hun filamenten herhaaldelijk op en neer worden aangestuurd, dus met deze extra schakelaar in het circuit kunt u de DC-hoogspanning uitschakelen (voor de veiligheid bij het wijzigen of aanpassen van het circuit) zonder dat u sluit de draad af. Het is ook een goede gewoonte om te wachten tot de buis de volledige bedrijfstemperatuur heeft bereikt voordat door plaatspanning toe te passen, en met deze tweede schakelaar kunt u de toepassing van plaatspanning uitstellen totdat de buis de tijd heeft gehad om de bedrijfstemperatuur te bereiken.

Tijdens bedrijf moet u een voltmeter hebben aangesloten op de "B+ ” uitgang van de voeding (tussen de B+ klem en aarde), die continu de voedingsspanning aangeeft. Deze meter laat u zien wanneer de filtercondensator is ontladen tot onder de schokrisicogrens (30 volt) wanneer u de "Plaatvoedingsschakelaar" uitschakelt om het versterkercircuit te onderhouden.

De "aarde" -aansluiting die wordt weergegeven op de DC-uitgang van het voedingscircuit hoeft niet te worden aangesloten op aarde. Het is eerder slechts een symbool dat een gemeenschappelijke verbinding toont met een corresponderend aardklemsymbool in het versterkercircuit. In het circuit dat je bouwt, zal er een stuk draad zijn dat deze twee "aard" -punten met elkaar verbindt. Zoals altijd is de aanduiding van bepaalde gemeenschappelijke punten in een circuit door middel van een gedeeld symbool de standaardpraktijk in elektronische schema's.

U zult merken dat het schema een weerstand van 100 kΩ parallel aan de filtercondensator toont. Deze weerstand is vrij noodzakelijk, omdat het de condensator een pad biedt voor ontlading wanneer de wisselstroom is uitgeschakeld. Zonder deze "bleeder" -weerstand in het circuit, zou de condensator waarschijnlijk nog lang een gevaarlijke lading behouden na "power-down", wat een extra schokgevaar voor u oplevert.

In het circuit dat ik heb gebouwd - met een condensator van 47 F en een ontluchtingsweerstand van 100 kΩ - was de tijdconstante van dit RC-circuit een korte 4,7 seconden. Als u toevallig een grotere filtercondensatorwaarde vindt (goed voor het minimaliseren van ongewenste "brom" van de voeding in de luidspreker), moet u een overeenkomstig kleinere waarde van de ontluchtingsweerstand gebruiken, of langer wachten tot de spanning elke keer dat u afvloeit zet de schakelaar "Plaattoevoer" uit.

Zorg ervoor dat de voeding veilig is geconstrueerd en betrouwbaar werkt voordat u probeert het versterkercircuit ermee van stroom te voorzien. Dit is in het algemeen een goede praktijk voor het bouwen van circuits:bouw eerst de voeding en los deze op, en bouw vervolgens het circuit dat u ermee wilt voeden. Als de voeding niet werkt zoals het hoort, zal het stroomcircuit ook niet werken, hoe goed het ook is ontworpen en gebouwd.

De versterker bouwen: Een van de problemen met het bouwen van vacuümbuiscircuits in de 21e eeuw is dat contactdozen want deze componenten kunnen moeilijk te vinden zijn. Gezien de beperkte levensduur van de meeste "ontvanger" buizen (enkele jaren), gebruikten de meeste "tubed" elektronische apparaten sockets voor het monteren van de buizen, zodat ze gemakkelijk konden worden verwijderd en vervangen.

Hoewel buizen nog steeds relatief gemakkelijk verkrijgbaar zijn (bij muziekwinkels), zijn de stopcontacten waarop ze aansluiten aanzienlijk schaarser - uw lokale Radio Shack heeft ze niet op voorraad! Hoe bouwen we dan circuits met buizen, als we misschien geen stopcontacten kunnen krijgen om in te pluggen?

Voor kleine buizen kan dit probleem worden omzeild door korte stukken 22-gauge massief koperdraad rechtstreeks op de pinnen van de buis te solderen, zodat u de buis in een soldeerloze breadboard kunt "pluggen". Hier is een foto van mijn buizenversterker, met de 12AX7 in omgekeerde positie (pin-side-up).

Negeer de 10-segmenten LED-balkgrafiek aan de linkerkant en de 8-positie DIP-schakelaarassemblage aan de rechterkant op de foto, aangezien dit overgebleven componenten zijn van een digitaal circuitexperiment dat eerder op mijn breadboard is gemonteerd.

