Amplificador de áudio de tubo a vácuo

PEÇAS E MATERIAIS

• Um tubo de vácuo triodo duplo 12AX7
• Dois transformadores de potência, 120 VCA de redução para 12 VCA (catálogo Radio Shack # 273-1365, 273-1352 ou 273-1511).
• Módulo retificador de ponte (catálogo Radio Shack # 276-1173)
• Capacitor eletrolítico, pelo menos 47 µF, com uma tensão de trabalho de pelo menos 200 volts DC.
• Bobina de ignição automotiva
• Alto-falante de áudio, 8 Ω de impedância
• Dois resistores de 100 kΩ
• Um capacitor de 0,1 µF, 250 WVDC (catálogo Radio Shack # 272-1053)
• “Fonte de alimentação CA de baixa tensão”, conforme mostrado no capítulo Experimentos CA
• Um botão de alternância, SPST (“Single-Pole, Single-Throw”)
• Rádio, toca-fitas, teclado musical ou outras fontes de sinal de voltagem de áudio

Onde você pode obter um tubo 12AX7, você pergunta? Essas válvulas são muito populares para uso nos estágios de “pré-amplificador” de muitos amplificadores profissionais de guitarra elétrica.

Vá a qualquer boa loja de música e você os encontrará disponíveis por um preço modesto (US $ 12 ou menos). Um fabricante russo chamado Sovtek torna esses tubos novos, então você não precisa depender de componentes “New-Old-Stock” (NOS) que sobraram de fabricantes americanos extintos.

Esse modelo de tubo era muito popular em sua época e pode ser encontrado em antigos equipamentos eletrônicos de teste “tubulares” (osciloscópios, osciladores) se você tiver acesso a tais equipamentos. No entanto, eu sugiro fortemente comprar um tubo novo em vez de se arriscar com tubos recuperados de equipamentos antigos.

É importante selecionar um capacitor eletrolítico com tensão de trabalho suficiente (WVDC) para suportar a saída do circuito de alimentação deste amplificador (cerca de 170 volts). Eu recomendo fortemente a escolha de um capacitor com uma classificação de tensão bem acima da tensão operacional esperada, de modo a lidar com picos de tensão inesperados ou qualquer outro evento que possa sobrecarregar o capacitor.

Eu comprei o sortimento de capacitores eletrolíticos Radio Shack (catálogo # 272-802), e ele continha dois capacitores de 47 µF, 250 WVDC. Se você não tiver a mesma sorte, pode construir este circuito usando cinco capacitores, cada um classificado em 50 WVDC, para substituir uma unidade de 250 WVDC:





Tenha em mente que a capacitância total para esta rede de cinco capacitores será 1/5, ou 20%, do valor de cada capacitor. Além disso, para garantir o carregamento uniforme dos capacitores na rede, certifique-se de que todos os valores do capacitor (em µF) e todos os valores do resistor sejam idênticos.

Uma bobina de ignição automotiva é um transformador de alta tensão para fins especiais usado em motores de automóveis para produzir dezenas de milhares de volts para “disparar” as velas de ignição. Neste experimento, ele é usado (muito pouco convencional, devo acrescentar!) Como um transformador de casamento de impedância entre a válvula de vácuo e um alto-falante de áudio de 8 Ω.

A escolha específica da “bobina” não é crítica, desde que esteja em boas condições de operação. Aqui está uma fotografia da bobina que usei para este experimento:





O alto-falante de áudio não precisa ser extravagante. Usei pequenos alto-falantes de "estante", alto-falantes automotivos (6 "x9"), bem como um grande alto-falante estéreo de 3 vias (100 watts) para este experimento, e todos funcionam bem.

Não use fones de ouvido sob nenhuma circunstância, visto que a bobina de ignição não fornece isolamento elétrico entre os 170 volts DC da fonte de alimentação da “placa” e o alto-falante, elevando as conexões do alto-falante a essa tensão em relação ao aterramento. Visto que, obviamente, colocar fios em sua cabeça com alta tensão para aterrar seria muito perigoso , por favor, não use fones de ouvido!

