Penguat Audio Tabung Vakum 12AX7 DIY – Bangunan Suara Klasik

BAHAN DAN MATERI

• Satu tabung vakum dual triode 12AX7
• Dua trafo daya, 120VAC step-down ke 12VAC (katalog Radio Shack # 273-1365, 273-1352, atau 273-1511).
• Modul rectifier bridge (katalog Radio Shack # 276-1173)
• Kapasitor elektrolitik, setidaknya 47 µF, dengan tegangan kerja setidaknya 200 volt DC.
• Keliling induksi mobil
• Speaker audio, impedansi 8 Ω
• Dua resistor 100 kΩ
• Satu kapasitor 0,1 µF, 250 WVDC (katalog Radio Shack # 272-1053)
• “Sumber daya AC tegangan rendah” seperti yang ditunjukkan dalam bab Eksperimen AC
• Satu saklar toggle, SPST (“Single-Pole, Single-Throw”)
• Radio, pemutir pita, keyboard musik, atau sumber sinyal tegangan audio lainnya

Di mana Anda dapat mendapatkan tabung 12AX7, Anda tanya? Tabung ini sangat populer untuk digunakan dalam tahap “preamplifier” banyak penguat gitar elektrik profesional.

Pergi ke toko musik mana pun dan Anda akan menemukannya dengan harga modest ($12 US atau kurang). Produsen Rusia bernama Sovtek membuat tabung ini baru, jadi Anda tidak perlu bergantung pada komponen “New-Old-Stock” (NOS) yang tersisa dari produsen Amerika yang sudah tidak ada.

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

Penting untuk memilih kapasitor elektrolitik dengan tegangan kerja (WVDC) yang cukup untuk menahan output rangkaian supply daya penguat ini (sekitar 170 volt). Saya sangat merekomendasikan memilih kapasitor dengan rating tegangan yang jauh melebihi tegangan operasi yang diharapkan, sehingga dapat menangani lonjakan tegangan yang tidak terduga atau peristiwa lain yang mungkin membebani kapasitor.

Saya membeli rangkaian kapasitor elektrolitik Radio Shack (katalog # 272-802), dan kebetulan berisi dua kapasitor 47 µF, 250 WVDC. Jika Anda tidak beruntung seperti itu, Anda dapat membangun rangkaian ini menggunakan lima kapasitor, masing-masing dirating 50 WVDC, untuk menggantikan satu unit 250 WVDC:

 

Ingatlah bahwa total kapasitansi untuk jaringan lima kapasitor ini akan menjadi 1/5, atau 20%, dari nilai setiap kapasitor. Juga, untuk memastikan pengisian yang merata dari kapasitor dalam jaringan, pastikan semua nilai kapasitor (dalam µF) dan semua nilai resistor identik.

Sebuah keliling induksi mobil adalah trafo tegangan tinggi khusus yang digunakan dalam mesin mobil untuk menghasilkan puluhan ribuan volt untuk “menyalakan” busi. Dalam eksperimen ini, ia digunakan (secara tidak konvensional, saya harus menambahkan!) sebagai trafo pencocokan impedansi di antara tabung vakum dan speaker audio 8 Ω.

Pilihan spesifik “keliling” tidak krusial, asalkan dalam kondisi operasi yang baik. Berikut adalah foto keliling yang saya gunakan untuk eksperimen ini:

 

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

Jangan pernah menggunakan headphone dalam hal apa pun, karena keliling induksi tidak menyediakan isolasi listrik di antara tegangan DC 170 volt dari supply daya “plate” dan speaker, sehingga mengangkat koneksi speaker ke tegangan itu relatif terhadap ground. Seperti yang jelas, menempatkan kabel di kepala Anda dengan tegangan tinggi terhadap ground akan sangat berbahaya, jadi jangan gunakan headphone!

Anda akan memerlukan sumber AC frekuensi audio sebagai sinyal input untuk rangkaian penguat ini. Saya merekomendasikan radio kecil yang didayakan baterai atau keyboard musik, dengan kabel yang sesuai yang dihubungkan ke jack “headphone” atau “audio out” untuk menyampaikan sinyal ke penguat Anda.

