Amplificador de Áudio com Válvula 12AX7 – Construção Clássica de Som Vintage

Peças e Materiais

• Uma válvula 12AX7 duplo triodo
• Dois transformadores de força, 120VAC step-down para 12VAC (Radio Shack catálogo #273-1365, 273-1352 ou 273-1511).
• Módulo retificador em ponte (Radio Shack catálogo #276-1173)
• Capacitor eletrolítico, pelo menos 47 µF, com tensão de trabalho de pelo menos 200 VDC.
• Bobina de ignição automotiva
• Alto-falante de áudio, impedância 8 Ω
• Dois resistores de 100 kΩ
• Um capacitor de 0.1 µF, 250 WVDC (Radio Shack catálogo #272-1053)
• "Fonte de alimentação CA de baixa tensão" conforme mostrado no capítulo de Experimentos CA
• Uma chave toggle, SPST ("Single-Pole, Single-Throw")
• Rádio, toca-fitas, teclado musical ou outra fonte de sinal de tensão de áudio

Onde conseguir uma válvula 12AX7? Essas válvulas são muito populares para uso em estágios de "pré-amplificador" de muitos amplificadores profissionais de guitarra elétrica.

Vá a qualquer boa loja de música e você as encontrará por preço modesto ($12 US ou menos). Um fabricante russo chamado Sovtek produz essas válvulas novas, então você não precisa depender de componentes "New-Old-Stock" (NOS) sobrados de fabricantes americanos extintos.

Este modelo de válvula era muito popular em sua época e pode ser encontrado em velhos equipamentos de teste "valvulados" (osciloscópios, osciladores) se você tiver acesso a tal equipamento. No entanto, sugiro fortemente comprar uma válvula nova em vez de arriscar com válvulas recuperadas de equipamentos antigos.

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

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

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

Uma bobina de ignição automotiva é um transformador de alta tensão de propósito especial usado em motores de carro para produzir dezenas de milhares de volts para "disparar" as velas de ignição. Neste experimento, ela é usada (de forma muito não convencional, devo adicionar!) como transformador de casamento de impedância entre a válvula vácuo e um alto-falante 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 não precisa ser extravagante. Usei pequenos alto-falantes "bookshelf", alto-falantes automotivos (6"x9"), bem como um grande alto-falante estéreo 3-vías de 100 watts para este experimento, e todos funcionam bem.

Não use fones de ouvido sob nenhuma circunstância, pois a bobina de ignição não fornece isolamento elétrico entre os 170 volts DC da fonte de "placa" e o alto-falante, elevando as conexões do alto-falante a essa tensão em relação ao ground. Como obviamente colocar fios na cabeça com alta tensão para ground 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. Recomendo um pequeno rádio alimentado por bateria ou teclado musical, com cabo apropriado plugado na saída "fone" ou "audio out" para levar o sinal ao seu amplificador.

Referências Cruzadas

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, capítulo 13: "Electron Tubes"

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, capítulo 3: "Diodes and Rectifiers"

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, capítulo 9: "Transformers"

Objetivos de Aprendizado

• Usar uma válvula vácuo (triodo) como amplificador de áudio
• Usar transformadores tanto em operação step-down quanto step-up
• Como construir uma fonte de alimentação DC de alta tensão
• Usar um transformador para casar impedâncias

Diagrama Esquemático

Ilustração

Instruções

Bem-vindo ao mundo da eletrônica de válvulas! Embora não seja exatamente uma aplicação de tecnologia de semicondutores (exceto o retificador da fonte), este circuito serve como introdução à tecnologia de válvulas 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 são capazes de eletrocutar você!! Recomenda-se que iniciantes busquem assistência qualificada (eletricistas experientes, técnicos de eletrônica ou engenheiros) se tentarem construir este amplificador.