Você precisará de alguma fonte de CA de frequência de áudio como sinal de entrada para este circuito amplificador. Eu recomendo um pequeno rádio alimentado por bateria ou teclado musical, com um cabo apropriado conectado ao conector de “fone de ouvido” ou “saída de áudio” para transmitir o sinal ao seu amplificador.

REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 13:"Tubos de elétrons"

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 3:“Diodos e retificadores”

Aulas de circuitos elétricos , Volume 2, capítulo 9:“Transformadores”

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Usando um tubo de vácuo (triodo) como um amplificador de áudio
• Uso de transformadores na operação de redução e elevação
• Como construir uma fonte de alimentação DC de alta tensão
• Usando um transformador para combinar impedâncias

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO









ILUSTRAÇÃO





INSTRUÇÕES

Bem-vindo ao mundo da eletrônica de tubo de vácuo! Embora não seja exatamente uma aplicação da tecnologia de semicondutores (com exceção do retificador de fonte de alimentação), este circuito é usado como uma introdução à tecnologia de válvula de vácuo e uma aplicação interessante para transformadores de casamento de impedância. Deve-se notar que construir e operar este circuito envolve trabalho com tensões letais!

Você deve ter o máximo cuidado ao trabalhar com este circuito, pois 170 volts DC é capaz de eletrocutá-lo !! Recomenda-se que os iniciantes busquem assistência qualificada (eletricistas experientes, técnicos em eletrônica ou engenheiros) se tentarem construir este amplificador.

AVISO:não toque em nenhum fio ou terminal enquanto o circuito do amplificador estiver energizado! Se você precisar fazer contato com o circuito em qualquer ponto, desligue a chave de alimentação da “placa” e espere que o capacitor do filtro descarregue abaixo de 30 volts antes de tocar em qualquer parte do circuito. Se estiver testando as tensões do circuito com a alimentação ligada, use apenas uma das mãos, se possível, para evitar a possibilidade de um choque elétrico braço a braço.

Construindo a fonte de alimentação de alta tensão: Os tubos de vácuo requerem uma voltagem DC bastante alta aplicada entre a placa e os terminais do cátodo para funcionar de forma eficiente. Embora seja possível operar o circuito do amplificador descrito neste experimento em apenas 24 volts DC, a potência de saída será minúscula e a qualidade do som ruim.

O triodo 12AX7 é classificado com uma “tensão de placa” máxima (tensão aplicada entre a placa e os terminais do cátodo) de 330 volts, portanto, nossa fonte de alimentação de 170 volts DC especificada aqui está bem dentro desse limite máximo. Eu operei este amplificador em até 235 volts DC e descobri que a qualidade e a intensidade do som melhoraram ligeiramente , mas não o suficiente em minha estimativa para justificar o perigo adicional para os experimentadores.

A fonte de alimentação, na verdade, tem duas saídas de alimentação diferentes:a saída “B +” DC para alimentação da placa e a potência do “filamento”, que é de apenas 12 volts AC. Os tubos requerem energia aplicada a um pequeno filamento (às vezes chamado de aquecedor ) para funcionar, já que o cátodo deve estar quente o suficiente para emitir elétrons termicamente, e isso não acontece à temperatura ambiente!

Usar um transformador de energia para reduzir a alimentação de 120 volts CA da casa para 12 volts CA fornece baixa tensão para os filamentos, e outro transformador conectado em forma de aumento traz a tensão de volta para 120 volts. Você deve estar se perguntando:“por que aumentar a tensão de volta para 120 volts com outro transformador? Por que não apenas desconectar o plugue da parede para obter energia CA de 120 volts diretamente , e retificar isso para 170 volts DC? ”

A resposta para isso é dupla :primeiro, passar a energia por meio de dois transformadores limita inerentemente a quantidade de corrente que pode ser enviada em um curto-circuito acidental no lado da placa do circuito do amplificador. Em segundo lugar, isola eletricamente o circuito da placa do sistema de fiação de sua casa. Se tivéssemos que retificar a energia da tomada com uma ponte de diodo, isso tornaria ambos os terminais CC (+ e -) elevados em tensão a partir da conexão de aterramento de segurança do sistema elétrico de sua casa, aumentando assim o risco de choque.

