Penguat Audio Tabung Vakum

BAGIAN DAN BAHAN

• Satu tabung vakum triode ganda 12AX7
• Dua transformator daya, step-down 120VAC menjadi 12VAC (Katalog Radio Shack # 273-1365, 273-1352, atau 273-1511).
• Modul penyearah jembatan (Katalog Radio Shack #276-1173)
• Kapasitor elektrolit, minimal 47 F, dengan tegangan kerja minimal 200 volt DC.
• Koil pengapian otomotif
• Speaker audio, impedansi 8
• Dua resistor 100 kΩ
• Satu kapasitor 0,1 F, 250 WVDC (Katalog Radio Shack # 272-1053)
• “Suplai daya AC tegangan rendah” seperti yang ditunjukkan pada bab Eksperimen AC
• Satu sakelar pengalih, SPST (“Single-Pole, Single-Throw”)
• Radio, pemutar kaset, keyboard musik, atau sumber sinyal tegangan audio lainnya

Di mana Anda bisa mendapatkan tabung 12AX7, Anda bertanya? Tabung ini sangat populer untuk digunakan dalam tahap "preamplifier" dari banyak amplifier gitar listrik profesional.

Pergi ke toko musik yang bagus dan Anda akan menemukannya tersedia dengan harga yang terjangkau (US$12 atau kurang). Pabrikan Rusia bernama Sovtek membuat tabung ini baru, jadi Anda tidak perlu bergantung pada komponen "Stok Baru Lama" (NOS) yang tersisa dari pabrikan Amerika yang sudah tidak beroperasi.

Model tabung ini sangat populer pada masanya dan dapat ditemukan di peralatan uji elektronik "tabung" lama (osiloskop, osilator) jika Anda memiliki akses ke peralatan tersebut. Namun, saya sangat menyarankan untuk membeli tabung baru daripada mengambil risiko dengan tabung yang diambil dari peralatan antik.

Penting untuk memilih kapasitor elektrolitik dengan tegangan kerja yang cukup (WVDC) untuk menahan output dari rangkaian catu daya amplifier ini (sekitar 170 volt). Saya sangat menyarankan memilih kapasitor dengan peringkat tegangan jauh melebihi tegangan operasi yang diharapkan, untuk menangani lonjakan tegangan tak terduga atau peristiwa lain yang mungkin membebani kapasitor.

Saya membeli bermacam-macam kapasitor elektrolitik Radio Shack (katalog # 272-802), dan kebetulan mengandung dua kapasitor 47 F, 250 WVDC. Jika Anda kurang beruntung, Anda dapat membangun sirkuit ini menggunakan lima kapasitor, masing-masing diberi nilai 50 WVDC, untuk menggantikan satu unit 250 WVDC:

Ingatlah bahwa kapasitansi total untuk jaringan lima kapasitor ini akan menjadi 1/5, atau 20%, dari nilai masing-masing kapasitor. Selain itu, untuk memastikan pengisian kapasitor yang merata di jaringan, pastikan semua nilai kapasitor (dalam F) dan semua nilai resistor sama.

Koil pengapian otomotif adalah trafo tegangan tinggi tujuan khusus yang digunakan dalam mesin mobil untuk menghasilkan puluhan ribu volt untuk "menyalakan" busi. Dalam percobaan ini, digunakan (sangat tidak konvensional, saya dapat menambahkan!) sebagai transformator pencocokan impedansi antara tabung vakum dan speaker audio 8 .

Pilihan spesifik "koil" tidak kritis, asalkan dalam kondisi operasi yang baik. Berikut adalah foto kumparan yang saya gunakan untuk percobaan ini:

Speaker audio tidak perlu mewah. Saya telah menggunakan speaker “rak buku” kecil, speaker otomotif (6"x9"), serta speaker stereo 3 arah besar (100 watt) untuk eksperimen ini, dan semuanya berfungsi dengan baik.

Jangan gunakan satu set headphone dalam keadaan apa pun, karena koil pengapian tidak menyediakan isolasi listrik antara 170 volt DC dari catu daya "pelat" dan speaker, sehingga meningkatkan koneksi speaker ke tegangan tersebut sehubungan dengan ground. Karena jelas menempatkan kabel di kepala Anda dengan tegangan tinggi ke ground akan sangat berbahaya , tolong jangan gunakan headphone!

Anda akan memerlukan beberapa sumber AC frekuensi audio sebagai sinyal input ke rangkaian amplifier ini. Saya merekomendasikan radio kecil bertenaga baterai atau keyboard musik, dengan kabel yang sesuai dicolokkan ke soket "headphone" atau "audio out" untuk menyampaikan sinyal ke amplifier Anda.

