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Vakuumröhren-Audioverstärker

TEILE UND MATERIALIEN

Wo bekommt man eine 12AX7-Röhre, fragen Sie? Diese Röhren sind sehr beliebt für den Einsatz in den „Vorverstärker“-Stufen vieler professioneller E-Gitarren-Verstärker.

Gehen Sie zu einem guten Musikladen und Sie werden sie zu einem bescheidenen Preis finden ($12 US oder weniger). Ein russischer Hersteller namens Sovtek stellt diese Röhren neu her, sodass Sie sich nicht auf "New-Old-Stock" (NOS)-Komponenten verlassen müssen, die von nicht mehr existierenden amerikanischen Herstellern übrig geblieben sind.

Dieses Röhrenmodell war zu seiner Zeit sehr beliebt und kann in alten elektronischen "Röhren"-Testgeräten (Oszilloskopen, Oszillatoren) gefunden werden, wenn Sie Zugang zu solchen Geräten haben. Ich empfehle jedoch dringend, eine neue Röhre zu kaufen, anstatt ein Risiko mit Röhren einzugehen, die aus antiken Geräten geborgen wurden.

Es ist wichtig, einen Elektrolytkondensator mit ausreichender Arbeitsspannung (WVDC) auszuwählen, um dem Ausgang des Stromversorgungskreises dieses Verstärkers (ca. 170 Volt) standzuhalten. Ich empfehle dringend, einen Kondensator mit einer Nennspannung zu wählen, die weit über der erwarteten Betriebsspannung liegt, um unerwartete Spannungsstöße oder andere Ereignisse zu bewältigen, die den Kondensator belasten können.

Ich habe das Radio Shack Elektrolytkondensator-Sortiment (Katalog # 272-802) gekauft, und es enthielt zufällig zwei 47 µF, 250 WVDC Kondensatoren. Wenn Sie nicht so viel Glück haben, können Sie diese Schaltung mit fünf Kondensatoren mit einer Nennleistung von jeweils 50 WVDC aufbauen, um eine 250 WVDC-Einheit zu ersetzen:

Denken Sie daran, dass die Gesamtkapazität für dieses Fünf-Kondensator-Netzwerk 1/5 oder 20 % des Wertes jedes Kondensators beträgt. Stellen Sie außerdem sicher, dass alle Kondensatorwerte (in µF) und alle Widerstandswerte identisch sind, um eine gleichmäßige Ladung der Kondensatoren im Netzwerk zu gewährleisten.

Eine Automobil-Zündspule ist ein spezieller Hochspannungstransformator, der in Automotoren verwendet wird, um Zehntausende von Volt zum „Zünden“ der Zündkerzen zu erzeugen. In diesem Experiment wird es (sehr unkonventionell, möchte ich hinzufügen!) als Impedanzanpassungstransformator zwischen der Vakuumröhre und einem 8--Audiolautsprecher verwendet.

Die spezifische Wahl der „Spule“ ist nicht kritisch, solange sie sich in einem guten Betriebszustand befindet. Hier ist ein Foto der Spule, die ich für dieses Experiment verwendet habe:

Der Audiolautsprecher muss nicht extravagant sein. Ich habe für dieses Experiment kleine Regallautsprecher, Autolautsprecher (6 x 9 Zoll) sowie einen großen (100 W) 3-Wege-Stereolautsprecher verwendet, und sie alle funktionieren einwandfrei.

Keine Kopfhörer verwenden unter keinen Umständen, da die Zündspule keine galvanische Trennung zwischen den 170 Volt DC des "Plate"-Netzteils und dem Lautsprecher herstellt, wodurch die Lautsprecheranschlüsse gegenüber Masse auf diese Spannung angehoben werden. Da es offensichtlich sehr gefährlich wäre, Drähte mit Hochspannung gegen Erde an den Kopf zu legen , bitte keine Kopfhörer verwenden!