Observe a chave seletora conectada entre os enrolamentos de 12 volts dos dois transformadores, denominada "Chave de alimentação da placa". Esta chave controla a energia para o transformador elevador, controlando assim a tensão da placa para o circuito do amplificador. Por que não usar apenas o interruptor de alimentação principal conectado ao plugue de 120 volts? Por que tem um segundo interruptor para desligar a alta tensão DC, quando desligar um interruptor principal resultaria na mesma coisa?

A resposta está na operação adequada do tubo de vácuo: como lâmpadas incandescentes, os tubos de vácuo "se desgastam" quando seus filamentos são alimentados e desligados repetidamente, portanto, ter essa chave adicional no circuito permite desligar a alta tensão DC (por segurança ao modificar ou ajustar o circuito) sem ter que desligue o filamento. Além disso, é um bom hábito esperar que o tubo alcance a temperatura operacional total antes aplicação da tensão da placa, e esta segunda chave permite atrasar a aplicação da tensão da placa até que o tubo tenha tido tempo de atingir a temperatura operacional.

Durante a operação, você deve ter um voltímetro conectado ao “ B + ”Saída da fonte de alimentação (entre o B + terminal e terra), fornecendo continuamente indicação da tensão da fonte de alimentação. Este medidor irá mostrar quando o capacitor do filtro descarregou abaixo do limite de risco de choque (30 volts) quando você desligar a “Chave de alimentação da placa” para fazer a manutenção do circuito do amplificador.

O terminal de “aterramento” mostrado na saída CC do circuito de fonte de alimentação não precisa ser conectado ao aterramento. Em vez disso, é apenas um símbolo que mostra uma conexão comum com um símbolo de terminal de aterramento correspondente no circuito do amplificador. No circuito que você construir, haverá um pedaço de fio conectando esses dois pontos de “aterramento”. Como sempre, a designação de certos pontos comuns em um circuito por meio de um símbolo compartilhado é uma prática padrão em esquemas eletrônicos.

Você notará que o diagrama esquemático mostra um resistor de 100 kΩ em paralelo com o capacitor de filtro. Este resistor é bastante necessário, pois fornece ao capacitor um caminho para descarga quando a alimentação CA é desligada. Sem esse resistor de “sangramento” no circuito, o capacitor provavelmente reteria uma carga perigosa por um longo tempo após o “desligamento”, representando um risco de choque adicional para você.

No circuito que construí - com um capacitor de 47 µF e um resistor de sangramento de 100 kΩ - a constante de tempo desse circuito RC era de uns breves 4,7 segundos. Se acontecer de você encontrar um valor de capacitor de filtro maior (bom para minimizar o "zumbido" indesejado da fonte de alimentação no alto-falante), você precisará usar um valor correspondentemente menor de resistor de purga ou esperar mais para que a tensão seja eliminada cada vez que você desligue o interruptor “Plate supply”.

Certifique-se de ter a fonte de alimentação construída com segurança e funcionando de forma confiável antes de tentar alimentar o circuito do amplificador com ela. Esta é uma boa prática de construção de circuitos em geral:construa e solucione os problemas da fonte de alimentação primeiro e, em seguida, construa o circuito que pretende alimentar com ela. Se a fonte de alimentação não funcionar como deveria, o circuito alimentado também não funcionará, por melhor que seja projetado e construído.

Construindo o amplificador: Um dos problemas com a construção de circuitos de tubo de vácuo no século 21 é que tomadas para esses componentes pode ser difícil de encontrar. Dada a vida útil limitada da maioria dos tubos “receptores” (alguns anos), a maioria dos dispositivos eletrônicos “tubulares” usava soquetes para a montagem dos tubos, de modo que pudessem ser facilmente removidos e substituídos.

Embora os tubos ainda possam ser obtidos (em lojas de materiais musicais) com relativa facilidade, os soquetes aos quais eles se conectam são consideravelmente mais escassos - sua Radio Shack local não os terá em estoque! Como, então, construímos circuitos com tubos, se não podemos obter tomadas para conectá-los?