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 13:“Tabung Elektron”

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 3:“Dioda dan Penyearah”

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 2, bab 9:“Transformer”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Menggunakan tabung vakum (triode) sebagai penguat audio
• Menggunakan transformator dalam operasi step-down dan step-up
• Cara membuat catu daya DC tegangan tinggi
• Menggunakan transformator untuk mencocokkan impedansi

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Selamat datang di dunia elektronik tabung vakum! Meskipun bukan aplikasi teknologi semikonduktor (kecuali penyearah catu daya), sirkuit ini digunakan sebagai pengenalan teknologi tabung vakum, dan aplikasi menarik untuk transformator pencocokan impedansi. Perlu diperhatikan bahwa membangun dan mengoperasikan sirkuit ini melibatkan pekerjaan dengan voltase mematikan!

Anda harus sangat berhati-hati saat bekerja dengan sirkuit ini, karena 170 volt DC mampu menyetrum Anda!! Disarankan agar pemula mencari bantuan yang memenuhi syarat (ahli listrik, teknisi elektronik, atau insinyur berpengalaman) jika mencoba membuat amplifier ini.

PERINGATAN:jangan sentuh kabel atau terminal apa pun saat sirkuit amplifier diberi energi! Jika Anda harus melakukan kontak dengan sirkuit pada titik mana pun, matikan sakelar catu daya "pelat" dan tunggu hingga kapasitor filter melepaskan tegangan di bawah 30 volt sebelum menyentuh bagian mana pun dari sirkuit. Jika menguji voltase sirkuit dengan daya, gunakan hanya satu tangan jika memungkinkan untuk menghindari kemungkinan sengatan listrik lengan-ke-lengan.

Membangun catu daya tegangan tinggi: Tabung vakum membutuhkan tegangan DC yang cukup tinggi yang diterapkan antara pelat dan terminal katoda agar berfungsi secara efisien. Meskipun dimungkinkan untuk mengoperasikan rangkaian amplifier yang dijelaskan dalam percobaan ini pada tegangan DC serendah 24 volt, output daya akan sangat kecil dan kualitas suaranya buruk.

Trioda 12AX7 diberi peringkat pada "tegangan pelat" maksimum (tegangan yang diterapkan antara pelat dan terminal katoda) sebesar 330 volt, jadi catu daya kami sebesar 170 volt DC yang ditentukan di sini berada dalam batas maksimum itu. Saya telah mengoperasikan amplifier ini pada tegangan DC 235 volt dan menemukan bahwa kualitas dan intensitas suara sedikit meningkat. , tetapi menurut perkiraan saya tidak cukup untuk menjamin bahaya tambahan bagi para peneliti.

Catu daya sebenarnya memiliki dua keluaran daya yang berbeda:keluaran DC “B+” untuk daya pelat, dan daya “filamen”, yang hanya 12 volt AC. Tabung membutuhkan daya yang diterapkan ke filamen kecil (kadang-kadang disebut pemanas ) agar berfungsi, karena katoda harus cukup panas untuk memancarkan elektron secara termal, dan itu tidak terjadi pada suhu kamar!

Menggunakan satu trafo daya untuk menurunkan daya 120 volt AC rumah tangga menjadi 12 volt AC memberikan tegangan rendah untuk filamen, dan trafo lain yang terhubung dengan mode step-up membawa tegangan kembali ke 120 volt. Anda mungkin bertanya-tanya, “mengapa tegangan dinaikkan menjadi 120 volt dengan trafo lain? Mengapa tidak menekan steker stopkontak untuk mendapatkan daya AC 120 volt langsung , lalu perbaiki menjadi 170 volt DC?”

Jawabannya ada dua :pertama, menjalankan daya melalui dua transformator secara inheren membatasi jumlah arus yang dapat dikirim ke hubung singkat yang tidak disengaja pada sisi pelat rangkaian penguat. Kedua, secara elektrik mengisolasi sirkuit pelat dari sistem pengkabelan rumah Anda. Jika kita memperbaiki daya soket dinding dengan jembatan dioda, hal itu akan membuat kedua terminal DC (+ dan -) meningkat tegangannya dari sambungan arde pengaman sistem kelistrikan rumah Anda, sehingga meningkatkan bahaya sengatan listrik.

Perhatikan sakelar sakelar yang terhubung di antara belitan 12 volt dari dua transformator, berlabel “Sakelar suplai pelat.” Sakelar ini mengontrol daya ke trafo step-up, sehingga mengontrol tegangan pelat ke rangkaian amplifier. Mengapa tidak menggunakan sakelar daya utama yang terhubung ke steker 120 volt? Mengapa sakelar kedua untuk mematikan tegangan tinggi DC, ketika mematikan satu sakelar utama akan menghasilkan hal yang sama?