Sie benötigen eine Audiofrequenz-Wechselstromquelle als Eingangssignal für diese Verstärkerschaltung. Ich empfehle ein kleines batteriebetriebenes Radio oder eine Musiktastatur mit einem entsprechenden Kabel, das an die „Kopfhörer“- oder „Audioausgangs“-Buchse angeschlossen ist, um das Signal an Ihren Verstärker zu übertragen.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 13:„Elektronenröhren“

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 3:„Dioden und Gleichrichter“

Lektionen in Stromkreisen , Band 2, Kapitel 9:„Transformatoren“

LERNZIELE

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Willkommen in der Welt der Röhrenelektronik! Obwohl nicht gerade eine Anwendung der Halbleitertechnologie (Netzteilgleichrichter ausgenommen), wird diese Schaltung als Einführung in die Vakuumröhrentechnologie und eine interessante Anwendung für Impedanzanpassungstransformatoren verwendet. Es ist zu beachten, dass der Aufbau und Betrieb dieser Schaltung mit lebensgefährlichen Spannungen verbunden ist!

Sie müssen bei der Arbeit mit dieser Schaltung äußerste Sorgfalt walten lassen, da 170 Volt DC Sie durch einen Stromschlag töten können! Anfängern wird empfohlen, beim Bau dieses Verstärkers qualifizierte Hilfe (erfahrene Elektriker, Elektroniker oder Ingenieure) in Anspruch zu nehmen.

WARNUNG:Berühren Sie keine Drähte oder Klemmen, während die Verstärkerschaltung unter Spannung steht! Wenn Sie den Stromkreis zu irgendeinem Zeitpunkt berühren müssen, schalten Sie den Stromversorgungsschalter „Platte“ aus und warten Sie, bis sich der Filterkondensator unter 30 Volt entladen hat, bevor Sie irgendeinen Teil des Stromkreises berühren. Verwenden Sie beim Testen von Stromkreisspannungen bei eingeschaltetem Gerät nach Möglichkeit nur eine Hand, um die Möglichkeit eines elektrischen Schlags von Arm zu Arm zu vermeiden.

Hochspannungsstromversorgung aufbauen: Vakuumröhren erfordern eine ziemlich hohe Gleichspannung, die zwischen Platten- und Kathodenanschlüssen angelegt wird, um effizient zu funktionieren. Obwohl es möglich ist, die in diesem Experiment beschriebene Verstärkerschaltung mit nur 24 Volt Gleichstrom zu betreiben, ist die Ausgangsleistung winzig und die Klangqualität schlecht.

Die 12AX7-Triode ist für eine maximale „Plattenspannung“ (Spannung, die zwischen Platten- und Kathodenanschlüssen angelegt wird) von 330 Volt ausgelegt, sodass unsere hier angegebene Stromversorgung von 170 Volt DC deutlich innerhalb dieser maximalen Grenze liegt. Ich habe diesen Verstärker mit bis zu 235 Volt Gleichstrom betrieben und festgestellt, dass sich sowohl die Klangqualität als auch die Intensität leicht verbessert haben , aber meiner Meinung nach nicht genug, um die zusätzliche Gefahr für Experimentatoren zu rechtfertigen.

Das Netzteil hat eigentlich zwei verschiedene Leistungsausgänge:den „B+“-Gleichstromausgang für Plattenstrom und den „Filament“-Strom, der nur 12 Volt Wechselstrom beträgt. Röhren erfordern Strom, der an ein kleines Filament angelegt wird (manchmal auch als Heizung bezeichnet ) um zu funktionieren, da die Kathode heiß genug sein muss, um thermisch Elektronen zu emittieren, und das passiert bei Raumtemperatur nicht!