Para tubos pequenos, esse problema pode ser contornado soldando diretamente pequenos pedaços de fio de cobre sólido de calibre 22 aos pinos do tubo, permitindo assim que você "conecte" o tubo em uma placa de ensaio sem solda. Aqui está uma fotografia do meu amplificador valvulado, mostrando o 12AX7 na posição invertida (pino para cima).

Desconsidere o gráfico de barras de LED de 10 segmentos à esquerda e o conjunto da chave DIP de 8 posições à direita na fotografia, pois esses são componentes remanescentes de um experimento de circuito digital montado anteriormente em minha placa de ensaio.





Um benefício de montar o tubo nesta posição é a facilidade de identificação do pino, uma vez que a maioria dos "diagramas de conexão do pino" para tubos são mostrados a partir de uma vista inferior:





Você notará no esquema do amplificador que ambos os elementos triodo dentro do envelope de vidro do 12AX7 estão sendo usados, em paralelo:placa conectada à placa, grade conectada à grade e cátodo conectado ao cátodo. Isso é feito para maximizar a saída de energia do tubo, mas não é necessário para demonstrar a operação básica. Você pode usar apenas um dos tríodos, para simplificar, se desejar.

O capacitor de 0,1 µF mostrado no esquema "acopla" a fonte do sinal de áudio (rádio, teclado musical, etc.) à (s) grade (s) da válvula, permitindo a passagem de CA, mas bloqueando a CC. O resistor de 100 kΩ garante que a tensão DC média entre a grade e o cátodo seja zero e não possa “flutuar” para algum nível alto. Normalmente, os circuitos de polarização são usados ​​para manter a grade ligeiramente negativa em relação ao aterramento, mas para esse propósito, um circuito de polarização introduziria mais complexidade do que seu valor.

Quando testei meu circuito amplificador, usei a saída de um receptor de rádio, e depois a saída de um CD player, como fonte do sinal de áudio. Usando um cabo de extensão de conector “mono” -para- “fono” conectado ao conector de fone de ouvido do receptor / CD player e fios de jumper de garra jacaré conectando a ponta “mono” do cabo aos terminais de entrada do amplificador valvulado, I foi capaz de enviar facilmente ao amplificador sinais de áudio de amplitude variável para testar seu desempenho em uma ampla gama de condições:





Um transformador é essencial na saída do circuito do amplificador para “combinar” as impedâncias do tubo de vácuo e do alto-falante. Como o tubo de vácuo é um dispositivo de alta tensão e baixa corrente, e a maioria dos alto-falantes são dispositivos de baixa tensão e alta corrente, a incompatibilidade entre eles resultaria em uma saída de potência de áudio muito baixa se eles estivessem conectados diretamente.

Para corresponder com êxito a fonte de alta tensão e baixa corrente à carga de baixa tensão e alta corrente, devemos usar um transformador redutor. Uma vez que a resistência de Thevenin do circuito da válvula de vácuo varia na casa das dezenas de milhares de ohms, e o alto-falante tem apenas cerca de 8 ohms de impedância, precisaremos de um transformador com uma relação de impedância de cerca de 10.000:1.

Uma vez que a relação de impedância de um transformador é o quadrado de sua relação de espiras (ou relação de voltagem), estamos procurando um transformador com uma relação de espiras de cerca de 100:1. Uma bobina de ignição automotiva típica tem aproximadamente essa relação de espiras e também é classificada para tensão extremamente alta no enrolamento de alta tensão, tornando-a bem adequada para esta aplicação.

O único aspecto ruim de usar uma bobina de ignição é que ela não fornece isolamento elétrico entre os enrolamentos primário e secundário, uma vez que o dispositivo é na verdade um autotransformador, com cada enrolamento compartilhando um terminal comum em uma extremidade. Isso significa que os fios do alto-falante estarão em alta tensão CC em relação ao aterramento do circuito.

Contanto que saibamos disso e evite tocar nesses fios durante a operação, não haverá problema. O ideal, porém, o transformador forneceria isolamento completo, bem como correspondência de impedância, e os fios do alto-falante seriam perfeitamente seguros para tocar durante o uso.