Een voordeel van het monteren van de buis in deze positie is de gemakkelijke identificatie van de pin, aangezien de meeste "pin-aansluitschema's" voor buizen worden weergegeven vanuit een onderaanzicht:

U zult op het schema van de versterker zien dat beide triode-elementen in de glazen omhulling van de 12AX7 parallel worden gebruikt:plaat verbonden met plaat, rooster verbonden met rooster en kathode verbonden met kathode. Dit wordt gedaan om het vermogen van de buis te maximaliseren, maar het is niet nodig om de basiswerking te demonstreren. U kunt desgewenst slechts één van de triodes gebruiken, voor de eenvoud.

De condensator van 0,1 µF die op het schema wordt getoond, "koppelt" de audiosignaalbron (radio, muziektoetsenbord, enz.) aan het (de) buizenrooster(s), waardoor AC kan passeren maar DC wordt geblokkeerd. De weerstand van 100 kΩ zorgt ervoor dat de gemiddelde gelijkspanning tussen het net en de kathode nul is en niet naar een hoog niveau kan "zweven". Gewoonlijk worden biascircuits gebruikt om het raster enigszins negatief te houden ten opzichte van aarde, maar voor dit doel zou een biascircuit meer complexiteit introduceren dan zijn waarde.

Toen ik mijn versterkercircuit testte, gebruikte ik de uitgang van een radio-ontvanger en later de uitgang van een cd-speler (cd-speler) als audiosignaalbron. Met behulp van een "mono"-naar-"phono"-connectorverlengsnoer aangesloten op de hoofdtelefoonaansluiting van de ontvanger/cd-speler, en krokodillenklemmetjes die de "mono"-punt van het snoer verbinden met de ingangsaansluitingen van de buizenversterker, ik was in staat om gemakkelijk audiosignalen van verschillende amplitude naar de versterker te sturen om de prestaties onder een breed scala van omstandigheden te testen:

Een transformator is essentieel aan de uitgang van het versterkercircuit voor het "afstemmen" van de impedanties van vacuümbuis en luidspreker. Aangezien de vacuümbuis een apparaat is met een hoog voltage en een lage stroomsterkte, en de meeste luidsprekers apparaten met een laag voltage en een hoge stroomsterkte zijn, zou de mismatch tussen beide resulteren in een zeer laag geluidsvermogen als ze rechtstreeks waren aangesloten.

Om de hoogspannings-, laagstroombron met succes af te stemmen op de laagspannings-, hoge stroombelasting, moeten we een step-down transformator gebruiken. Aangezien de Thevenin-weerstand van het vacuümbuiscircuit in de tienduizenden ohm ligt en de luidspreker slechts een impedantie van ongeveer 8 ohm heeft, hebben we een transformator nodig met een impedantieverhouding van ongeveer 10.000:1.

Aangezien de impedantieverhouding van een transformator het kwadraat is, van zijn wikkelverhouding (of spanningsverhouding), zijn we op zoek naar een transformator met een wikkelverhouding van ongeveer 100:1. Een typische bobine voor auto's heeft ongeveer deze wikkelverhouding en is ook geschikt voor extreem hoge spanning op de hoogspanningswikkeling, waardoor hij zeer geschikt is voor deze toepassing.

Het enige slechte aspect van het gebruik van een bobine is dat deze geen elektrische isolatie biedt tussen primaire en secundaire wikkelingen, aangezien het apparaat eigenlijk een autotransformator is, waarbij elke wikkeling aan één uiteinde een gemeenschappelijke aansluiting deelt. Dit betekent dat de luidsprekerdraden op een hoge gelijkspanning staan ​​ten opzichte van de circuitaarde.

Zolang we dit weten en deze draden niet aanraken tijdens het gebruik, is er geen probleem. In het ideale geval zou de transformator echter zowel volledige isolatie als impedantie-aanpassing bieden, en zouden de luidsprekerdraden volkomen veilig kunnen worden aangeraakt tijdens gebruik.

Denk eraan, maak alle verbindingen in het circuit met de stroom uitgeschakeld! Nadat u de aansluitingen visueel en met een ohmmeter hebt gecontroleerd om er zeker van te zijn dat het circuit is gebouwd volgens het schematische diagram, zet u de stroom op de filamenten van de buis en wacht u ongeveer 30 seconden totdat deze de bedrijfstemperatuur heeft bereikt.