Die Verwendung eines Leistungstransformators, um den 120-Volt-Wechselstrom des Haushalts auf 12 Volt Wechselstrom zu senken, liefert eine Niederspannung für die Filamente, und ein anderer Transformator, der in einer Aufwärtsrichtung angeschlossen ist, bringt die Spannung wieder auf 120 Volt. Sie fragen sich vielleicht:„Warum die Spannung mit einem anderen Transformator auf 120 Volt zurücksetzen? Warum ziehen Sie nicht einfach den Stecker der Steckdose ab, um direkt mit 120 Volt Wechselstrom zu arbeiten? , und korrigiere das dann in 170 Volt Gleichspannung?“

Die Antwort darauf ist zweifach :Erstens begrenzt die Leistung durch zwei Transformatoren von Natur aus die Strommenge, die in einen versehentlichen Kurzschluss auf der Plattenseite der Verstärkerschaltung geleitet werden kann. Zweitens isoliert es den Plattenstromkreis elektrisch von der Verkabelung Ihres Hauses. Wenn wir den Strom aus der Steckdose mit einer Diodenbrücke gleichrichten würden, würde die Spannung beider DC-Klemmen (+ und -) vom Schutzerdungsanschluss des elektrischen Systems Ihres Hauses erhöht, wodurch die Stromschlaggefahr erhöht würde.

Beachten Sie den Kippschalter, der zwischen den 12-Volt-Wicklungen der beiden Transformatoren angeschlossen ist und mit der Bezeichnung „Plattenversorgungsschalter“ beschriftet ist. Dieser Schalter steuert die Leistung des Aufwärtstransformators, wodurch die Plattenspannung an die Verstärkerschaltung gesteuert wird. Warum nicht einfach den Hauptschalter am 120-Volt-Stecker verwenden? Warum ein zweiter Schalter zum Abschalten der DC-Hochspannung, wenn das Abschalten eines Hauptschalters dasselbe bewirken würde?

Die Antwort liegt im richtigen Betrieb der Vakuumröhre: wie Glühbirnen „verschleißen“ Vakuumröhren, wenn ihre Filamente wiederholt ein- und ausgeschaltet werden. Wenn Sie also diesen zusätzlichen Schalter im Stromkreis haben, können Sie die DC-Hochspannung (zur Sicherheit beim Ändern oder Einstellen des Stromkreises) abschalten, ohne dass dies erforderlich ist schalte das Filament aus. Außerdem ist es eine gute Angewohnheit zu warten, bis die Röhre die volle Betriebstemperatur erreicht hat, bevor Anlegen der Plattenspannung, und mit diesem zweiten Schalter können Sie das Anlegen der Plattenspannung verzögern, bis die Röhre Zeit hatte, ihre Betriebstemperatur zu erreichen.

Während des Betriebs sollten Sie ein Voltmeter am „B+ . angeschlossen haben ” Ausgang des Netzteils (zwischen den B+ Klemme und Masse), die ständig die Versorgungsspannung anzeigt. Dieses Messgerät zeigt Ihnen an, wenn sich der Filterkondensator unter den Grenzwert für die Berührungsgefahr (30 Volt) entladen hat, wenn Sie den „Plattenversorgungsschalter“ ausschalten, um die Verstärkerschaltung zu warten.

Die am DC-Ausgang des Stromversorgungskreises gezeigte „Masse“-Klemme muss nicht mit Erde verbunden werden. Vielmehr ist es lediglich ein Symbol, das eine gemeinsame Verbindung mit einem entsprechenden Masseanschlusssymbol in der Verstärkerschaltung zeigt. In der von Ihnen erstellten Schaltung gibt es ein Stück Draht, das diese beiden "Masse" -Punkte miteinander verbindet. Wie immer ist die Kennzeichnung bestimmter gemeinsamer Punkte in einem Stromkreis durch ein gemeinsames Symbol in elektronischen Schaltplänen gängige Praxis.

Sie werden feststellen, dass das Schaltbild einen 100 kΩ Widerstand parallel zum Siebkondensator zeigt. Dieser Widerstand ist durchaus notwendig, da er dem Kondensator einen Weg zur Entladung bereitstellt, wenn der Wechselstrom abgeschaltet wird. Ohne diesen „Bleeder“-Widerstand im Stromkreis würde der Kondensator nach dem „Herunterfahren“ wahrscheinlich noch lange eine gefährliche Ladung behalten, was eine zusätzliche Stromschlaggefahr für Sie darstellen würde.