Jawabannya terletak pada pengoperasian tabung vakum yang benar: seperti bola lampu pijar, tabung vakum "aus" ketika filamennya diberi daya naik dan turun berulang kali, jadi memiliki sakelar tambahan ini di sirkuit memungkinkan Anda untuk mematikan tegangan tinggi DC (untuk keamanan saat memodifikasi atau menyesuaikan sirkuit) tanpa harus mematikan filamen. Selain itu, merupakan kebiasaan yang baik untuk menunggu tabung mencapai suhu pengoperasian penuh sebelum menerapkan tegangan pelat, dan sakelar kedua ini memungkinkan Anda untuk menunda penerapan tegangan pelat hingga tabung memiliki waktu untuk mencapai suhu pengoperasian.

Selama pengoperasian, Anda harus memiliki voltmeter yang terhubung ke “B+ ” keluaran catu daya (antara B+ terminal dan ground), secara terus menerus memberikan indikasi tegangan catu daya. Pengukur ini akan menunjukkan kepada Anda saat kapasitor filter telah kosong di bawah batas bahaya kejut (30 volt) saat Anda mematikan “Sakelar suplai pelat” untuk memperbaiki sirkuit amplifier.

Terminal “pembumian” yang ditunjukkan pada keluaran DC dari rangkaian catu daya tidak perlu terhubung ke pembumian. Sebaliknya, itu hanyalah simbol yang menunjukkan koneksi umum dengan simbol terminal ground yang sesuai di rangkaian amplifier. Di sirkuit yang Anda buat, akan ada seutas kawat yang menghubungkan dua titik "tanah" ini bersama-sama. Seperti biasa, penunjukan titik-titik umum tertentu dalam rangkaian melalui simbol bersama adalah praktik standar dalam skema elektronik.

Anda akan mencatat bahwa diagram skematik menunjukkan resistor 100 kΩ secara paralel dengan kapasitor filter. Resistor ini sangat diperlukan, karena memberikan kapasitor jalur untuk pelepasan ketika daya AC dimatikan. Tanpa resistor "pembuang air" ini di sirkuit, kapasitor kemungkinan akan menahan muatan berbahaya untuk waktu yang lama setelah "mematikan", yang menimbulkan bahaya kejutan tambahan bagi Anda.

Pada rangkaian yang saya buat—dengan kapasitor 47 F dan resistor pemeras 100 kΩ—konstanta waktu rangkaian RC ini adalah 4,7 detik singkat. Jika Anda menemukan nilai kapasitor filter yang lebih besar (baik untuk meminimalkan "dengungan" catu daya yang tidak diinginkan di speaker), Anda perlu menggunakan nilai resistor pemeras yang lebih kecil, atau menunggu lebih lama hingga tegangan habis setiap kali Anda matikan sakelar “Persediaan pelat”.

Pastikan Anda memiliki catu daya yang dibangun dengan aman dan bekerja dengan andal sebelum mencoba memberi daya pada rangkaian amplifier dengannya. Ini adalah praktik pembuatan sirkuit yang baik secara umum:buat dan atasi masalah catu daya terlebih dahulu, lalu buat sirkuit yang ingin Anda beri daya dengannya. Jika catu daya tidak berfungsi sebagaimana mestinya, maka sirkuit listrik juga tidak akan berfungsi, tidak peduli seberapa baik ia dirancang dan dibangun.

Membuat penguat: Salah satu masalah dengan membangun sirkuit tabung vakum di abad ke-21 adalah soket untuk komponen ini bisa sulit ditemukan. Mengingat masa pakai sebagian besar tabung "penerima" yang terbatas (beberapa tahun), sebagian besar perangkat elektronik "tabung" menggunakan soket untuk memasang tabung, sehingga dapat dengan mudah dilepas dan diganti.

Meskipun tabung masih dapat diperoleh (dari toko perlengkapan musik) dengan relatif mudah, soket yang mereka sambungkan jauh lebih langka — Radio Shack lokal Anda tidak akan memilikinya! Lalu, bagaimana kita membangun sirkuit dengan tabung, jika kita mungkin tidak dapat memperoleh soket untuk dicolokkan?