REFERENSI SILANG

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, bab 13: “Tabung Elektron”

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, bab 3: “Dioda dan Rectifier”

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, bab 9: “Trafo”

TUJUAN PEMBELAJARAN

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

DIAGRAM SKEMATIK

 

 

ILUSTRASI

 

INSTRUKSI

Selamat datang di dunia elektronik tabung vakum! Sementara ini bukan tepatnya aplikasi teknologi semikonduktor (rectifier supply daya dikecualikan), rangkaian ini digunakan sebagai perkenalan ke teknologi tabung vakum, dan aplikasi menarik untuk trafo pencocokan impedansi. Harap diperhatikan bahwa membangun dan mengoperasikan rangkaian ini melibatkan kerja dengan tegangan mematikan!

Anda harus menunjukkan hati-hati maksimal saat bekerja dengan rangkaian ini, karena 170 volt DC mampu mengelectrocut Anda!! Direkomendasikan bahwa pemula mencari bantuan yang berqualifikasi (elektrisian berpengalaman, teknisi elektronik, atau insinyur) jika mencoba membangun penguat ini.

PERINGATAN: jangan menyentuh kabel atau terminal apa pun saat rangkaian penguat sedang aktif! Jika Anda harus membuat kontak dengan rangkaian pada titik apa pun, matikan saklar supply daya “plate” dan tunggu hingga kapasitor filter mengosongkan di bawah 30 volt sebelum menyentuh bagian mana pun dari rangkaian. Jika menguji tegangan rangkaian dengan daya nyala, gunakan hanya satu tangan jika mungkin untuk menghindari kemungkinan keledakan listrik lengan-ke-lengan.

Membangun supply daya tegangan tinggi: Tabung vakum membutuhkan tegangan DC yang cukup tinggi yang diterapkan di antara terminal plate dan cathode untuk berfungsi dengan efisien. Meskipun mungkin untuk mengoperasikan rangkaian penguat yang dijelaskan dalam eksperimen ini pada tegangan DC rendah hingga 24 volt, output daya akan sangat kecil dan kualitas suara buruk.

Triode 12AX7 dirating pada tegangan “plate” maksimum (tegangan yang diterapkan di antara terminal plate dan cathode) 330 volt, sehingga supply daya 170 volt DC yang ditentukan di sini berada di bawah batas maksimum itu. Saya telah mengoperasikan penguat ini pada tegangan DC tertinggi 235 volt dan menemukan bahwa kualitas suara dan intensitas sedikit meningkat, tetapi tidak cukup menurut pendapat saya untuk mempertimbangkan bahaya tambahan bagi eksperimenter.

Supply daya sebenarnya memiliki dua output daya yang berbeda: output DC “B+” untuk daya plate, dan daya “filament,” yang hanya 12 volt AC. Tabung membutuhkan daya yang diterapkan pada filament kecil (kadang disebut heater) untuk berfungsi, karena cathode harus cukup panas untuk melepaskan elektron secara termal, dan itu tidak terjadi pada suhu ruangan!

Menggunakan satu trafo untuk menurunkan daya listrik rumah 120 volt AC menjadi 12 volt AC menyediakan tegangan rendah untuk filament, dan trafo lain yang dihubungkan dalam mode step-up membawa tegangan kembali ke 120 volt. Anda mungkin bertanya-tanya, “mengapa mengembalikan tegangan ke 120 volt dengan trafo lain? Mengapa tidak langsung mengambil dari stopkontak dinding untuk mendapatkan daya listrik 120 volt AC secara langsung, lalu merektifikasi menjadi 170 volt DC?”

Jawabannya adalah dua hal: pertama, mengalirkan daya melalui dua trafo secara inheren membatasi jumlah arus yang dapat dikirim ke dalam pendek yang tidak sengaja di sisi plate rangkaian penguat. Kedua, ia secara listrik mengisolasi rangkaian plate dari sistem pemasangan listrik rumah Anda. Jika kita merektifikasi daya stopkontak dinding dengan jembatan dioda, itu akan membuat kedua terminal DC (+ dan -) ditinggikan tegangan dari ground safety sistem listrik rumah Anda, sehingga meningkatkan bahaya keledakan.

Perhatikan saklar toggle yang terhubung di antara gulungan 12 volt dari kedua trafo, berlabel “Saklar supply daya plate.” Saklar ini mengontrol daya ke trafo step-up, sehingga mengontrol tegangan plate ke rangkaian penguat. Mengapa tidak hanya menggunakan saklar daya utama yang terhubung ke stopkontak 120 volt? Mengapa ada saklar kedua untuk mematikan tegangan DC tinggi, ketika mematikan satu saklar utama akan mencapai hal yang sama?