In der von mir gebauten Schaltung – mit einem 47-µF-Kondensator und einem 100-kΩ-Bleeder-Widerstand – betrug die Zeitkonstante dieser RC-Schaltung kurze 4,7 Sekunden. Wenn Sie einen größeren Filterkondensatorwert finden (gut, um unerwünschtes „Brummen“ der Stromversorgung im Lautsprecher zu minimieren), müssen Sie einen entsprechend kleineren Wert des Ableitwiderstands verwenden oder länger warten, bis die Spannung jedes Mal abfällt Schalten Sie den Schalter „Tellerzufuhr“ aus.

Stellen Sie sicher, dass das Netzteil sicher aufgebaut ist und zuverlässig funktioniert, bevor Sie versuchen, die Verstärkerschaltung damit zu versorgen. Dies ist im Allgemeinen eine gute Praxis beim Bau von Schaltungen:Bauen Sie zuerst das Netzteil und beheben Sie Fehler, dann bauen Sie die Schaltung auf, die Sie damit versorgen möchten. Wenn das Netzteil nicht so funktioniert, wie es sollte, wird es auch der gespeiste Stromkreis nicht, egal wie gut er entworfen und gebaut ist.

Verstärker bauen: Eines der Probleme beim Bau von Vakuumröhrenschaltungen im 21. Jahrhundert besteht darin, dass Steckdosen für diese Komponenten kann schwer zu finden sein. Angesichts der begrenzten Lebensdauer der meisten "Empfänger"-Röhren (einige Jahre) verwendeten die meisten "Röhren"-Elektronikgeräte Sockel zur Befestigung der Röhren, damit sie leicht entfernt und ersetzt werden konnten.

Obwohl Röhren relativ leicht (im Musikfachhandel) erhältlich sind, sind die Buchsen, in die sie eingesteckt werden, erheblich knapper – Ihr lokaler Radio Shack hat sie nicht auf Lager! Wie bauen wir dann Schaltungen mit Röhren, wenn wir möglicherweise keine Steckdosen für sie besorgen können?

Bei kleinen Röhren kann dieses Problem umgangen werden, indem kurze Längen von massivem 22-Gauge-Kupferdraht direkt an die Stifte der Röhre gelötet werden, wodurch Sie die Röhre in ein lötfreies Steckbrett „einstecken“ können. Hier ist ein Foto meines Röhrenverstärkers, das den 12AX7 in umgekehrter Position zeigt (Stiftseite nach oben).

Bitte ignorieren Sie das 10-Segment-LED-Balkendiagramm auf der linken Seite und die 8-Positionen-DIP-Schalterbaugruppe auf der rechten Seite auf dem Foto, da dies übrig gebliebene Komponenten aus einem digitalen Schaltungsexperiment sind, das zuvor auf meinem Steckbrett montiert wurde.

Ein Vorteil der Montage der Röhre in dieser Position ist die einfache Identifizierung der Pins, da die meisten „Pin-Anschlussdiagramme“ für Röhren in einer Ansicht von unten angezeigt werden:

Auf dem Verstärkerschema werden Sie feststellen, dass beide Triodenelemente in der Glashülle des 12AX7 parallel verwendet werden:Platte mit Platte verbunden, Gitter mit Gitter verbunden und Kathode mit Kathode verbunden. Dies geschieht, um die Leistungsabgabe der Röhre zu maximieren, ist jedoch nicht erforderlich, um den grundlegenden Betrieb zu demonstrieren. Sie können der Einfachheit halber nur eine der Trioden verwenden, wenn Sie möchten.

Der im Schaltplan gezeigte 0,1-µF-Kondensator „koppelt“ die Audiosignalquelle (Radio, Musiktastatur usw.) mit dem/den Gitter(n) der Röhre, sodass Wechselstrom passieren kann, Gleichstrom jedoch blockiert wird. Der 100-kΩ-Widerstand sorgt dafür, dass die durchschnittliche Gleichspannung zwischen Gitter und Kathode Null ist und nicht auf einen hohen Pegel „schweben“ kann. Normalerweise werden Bias-Schaltungen verwendet, um das Gitter in Bezug auf Masse leicht negativ zu halten, aber zu diesem Zweck würde eine Bias-Schaltung mehr Komplexität verursachen, als sie wert ist.