Untuk tabung kecil, masalah ini dapat dielakkan dengan menyolder secara langsung kawat tembaga padat 22-gauge dengan panjang pendek ke pin tabung, sehingga memungkinkan Anda untuk "memasang" tabung ke papan tempat memotong roti tanpa solder. Ini adalah foto amplifier tabung saya, menunjukkan 12AX7 dalam posisi terbalik (pin-side-up).

Harap abaikan grafik batang LED 10 segmen di sebelah kiri dan rakitan sakelar DIP 8 posisi di sebelah kanan dalam foto, karena ini adalah komponen sisa dari eksperimen sirkuit digital yang dipasang sebelumnya di papan tempat memotong roti saya.

Salah satu manfaat memasang tabung pada posisi ini adalah kemudahan identifikasi pin karena sebagian besar "diagram sambungan pin" untuk tabung ditunjukkan dari tampilan bawah:

Anda akan melihat pada skema penguat bahwa kedua elemen trioda di dalam amplop kaca 12AX7 sedang digunakan, secara paralel:pelat terhubung ke pelat, grid terhubung ke grid, dan katoda terhubung ke katoda. Hal ini dilakukan untuk memaksimalkan keluaran daya dari tabung, tetapi tidak perlu untuk mendemonstrasikan operasi dasar. Anda dapat menggunakan salah satu dari triode, untuk kesederhanaan, jika Anda mau.

Kapasitor 0,1 F yang ditunjukkan pada skema "menggabungkan" sumber sinyal audio (radio, keyboard musik, dll.) ke kisi-kisi tabung, memungkinkan AC lewat tetapi menghalangi DC. Resistor 100 kΩ memastikan bahwa tegangan DC rata-rata antara grid dan katoda adalah nol, dan tidak dapat "mengambang" ke tingkat yang tinggi. Biasanya, rangkaian bias digunakan untuk menjaga agar grid sedikit negatif sehubungan dengan ground, tetapi untuk tujuan ini, rangkaian bias akan menimbulkan lebih banyak kerumitan daripada nilainya.

Ketika saya menguji rangkaian amplifier saya, saya menggunakan output dari penerima radio, dan kemudian output dari pemutar CD (compact disk), sebagai sumber sinyal audio. Menggunakan kabel ekstensi konektor “mono”-ke-“phono” yang dicolokkan ke jack headphone pada receiver/pemutar CD, dan kabel jumper klip buaya yang menghubungkan ujung kabel “mono” ke terminal input amplifier tabung, saya dapat dengan mudah mengirim sinyal audio amplifier dengan amplitudo yang bervariasi untuk menguji kinerjanya pada berbagai kondisi:

Sebuah transformator sangat penting pada output dari rangkaian penguat untuk "mencocokkan" impedansi tabung vakum dan speaker. Karena tabung vakum adalah perangkat bertegangan tinggi, arus rendah, dan sebagian besar speaker adalah perangkat arus tinggi bertegangan rendah, ketidakcocokan di antara keduanya akan menghasilkan output daya audio yang sangat rendah jika dihubungkan secara langsung.

Agar berhasil mencocokkan sumber tegangan tinggi, arus rendah dengan tegangan rendah, beban arus tinggi, kita harus menggunakan transformator step-down. Karena resistansi Thevenin rangkaian tabung vakum berkisar dalam puluhan ribu ohm, dan speaker hanya memiliki impedansi sekitar 8 ohm, kita memerlukan transformator dengan rasio impedansi sekitar 10.000:1.

Karena rasio impedansi transformator adalah persegi dari rasio putarannya (atau rasio tegangan), kami mencari transformator dengan rasio putaran sekitar 100:1. Koil pengapian otomotif pada umumnya memiliki rasio putaran ini, dan juga memiliki tegangan yang sangat tinggi pada belitan tegangan tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi ini.

Satu-satunya aspek buruk dari menggunakan koil pengapian adalah bahwa ia tidak memberikan isolasi listrik antara gulungan primer dan sekunder, karena perangkat sebenarnya adalah autotransformer, dengan masing-masing berliku berbagi terminal umum di salah satu ujungnya. Ini berarti kabel speaker akan berada pada tegangan DC tinggi sehubungan dengan ground sirkuit.

Selama kita mengetahui hal ini, dan menghindari menyentuh kabel tersebut selama operasi, tidak akan ada masalah. Namun, idealnya, transformator akan menyediakan isolasi lengkap serta pencocokan impedansi, dan kabel speaker akan sangat aman untuk disentuh saat digunakan.

Ingat, buat semua koneksi di sirkuit dengan daya dimatikan! Setelah memeriksa sambungan secara visual dan dengan ohmmeter untuk memastikan bahwa rangkaian dibangun sesuai dengan diagram skematik, berikan daya ke filamen tabung dan tunggu sekitar 30 detik hingga mencapai suhu pengoperasian.