AVISO: não toque em nenhum fio ou terminal enquanto o circuito amplificador estiver energizado! Se você precisar fazer contato com o circuito em qualquer ponto, desligue a chave da "fonte de placa" e espere o capacitor de filtro descarregar abaixo de 30 volts antes de tocar qualquer parte do circuito. Se testar tensões do circuito com a energia ligada, use apenas uma mão, se possível, para evitar a possibilidade de choque elétrico braço a braço.

Construindo a fonte de alta tensão:

Válvulas vácuo requerem tensão DC relativamente alta aplicada entre terminais de placa e cátodo para funcionar eficientemente. Embora seja possível operar o circuito amplificador descrito neste experimento com apenas 24 volts DC, a potência de saída será minúscula e a qualidade de som ruim.

O triodo 12AX7 tem tensão máxima de "placa" (tensão aplicada entre placa e cátodo) de 330 volts, então nossa fonte de 170 volts DC especificada aqui está bem dentro desse limite máximo. Operei este amplificador em até 235 volts DC e descobri que tanto a qualidade quanto a intensidade do som melhoraram ligeiramente, mas não o suficiente, na minha estimativa, para justificar o perigo adicional aos experimentadores.

A fonte de força na verdade tem duas saídas de potência diferentes: a saída DC "B+" para potência de placa, e a potência de "filamento", que é apenas 12 volts AC. Válvulas requerem potência aplicada a um pequeno filamento (às vezes chamado de heater) para funcionar, pois o cátodo deve estar quente o suficiente para emitir termicamente elétrons, e isso não acontece à temperatura ambiente!

Usando um transformador de força para reduzir a CA doméstica de 120 volts para 12 volts AC fornece baixa tensão para os filamentos, e outro transformador conectado em step-up eleva a tensão de volta para 120 volts. Você pode se perguntar: "por que elevar a tensão de volta para 120 volts com outro transformador? Por não apenas derivar da tomada da parede para obter 120 volt AC diretamente, e então retificar isso em 170 volts DC?"

A resposta é dupla: primeiro, fazer a energia passar por dois transformadores inerentemente limita a quantidade de corrente que pode ser enviada a um curto-circuito acidental no lado da placa do circuito amplificador. Segundo, ele isola eletricamente o circuito de placa do sistema de fiação da sua casa. Se retificássemos a energia da tomada da parede com uma ponte de diodos, isso faria ambos os terminais DC (+ e -) elevados em tensão a partir da conexão de safety ground do sistema elétrico da sua casa, aumentando o risco de choque.

Note a chave toggle conectada entre os enrolamentos de 12 volts dos dois transformadores, rotulada "Chave de fonte de placa". Esta chave controla a potência para o transformador step-up, controlando assim a tensão de placa para o circuito amplificador. Por que não usar apenas a chave principal conectada ao plug de 120 volts? Por que ter uma segunda chave para desligar a alta tensão DC, quando desligar a chave principal faria a mesma coisa?

A resposta está na operação adequada da válvula vácuo: como lâmpadas incandescentes, válvulas vácuo "gastam" quando seus filamentos são ligados e desligados repetidamente, então ter esta chave adicional no circuito permite desligar a alta tensão DC (para segurança ao modificar ou ajustar o circuito) sem ter que desligar o filamento. Além disso, é um bom hábito esperar a válvula atingir temperatura total de operação antes de aplicar tensão de placa, e esta segunda chave permite atrasar a aplicação da tensão de placa até que o tubo tenha tido tempo para atingir a temperatura de operação.

Durante a operação, você deve ter um voltímetro conectado à saída "B+" da fonte de força (entre o terminal B+ e ground), indicando continuamente a tensão da fonte. Este medidor mostrará quando o capacitor de filtro descarregou abaixo do limite de risco de choque (30 volts) quando você desligar a "Chave de fonte de placa" para reparar o circuito amplificador.