Jawabannya terletak pada operasi tabung vakum yang benar: seperti lampu pijar, tabung vakum “aus” saat filamentnya dinyalakan dan dimatikan berulang kali, jadi memiliki saklar tambahan ini dalam rangkaian memungkinkan Anda untuk mematikan tegangan DC tinggi (untuk keamanan saat memodifikasi atau menyesuaikan rangkaian) tanpa harus mematikan filament. Juga, merupakan kebiasaan baik untuk menunggu tabung mencapai suhu operasi penuh sebelum menerapkan tegangan plate, dan saklar kedua ini memungkinkan Anda menunda penerapan tegangan plate hingga tabung memiliki waktu untuk mencapai suhu operasi.

Selama operasi, Anda harus memiliki voltmeter yang terhubung ke output “B+” supply daya (di antara terminal B+ dan ground), yang secara berkelanjutan memberikan indikasi tegangan supply daya. Meter ini akan menunjukkan kapan kapasitor filter telah mengosongkan di bawah batas bahaya keledakan (30 volt) saat Anda mematikan “Saklar supply daya Plate” untuk menyervis rangkaian penguat.

Terminal “ground” yang ditunjukkan pada output DC rangkaian supply daya tidak perlu terhubung ke ground bumi. Sebaliknya, itu hanya simbol yang menunjukkan koneksi umum dengan simbol ground yang sesuai dalam rangkaian penguat. Dalam rangkaian yang Anda bangun, akan ada sepotong kabel yang menghubungkan dua titik “ground” ini bersama-sama. Selalu, penunjuk titik umum tertentu dalam rangkaian melalui simbol bersama adalah praktik standar dalam skematik elektronik.

Anda akan melihat bahwa diagram skematik menunjukkan resistor 100 kΩ secara paralel dengan kapasitor filter. Resistor ini sangat diperlukan, karena ia memberikan jalur untuk kapasitor mengosongkan saat daya AC dimatikan. Tanpa resistor “bleeder” ini dalam rangkaian, kapasitor kemungkinan akan mempertahankan charge berbahaya untuk waktu yang lama setelah “power-down,” yang menimbulkan bahaya keledakan tambahan bagi Anda.

Dalam rangkaian yang saya bangun—dengan kapasitor 47 µF dan resistor bleeder 100 kΩ—konstanta waktu rangkaian RC ini singkat, yaitu 4,7 detik. Jika Anda menemukan nilai kapasitor filter yang lebih besar (baik untuk meminimalkan “hum” supply daya yang tidak diinginkan di speaker), Anda akan perlu menggunakan resistor bleeder yang lebih kecil yang sesuai, atau menunggu lebih lama untuk tegangan mengosongkan setiap kali Anda mematikan saklar “Supply daya Plate.”

Pastikan Anda telah membangun supply daya dengan aman dan bekerja dengan andal sebelum mencoba memberdayakan rangkaian penguat dengannya. Ini adalah praktik pembangunan rangkaian yang baik secara umum: bangun dan troubleshoot supply daya terlebih dahulu, lalu bangun rangkaian yang Anda bermaksud untuk diberi daya dengannya. Jika supply daya tidak berfungsi sebagaimana mestinya, maka rangkaian yang diberi daya juga tidak akan berfungsi, tidak peduli seberapa baik ia dirancang dan dibangun.

Membangun penguat: Salah satu masalah dengan membangun rangkaian tabung vakum pada abad 21 adalah bahwa socket untuk komponen ini dapat sulit ditemukan. Dengan umur terbatas sebagian besar tabung “receiver” (beberapa tahun), sebagian besar perangkat elektronik “tubed” menggunakan socket untuk memasang tabung, sehingga mereka dapat dengan mudah dilepas dan diganti.

Meskipun tabung masih dapat diperoleh (dari toko perlengkapan musik) dengan relatif mudah, socket yang mereka colokkan sangatlah langka—Radio Shack lokal Anda tidak akan memilikinya! Bagaimana, maka, kita membangun rangkaian dengan tabung, jika kita mungkin tidak dapat mendapatkan socket untuk mereka colokkan?

Untuk tabung kecil, masalah ini dapat diatasi dengan langsung solder sepotong kawat tembang padat 22-gauge ke pin tabung, sehingga memungkinkan Anda untuk “colok” tabung ke dalam breadboard tanpa solder. Berikut adalah foto penguat tabung saya, menunjukkan 12AX7 dalam posisi terbalik (sisi pin ke atas).