Lembre-se, faça todas as conexões no circuito com a energia desligada! Após verificar as conexões visualmente e com um ohmímetro para garantir que o circuito está construído de acordo com o diagrama esquemático, aplique energia aos filamentos do tubo e aguarde cerca de 30 segundos para que atinja a temperatura de operação.

Os dois filamentos devem emitir um brilho laranja suave, visível nas vistas superior e inferior do tubo. Gire o controle de volume de sua fonte de sinal de rádio / CD player / teclado musical para o mínimo e, em seguida, ligue a chave de alimentação da placa.

O voltímetro que você conectou entre o terminal de saída B + da fonte de alimentação e o "aterramento" deve registrar a tensão total (cerca de 170 volts). Agora, aumente o controle de volume na fonte do sinal e ouça o alto-falante. Se tudo estiver bem, você deverá ouvir os sons corretos claramente pelo alto-falante.

Solução de problemas deste circuito: Melhor feito com o detector de áudio sensível descrito nos capítulos DC e AC deste volume de Experimentos.

Conecte um capacitor de 0,1 µF em série com cada cabo de teste para bloquear a CC do detector e, em seguida, conecte um dos cabos de teste ao aterramento, enquanto usa o outro cabo de teste para verificar o sinal de áudio em vários pontos do circuito. Use capacitores com uma classificação de alta tensão, como o usado na entrada do circuito do amplificador:





O uso de dois capacitores de acoplamento em vez de apenas um adiciona um grau adicional de segurança, ajudando a isolar a unidade de qualquer tensão CC (alta). Mesmo sem o capacitor extra, porém, o transformador interno do detector deve fornecer isolamento elétrico suficiente para sua segurança ao usá-lo para testar sinais em um circuito de alta tensão como este, especialmente se você construiu seu detector usando um transformador de energia de 120 volts ( em vez de um transformador de “saída de áudio”), conforme sugerido.

Use-o para testar um bom sinal na entrada, depois nos pinos da grade do tubo, depois na placa do tubo, etc. até que o problema seja encontrado. Sendo capacitivamente acoplado, o detector também é capaz de testar o "zumbido" excessivo da fonte de alimentação:toque o fio de teste livre no terminal B + da fonte e ouça um zumbido alto de 60 Hz.

O ruído deve ser muito baixo, não alto. Se estiver alto, a fonte de alimentação não foi filtrada adequadamente e pode precisar de capacitância de filtro adicional. Depois de testar um ponto no circuito do amplificador com grande voltagem DC para aterramento, os capacitores de acoplamento no detector podem acumular voltagem substancial.

Para descarregar essa tensão, toque brevemente o cabo de teste livre no cabo de teste aterrado. Um som de “estouro” deve ser ouvido nos fones de ouvido conforme os capacitores de acoplamento descarregam.

Se você preferir usar um voltímetro para testar a presença de sinal de áudio, pode fazê-lo, configurando-o para uma faixa de tensão CA sensível. A indicação que você obtém de um voltímetro, porém, não diz nada sobre a qualidade do sinal, apenas sua mera presença.

Tenha em mente que a maioria dos voltímetros AC registrará uma tensão transitória quando inicialmente conectado através de uma fonte de tensão DC, então não se surpreenda ao ver um "pico" (uma forte indicação de tensão momentânea) no momento em que o contato é feito com as sondas do medidor para o circuito, diminuindo rapidamente para o verdadeiro valor do sinal AC. Você pode ficar agradavelmente surpreso com a qualidade e profundidade do tom deste pequeno circuito amplificador, especialmente dada sua baixa potência de saída:menos de 1 watt de potência de áudio.

Claro, o circuito é bastante rudimentar e sacrifica a qualidade pela simplicidade e disponibilidade de peças, mas serve para demonstrar o princípio básico da amplificação de tubo a vácuo. Alunos e amadores avançados podem desejar experimentar redes de polarização, feedback negativo, transformadores de saída diferentes, tensões de alimentação diferentes e até tubos diferentes, para obter mais potência e / ou melhor qualidade de som.

Aqui está uma foto de um circuito de amplificador muito semelhante, construído pela equipe marido e mulher de Terry e Cheryl Goetz, ilustrando o que pode ser feito quando o cuidado e a habilidade são aplicados a um projeto como este.