Kedua filamen harus memancarkan cahaya oranye lembut, terlihat dari pandangan atas dan bawah tabung. Putar kontrol volume sumber sinyal radio/pemutar CD/keyboard musik ke minimum, lalu hidupkan sakelar suplai pelat.

Voltmeter yang telah Anda hubungkan antara terminal output B+ catu daya dan "arde" harus mencatat tegangan penuh (sekitar 170 volt). Sekarang, tingkatkan kontrol volume pada sumber sinyal dan dengarkan speaker. Jika semuanya baik-baik saja, Anda akan mendengar suara yang benar dengan jelas melalui speaker.

Memecahkan masalah sirkuit ini: Paling baik dilakukan dengan detektor audio sensitif yang dijelaskan dalam bab DC dan AC dari volume Eksperimen ini.

Hubungkan kapasitor 0,1 F secara seri dengan masing-masing kabel uji untuk memblokir DC dari detektor, kemudian sambungkan salah satu kabel uji ke arde, sementara menggunakan kabel uji lainnya untuk memeriksa sinyal audio di berbagai titik di sirkuit. Gunakan kapasitor dengan peringkat tegangan tinggi, seperti yang digunakan pada input rangkaian penguat:

Menggunakan dua kapasitor kopling alih-alih hanya satu menambah tingkat keamanan tambahan, dalam membantu mengisolasi unit dari tegangan DC (tinggi). Meskipun tanpa kapasitor tambahan, transformator internal detektor harus menyediakan isolasi listrik yang cukup untuk keselamatan Anda dalam menggunakannya untuk menguji sinyal dalam rangkaian tegangan tinggi seperti ini, terutama jika Anda membangun detektor menggunakan transformator daya 120 volt ( daripada transformator “keluaran audio”) seperti yang disarankan.

Gunakan untuk menguji sinyal yang baik pada input, kemudian pada pin grid tabung, kemudian pada pelat tabung, dll sampai masalah ditemukan. Dipasangkan secara kapasitif, detektor ini juga dapat menguji "hum:" catu daya yang berlebihan, sentuh kabel uji bebas ke terminal B+ catu daya dan dengarkan suara dengungan 60 Hz yang keras.

Suaranya harus sangat lembut, tidak keras. Jika keras, catu daya tidak cukup terfilter dan mungkin memerlukan kapasitansi filter tambahan. Setelah menguji suatu titik di sirkuit amplifier dengan tegangan DC besar ke ground, kapasitor kopling pada detektor dapat menghasilkan tegangan yang cukup besar.

Untuk melepaskan tegangan ini, sentuh sebentar kabel uji bebas ke kabel uji yang diarde. Suara “pop” akan terdengar di headphone saat kapasitor kopling terlepas.

Jika Anda lebih suka menggunakan voltmeter untuk menguji keberadaan sinyal audio, Anda dapat melakukannya, menyetelnya ke rentang tegangan AC yang sensitif. Namun, indikasi yang Anda dapatkan dari voltmeter tidak memberi tahu Anda apa pun tentang kualitas sinyal, hanya kehadirannya saja.

Ingatlah bahwa sebagian besar voltmeter AC akan mencatat tegangan transien ketika awalnya terhubung melalui sumber tegangan DC, jadi jangan kaget melihat "lonjakan" (indikasi tegangan sesaat yang kuat) pada saat kontak dibuat dengan probe meteran ke sirkuit, dengan cepat menurun ke nilai sinyal AC yang sebenarnya. Anda mungkin akan terkejut dengan kualitas dan kedalaman nada dari rangkaian amplifier kecil ini, terutama karena output dayanya yang rendah:daya audio kurang dari 1 watt.

Tentu saja, sirkuit ini cukup kasar dan mengorbankan kualitas untuk kesederhanaan dan ketersediaan suku cadang, tetapi ini berfungsi untuk menunjukkan prinsip dasar amplifikasi tabung vakum. Penggemar dan pelajar tingkat lanjut mungkin ingin bereksperimen dengan jaringan bias, umpan balik negatif, trafo keluaran yang berbeda, voltase catu daya yang berbeda, dan bahkan tabung yang berbeda, untuk mendapatkan lebih banyak daya dan/atau kualitas suara yang lebih baik.

Berikut adalah foto rangkaian amplifier yang sangat mirip, dibuat oleh tim suami-istri Terry dan Cheryl Goetz, yang menggambarkan apa yang dapat dilakukan ketika perawatan dan pengerjaan diterapkan pada proyek seperti ini.