Harap abaikan bar grafik LED 10-segment di kiri dan assembly switch DIP 8-posisi di kanan dalam foto, karena ini adalah komponen sisa dari eksperimen rangkaian digital yang sebelumnya dirangkai di breadboard saya.

 

Salah satu manfaat memasang tabung dalam posisi ini adalah kemudahan identifikasi pin karena sebagian besar “diagram koneksi pin” untuk tabung ditampilkan dari tampilan bawah:

 

Anda akan melihat pada skematik penguat bahwa kedua elemen triode di dalam amplop kaca 12AX7 digunakan, secara paralel: plate terhubung ke plate, grid terhubung ke grid, dan cathode terhubung ke cathode. Ini dilakukan untuk memaksimalkan output daya dari tabung, tetapi tidak diperlukan untuk mendemonstrasi operasi dasar. Anda dapat menggunakan hanya salah satu triode, untuk kesederhanaan, jika Anda ingin.

Kapasitor 0,1 µF yang ditunjukkan pada skematik “mengkople” sumber sinyal audio (radio, keyboard musik, dll.) ke grid tabung, mengizinkan AC untuk lolos tetapi mencegah DC. Resistor 100 kΩ memastikan bahwa tegangan DC rata-rata di antara grid dan cathode adalah nol, dan tidak dapat “melayang” ke level tinggi. Biasanya, rangkaian bias digunakan untuk menjaga grid sedikit negatif relatif terhadap ground, tetapi untuk tujuan ini, rangkaian bias akan menambahkan lebih banyak kompleksitas daripada yang nilainya.

Saat saya menguji rangkaian penguat saya, saya menggunakan output penerima radio, dan kemudian output pemutir CD (compact disk), sebagai sumber sinyal audio. Dengan menggunakan kabel ekstensi “mono”-ke-“phono” yang dihubungkan ke jack headphone penerima/pemutir CD, dan kabel jumper alligator clip yang menghubungkan tip “mono” kabel ke terminal input penguat tabung, saya dapat dengan mudah mengirimkan sinyal audio penguat dengan amplitudo yang bervariasi untuk menguji performanya di berbagai kondisi:

 

Trafo esensial di output rangkaian penguat untuk “mencocokkan” impedansi tabung vakum dan speaker. Karena tabung vakum adalah perangkat tegangan tinggi, arus rendah, dan sebagian besar speaker adalah perangkat tegangan rendah, arus tinggi, ketidakcocokan di antara mereka akan menghasilkan output daya audio yang sangat rendah jika mereka langsung terhubung.

Untuk berhasil mencocokkan sumber tegangan tinggi, arus rendah ke beban tegangan rendah, arus tinggi, kita harus menggunakan trafo step-down. Karena Thevenin resistance rangkaian tabung berkisar dalam puluhan ribu ohm, dan speaker hanya memiliki impedansi sekitar 8 ohm, kita akan membutuhkan trafo dengan rasio impedansi sekitar 10.000:1.

Karena rasio impedansi trafo adalah kuadrat dari rasio lipatan (atau rasio tegangan), kita mencari trafo dengan rasio lipatan sekitar 100:1. Keliling induksi mobil biasanya memiliki rasio lipatan ini, dan juga dirating untuk tegangan sangat tinggi pada gulungan tegangan tinggi, menjadikannya sangat cocok untuk aplikasi ini.

Salah satu aspek buruk dari penggunaan keliling induksi adalah bahwa ia tidak menyediakan isolasi listrik di antara gulungan primer dan sekunder, karena perangkat sebenarnya adalah autotransformer, dengan setiap gulungan berbagi terminal umum di satu ujung. Ini berarti kabel speaker akan berada pada tegangan DC tinggi relatif terhadap ground rangkaian.

Asalkan kita mengetahui ini, dan menghindari menyentuh kabel tersebut selama operasi, tidak akan ada masalah. Secara ideal, meskipun, trafo akan memberikan isolasi lengkap serta pencocokan impedansi, dan kabel speaker akan sepenuhnya aman untuk disentuh selama penggunaan.

Ingat, buat semua koneksi dalam rangkaian dengan daya dimatikan! Setelah memeriksa koneksi secara visual dan dengan ohmmeter untuk memastikan bahwa rangkaian dibangun sesuai dengan diagram skematik, terapkan daya pada filament tabung dan tunggu sekitar 30 detik untuk mencapai suhu operasi.