O terminal "ground" mostrado na saída DC do circuito de fonte não precisa conectar ao ground de terra. É meramente um símbolo mostrando uma conexão comum com um terminal ground correspondente no circuito amplificador. No circuito que você construir, haverá um fio conectando esses dois pontos "ground". Como sempre, a designação de certos pontos comuns em um circuito por meio de um símbolo compartilhado é prática padrão em esquemáticos 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 de descarga quando a CA é desligada. Sem este resistor "bleeder" no circuito, o capacitor provavelmente reteria uma carga perigosa por muito tempo após o "power-down", representando um risco adicional de choque para você.

No circuito que construí – com capacitor de 47 µF e resistor bleeder de 100 kΩ – a constante de tempo deste circuito RC foi de breves 4.7 segundos. Se você encontrar um valor maior de capacitor de filtro (bom para minimizar "hum" indesejado da fonte no alto-falante), precisará usar um valor correspondentemente menor de resistor bleeder, ou esperar mais tempo para a tensão sangrar cada vez que desligar a "Chave de fonte de placa".

Certifique-se de ter a fonte construída de forma segura e funcionando confiavelmente antes de tentar alimentar o circuito amplificador com ela. Esta é uma boa prática de construção de circuitos em geral: construa e faça troubleshooting da fonte primeiro, depois construa o circuito que você pretende alimentar com ela. Se a fonte não funcionar como deveria, o circuito alimentado também não funcionará, não importa quão bem projetado e construído possa ser.

Construindo o amplificador:

Um dos problemas de construir circuitos de válvulas no século 21 é que soquetes para esses componentes podem ser difíceis de encontrar. Dada a vida útil limitada da maioria das válvulas "receptoras" (poucos anos), a maioria dos dispositivos eletrônicos "valvulados" usava soquetes para montar as válvulas, para que pudessem ser facilmente removidas e substituídas.

Embora válvulas ainda possam ser obtidas (de lojas de suprimentos musicais) com relativa facilidade, os soquetes em que elas se encaixam são consideravelmente mais escassos – sua Radio Shack local não os terá em estoque! Como, então, construímos circuitos com válvulas, se talvez não possamos obter soquetes para elas?

Para válvulas pequenas, este problema pode ser contornado soldando diretamente pequenos comprimentos de fio de cobre sólido 22-gauge aos pinos da válvula, permitindo que você "plugue" a válvula em uma protoboard sem solda. Aqui está uma fotografia do meu amplificador de válvula, mostrando a 12AX7 em posição invertida (lado dos pinos para cima).

Por favor, desconsidere o display de LED de 10 segmentos à esquerda e o conjunto de chave DIP de 8 posições à direita na fotografia, pois são componentes sobrados de um experimento de circuito digital montado anteriormente na minha protoboard.

Um benefício de montar a válvula nesta posição é a facilidade de identificação dos pinos, já que a maioria dos "diagramas de conexão de pinos" para válvulas são mostrados em vista de baixo:

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

O capacitor de 0.1 µF mostrado no esquemático "acopla" a fonte de sinal de áudio (rádio, teclado musical, etc.) à grade(s) do tubo, permitindo CA passar mas bloqueando DC. O resistor de 100 kΩ garante que a tensão DC média entre grade e cátodo seja zero, e não possa "flutuar" para algum nível alto. Tipicamente, circuitos de bias são usados para manter a grade ligeiramente negativa em relação ao ground, mas para este propósito, um circuito de bias introduziria mais complexidade do que vale a pena.

Quando testei meu circuito amplificador, usei a saída de um receptor de rádio, e depois a saída de um compact disk (CD) player, como fonte de sinal de áudio. Usando um cabo de extensão "mono"-para-"phono" plugado na saída de fone do receptor/CD player, e fios jumper com garras jacaré conectando a ponta "mono" do cabo aos terminais de entrada do amplificador de tubo, consegui enviar facilmente sinais de áudio de amplitude variável para testar seu desempenho em uma ampla gama de condições:

Um transformador é essencial na saída do circuito amplificador para "casar" as impedâncias de válvula vácuo e alto-falante. Como a válvula vácuo é um dispositivo de alta tensão, baixa corrente, e a maioria dos alto-falantes são dispositivos de baixa tensão, alta corrente, o descompasso entre eles resultaria em potência de áudio muito baixa se fossem conectados diretamente.