Als ich meine Verstärkerschaltung testete, benutzte ich den Ausgang eines Radioempfängers und später den Ausgang eines CD-Players als Audiosignalquelle. Verwenden Sie ein „Mono“-zu-“Phono“-Verlängerungskabel, das an die Kopfhörerbuchse des Receivers/CD-Players angeschlossen ist, und Krokodilklemmen-Überbrückungsdrähte, die die „Mono“-Spitze des Kabels mit den Eingangsanschlüssen des Röhrenverstärkers verbinden, I war in der Lage, dem Verstärker problemlos Audiosignale unterschiedlicher Amplitude zu senden, um seine Leistung unter einer Vielzahl von Bedingungen zu testen:

Am Ausgang der Verstärkerschaltung ist ein Übertrager zum „Anpassen“ der Impedanzen von Röhre und Lautsprecher unerlässlich. Da die Vakuumröhre ein Hochspannungs-Niederstromgerät ist und die meisten Lautsprecher Niederspannungs-Hochstromgeräte sind, würde die Fehlanpassung zwischen ihnen zu einer sehr geringen Audioleistung führen, wenn sie direkt angeschlossen würden.

Um die Hochspannungs-Niederstromquelle erfolgreich an die Niederspannungs-Hochstromlast anzupassen, müssen wir einen Abwärtstransformator verwenden. Da der Thevenin-Widerstand der Vakuumröhrenschaltung im Bereich von mehreren zehntausend Ohm liegt und der Lautsprecher nur eine Impedanz von etwa 8 Ohm hat, benötigen wir einen Transformator mit einem Impedanzverhältnis von etwa 10.000:1.

Da das Impedanzverhältnis eines Transformators das Quadrat ist seines Windungsverhältnisses (oder Spannungsverhältnisses) suchen wir einen Transformator mit einem Windungsverhältnis von etwa 100:1. Eine typische Automobil-Zündspule hat ungefähr dieses Windungsverhältnis und ist auch für extrem hohe Spannungen an der Hochspannungswicklung ausgelegt, wodurch sie sich gut für diese Anwendung eignet.

Der einzige Nachteil bei der Verwendung einer Zündspule besteht darin, dass sie keine elektrische Isolierung zwischen Primär- und Sekundärwicklung bietet, da das Gerät eigentlich ein Spartransformator ist, bei dem sich jede Wicklung an einem Ende einen gemeinsamen Anschluss teilt. Dies bedeutet, dass die Lautsprecherkabel eine hohe Gleichspannung in Bezug auf die Schaltungsmasse haben.

Solange wir dies wissen und es vermeiden, diese Drähte während des Betriebs zu berühren, wird es kein Problem geben. Im Idealfall würde der Transformator jedoch eine vollständige Isolierung sowie Impedanzanpassung bieten und die Lautsprecherdrähte wären während des Gebrauchs absolut berührungssicher.

Denken Sie daran, alle Verbindungen im Stromkreis bei ausgeschaltetem Strom herzustellen! Nachdem Sie die Anschlüsse visuell und mit einem Ohmmeter überprüft haben, um sicherzustellen, dass der Stromkreis gemäß dem Schaltplan aufgebaut ist, legen Sie Strom an die Filamente der Röhre an und warten Sie etwa 30 Sekunden, bis sie die Betriebstemperatur erreicht haben.

Die beiden Filamente sollten ein weiches, orangefarbenes Leuchten ausstrahlen, das sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite der Röhre sichtbar ist. Stellen Sie den Lautstärkeregler Ihrer Radio-/CD-Player-/Keyboard-Signalquelle auf Minimum und schalten Sie dann den Plattenversorgungsschalter ein.