Kedua filament harus bersinar cahaya oranye lembut, terlihat dari tampilan atas dan bawah tabung. Atur kontrol volume sumber sinyal radio/CD player/keyboard musik Anda ke minimum, lalu nyalakan saklar supply daya plate.

Voltmeter yang Anda hubungkan antara terminal output B+ supply daya dan “ground” harus mencatat tegangan penuh (sekitar 170 volt). Sekarang, tingkatkan kontrol volume pada sumber sinyal dan dengarkan speaker. Jika semuanya baik, Anda harus mendengar suara yang benar dengan jelas melalui speaker.

Troubleshooting rangkaian ini: Dilakukan paling baik dengan detektor audio sensitif yang dijelaskan dalam bab DC dan AC volume Eksperimen ini.

Hubungkan kapasitor 0,1 µF secara seri dengan setiap kabel uji untuk mencegah DC dari detektor, lalu hubungkan salah satu kabel uji ke ground, sementara menggunakan kabel uji lainnya untuk memeriksa sinyal audio di berbagai titik dalam rangkaian. Gunakan kapasitor dengan rating tegangan tinggi, seperti yang digunakan pada input rangkaian penguat:

 

Menggunakan dua kapasitor coupling alih-alih hanya satu menambahkan tingkat keamanan tambahan, dalam membantu mengisolasi unit dari tegangan DC (tinggi) apa pun. Bahkan tanpa kapasitor tambahan, meskipun, trafo internal detektor seharusnya menyediakan isolasi listrik yang cukup untuk keamanan Anda dalam menggunakannya untuk menguji sinyal dalam rangkaian tegangan tinggi seperti ini, terutama jika Anda membangun detektor Anda menggunakan trafo daya 120 volt (bukan trafo “output audio”) seperti yang disarankan.

Gunakan untuk menguji sinyal yang baik pada input, kemudian pada pin grid tabung, kemudian pada plate tabung, dll. sampai masalah ditemukan. Karena di-coupling kapasitif, detektor juga dapat menguji keberadaan “hum” supply daya yang berlebihan: sentuh kabel uji bebas ke terminal B+ supply dan dengarkan nada dengungan 60 Hz yang keras.

Nada dengungan harus sangat lemah, tidak keras. Jika keras, supply daya tidak difilter dengan cukup baik dan mungkin memerlukan kapasitas filter tambahan. Setelah menguji titik dalam rangkaian penguat dengan tegangan DC besar terhadap ground, kapasitor coupling pada detektor dapat mengumpulkan tegangan yang cukup besar.

Untuk mengosongkan tegangan ini, singkatnya, sentuh kabel uji bebas ke kabel uji ground. Suara “pop” harus terdengar di headphone saat kapasitor coupling mengosongkan.

Jika Anda lebih suka menggunakan voltmeter untuk menguji keberadaan sinyal audio, Anda dapat melakukannya, mengaturnya ke range AC voltage sensitif. Indikasi yang Anda dapatkan dari voltmeter, meskipun, tidak memberi tahu Anda apa pun tentang kualitas sinyal, hanya keberadaannya.

Ingatlah bahwa sebagian besar voltmeter AC akan mencatat tegangan transien saat awalnya dihubungkan di seluruh sumber tegangan DC, jangan heran melihat “spike” (indikasi tegangan kuat, sesaat) pada saat kontak dibuat dengan probe meter ke rangkaian, yang cepat menurun ke nilai sinyal AC yang sebenarnya. Anda mungkin akan terkejut dengan kualitas dan kedalaman nada dari rangkaian penguat kecil ini, mengingat output daya yang rendah: kurang dari 1 watt daya audio.

Tentu saja, rangkaian ini cukup kasar dan menyerap kualitas untuk kesederhanaan dan ketersediaan bagian, tetapi ini berfungsi untuk mendemonstrasikan prinsip dasar amplifikasi tabung vakum. Hobiwan lanjutan dan mahasiswa mungkin ingin bereksperimen dengan jaringan bias, negative feedback, trafo output yang berbeda, tegangan supply daya yang berbeda, dan bahkan tabung yang berbeda, untuk mendapatkan lebih banyak daya dan/atau kualitas suara yang lebih baik.

Berikut adalah foto rangkaian penguat yang sangat mirip, yang dibangun oleh pasangan suami istri Terry dan Cheryl Goetz, menggambarkan apa yang dapat dilakukan ketika perawatan dan keterampilan diterapkan pada proyek seperti ini.