Para casar com sucesso a fonte de alta tensão, baixa corrente à carga de baixa tensão, alta corrente, devemos usar um transformador step-down. Como a resistência de Thevenin do circuito de válvula 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 razão de impedância de cerca de 10.000:1.

Como a razão de impedância de um transformador é o quadrado de sua razão de espiras (ou razão de tensão), estamos procurando um transformador com razão de espiras de cerca de 100:1. Uma bobina de ignição automotiva típica tem aproximadamente essa razão 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 enrolamentos primário e secundário, pois 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 DC em relação ao ground do circuito.

Contanto que saibamos disso, e evitemos tocar esses fios durante a operação, não haverá problema. Idealmente, porém, o transformador forneceria isolamento completo além do casamento 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 conexões visualmente e com um ohmímetro para garantir que o circuito está construído conforme o diagrama esquemático, aplique potência aos filamentos do tubo e espere cerca de 30 segundos para atingir temperatura de operação.

Ambos os filamentos devem emitir um brilho laranja suave, visível tanto na vista superior quanto inferior do tubo. Gire o controle de volume do seu rádio/CD player/teclado musical para mínimo, então ligue a chave de fonte de placa.

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

Troubleshooting deste circuito:

Melhor feito com o detector de áudio sensível descrito nos capítulos de CC e CA deste volume de Experimentos.

Conecte um capacitor de 0.1 µF em série com cada ponta de teste para bloquear DC do detector, então conecte uma das pontas ao ground, enquanto usa a outra ponta para verificar sinal de áudio em vários pontos do circuito. Use capacitores com alta classificação de tensão, como o usado na entrada do circuito amplificador:

Usar dois capacitores de acoplamento em vez de apenas um adiciona um grau adicional de segurança, ajudando a isolar a unidade de qualquer tensão DC (alta). Mesmo sem o capacitor extra, 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 força de 120 volts (em vez de um transformador de "saída de áudio") como sugerido.

Use-o para testar um bom sinal na entrada, então no(s) pino(s) de grade do tubo, então na placa do tubo, etc. até encontrar o problema. Sendo acoplado capacitivamente, o detector também é capaz de testar "hum" excessivo da fonte de força: toque a ponta livre no terminal B+ da fonte e ouça um ruído alto de 60 Hz.

O ruído deve ser muito suave, não alto. Se for alto, a fonte não está filtrada adequadamente e pode precisar de capacitância de filtro adicional. Após testar um ponto no circuito amplificador com grande tensão DC para ground, os capacitores de acoplamento no detector podem acumular tensão substancial.

Para descarregar essa tensão, toque brevemente a ponta livre na ponta aterrada. Um som "pop" deve ser ouvido nos fones enquanto os capacitores de acoplamento descarregam.

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

Lembre-se que a maioria dos voltímetros AC registrará uma tensão transitória quando inicialmente conectados através de uma fonte de tensão DC, então não se surpreenda ao ver um "pico" (uma forte indicação de tensão momentânea) no exato momento em que o contato é feito com as pontas do medidor no circuito, diminuindo rapidamente para o verdadeiro valor de sinal AC. Você pode se surpreender agradavelmente com a qualidade e profundidade de 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 qualidade por simplicidade e disponibilidade de peças, mas serve para demonstrar o princípio básico de amplificação a válvula. Hobbyistas e estudantes avançados podem desejar experimentar com redes de bias, realimentação negativa, diferentes transformadores de saída, diferentes tensões de fonte, e até diferentes tubos, para obter mais potência e/ou melhor qualidade de som.

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