De beide filamenten moeten een zachte, oranje gloed uitstralen, zichtbaar vanaf zowel de boven- als de onderkant van de buis. Zet de volumeregeling van de signaalbron van uw radio/cd-speler/muziektoetsenbord op het minimum en zet vervolgens de schakelaar voor de platentoevoer aan.

De voltmeter die u hebt aangesloten tussen de B+ uitgangsklem van de voeding en "aarde" moet de volledige spanning registreren (ongeveer 170 volt). Verhoog nu de volumeregeling op de signaalbron en luister naar de luidspreker. Als alles in orde is, zou u de juiste geluiden duidelijk via de luidspreker moeten horen.

Problemen met dit circuit oplossen: Dit kan het beste worden gedaan met de gevoelige audiodetector die wordt beschreven in de DC- en AC-hoofdstukken van dit Experimenten-volume.

Sluit een condensator van 0,1 µF in serie aan met elk meetsnoer om gelijkstroom van de detector te blokkeren, sluit vervolgens een van de meetsnoeren aan op aarde, terwijl u het andere meetsnoer gebruikt om te controleren op audiosignalen op verschillende punten in het circuit. Gebruik condensatoren met een hoge spanning, zoals degene die wordt gebruikt op de ingang van het versterkercircuit:

Het gebruik van twee koppelcondensatoren in plaats van slechts één voegt een extra mate van veiligheid toe, doordat het helpt de unit te isoleren van elke (hoge) gelijkspanning. Maar zelfs zonder de extra condensator zou de interne transformator van de detector voldoende elektrische isolatie moeten bieden voor uw veiligheid bij het testen op signalen in een hoogspanningscircuit zoals dit, vooral als u uw detector hebt gebouwd met een 120-volt voedingstransformator ( in plaats van een “audio output” transformator) zoals voorgesteld.

Gebruik het om te testen op een goed signaal bij de ingang, dan bij de roosterpin(nen) van de buis, dan bij de plaat van de buis, enz. totdat het probleem is gevonden. Omdat de detector capacitief is gekoppeld, kan hij ook testen op overmatige voeding "brom":raak de gratis testkabel aan op de B+-aansluiting van de voeding en luister naar een luid 60 Hz zoemend geluid.

Het geluid moet heel zacht zijn, niet hard. Als het luid is, wordt de voeding niet voldoende gefilterd en heeft deze mogelijk extra filtercapaciteit nodig. Na het testen van een punt in het versterkercircuit met een hoge gelijkspanning naar aarde, kunnen de koppelcondensatoren op de detector een aanzienlijke spanning opbouwen.

Om deze spanning te ontladen, raakt u het vrije meetsnoer kort aan tegen het geaarde meetsnoer. Als de koppelcondensatoren ontladen, hoort u een 'plop'-geluid in de hoofdtelefoon.

Als u liever een voltmeter gebruikt om te testen op de aanwezigheid van een audiosignaal, kunt u dit doen door deze in te stellen op een gevoelig wisselspanningsbereik. De indicatie die je krijgt van een voltmeter zegt echter niets over de kwaliteit van het signaal, alleen de aanwezigheid ervan.

Houd er rekening mee dat de meeste AC-voltmeters een transiënte spanning registreren wanneer ze voor het eerst worden aangesloten op een bron van DC-spanning, dus wees niet verbaasd om een ​​"piek" (een sterke, tijdelijke spanningsindicatie) te zien op het moment dat contact wordt gemaakt met de sondes van de meter naar het circuit en nemen snel af tot de werkelijke AC-signaalwaarde. Je zult misschien aangenaam verrast zijn door de kwaliteit en diepte van de toon van dit kleine versterkercircuit, vooral gezien het lage uitgangsvermogen:minder dan 1 watt aan audiovermogen.

Natuurlijk is het circuit vrij grof en offert het kwaliteit op voor eenvoud en beschikbaarheid van onderdelen, maar het dient om het basisprincipe van vacuümbuisversterking te demonstreren. Gevorderde hobbyisten en studenten willen misschien experimenteren met bias-netwerken, negatieve feedback, verschillende uitgangstransformatoren, verschillende voedingsspanningen en zelfs verschillende buizen, om meer vermogen en/of een betere geluidskwaliteit te verkrijgen.

Hier is een foto van een zeer vergelijkbaar versterkercircuit, gebouwd door het man-en-vrouw-team van Terry en Cheryl Goetz, die illustreert wat er kan worden gedaan als zorg en vakmanschap worden toegepast op een project als dit.