Das Voltmeter, das Sie zwischen dem B+-Ausgangsanschluss des Netzteils und „Masse“ angeschlossen haben, sollte die volle Spannung (ca. 170 Volt) anzeigen. Erhöhen Sie nun den Lautstärkeregler an der Signalquelle und hören Sie auf den Lautsprecher. Wenn alles in Ordnung ist, sollten Sie die richtigen Töne deutlich über den Lautsprecher hören.

Fehlerbehebung bei dieser Schaltung: Am besten mit dem empfindlichen Audiodetektor, der in den Kapiteln DC und AC in diesem Experimenteband beschrieben wird.

Schließen Sie einen 0,1-µF-Kondensator in Reihe mit jeder Messleitung an, um den Gleichstrom vom Detektor zu blockieren, verbinden Sie dann eine der Messleitungen mit Masse, während Sie die andere Messleitung verwenden, um an verschiedenen Punkten im Stromkreis auf Audiosignale zu prüfen. Verwenden Sie Kondensatoren mit hoher Nennspannung, wie sie am Eingang der Verstärkerschaltung verwendet werden:

Die Verwendung von zwei Koppelkondensatoren anstelle von nur einem bietet ein zusätzliches Maß an Sicherheit, da das Gerät von jeder (hohen) Gleichspannung isoliert wird. Auch ohne den zusätzlichen Kondensator sollte der interne Transformator des Detektors jedoch eine ausreichende elektrische Isolierung bieten, um Ihre Sicherheit beim Testen auf Signale in einem Hochspannungskreis wie diesem zu gewährleisten, insbesondere wenn Sie Ihren Detektor mit einem 120-Volt-Netztransformator gebaut haben ( anstelle eines „Audioausgangs“-Transformators) wie vorgeschlagen.

Testen Sie damit, ob ein gutes Signal am Eingang, dann an den Gitterstiften der Röhre, dann an der Röhrenplatte usw. vorhanden ist, bis das Problem gefunden ist. Da der Detektor kapazitiv gekoppelt ist, kann er auch auf übermäßiges „Brummen der Stromversorgung“ testen:Berühren Sie das freie Messkabel mit dem B+-Anschluss der Stromversorgung und achten Sie auf ein lautes 60-Hz-Summen.

Das Geräusch sollte sehr leise sein, nicht laut. Wenn es laut ist, wird das Netzteil nicht ausreichend gefiltert und benötigt möglicherweise zusätzliche Filterkapazität. Nach dem Testen eines Punktes in der Verstärkerschaltung mit großer Gleichspannung gegen Masse können die Koppelkondensatoren am Detektor eine erhebliche Spannung aufbauen.

Um diese Spannung zu entladen, berühren Sie kurz die freie Messleitung mit der geerdeten Messleitung. Im Kopfhörer sollte ein „Pop“-Geräusch zu hören sein, während sich die Koppelkondensatoren entladen.

Wenn Sie lieber ein Voltmeter verwenden möchten, um das Vorhandensein eines Audiosignals zu testen, können Sie dies tun, indem Sie es auf einen empfindlichen Wechselspannungsbereich einstellen. Die Anzeige eines Voltmeters sagt jedoch nichts über die Qualität aus des Signals, nur seine bloße Anwesenheit.

Denken Sie daran, dass die meisten AC-Voltmeter eine Übergangsspannung registrieren, wenn sie anfänglich an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden die Sonden des Messgeräts an den Stromkreis und sinken schnell auf den wahren AC-Signalwert. Sie werden von der Qualität und Klangtiefe dieser kleinen Verstärkerschaltung angenehm überrascht sein, insbesondere angesichts der geringen Ausgangsleistung:weniger als 1 Watt Audioleistung.

Natürlich ist die Schaltung ziemlich grob und opfert Qualität für Einfachheit und Teileverfügbarkeit, aber sie dient dazu, das Grundprinzip der Vakuumröhrenverstärkung zu demonstrieren. Fortgeschrittene Bastler und Studenten möchten vielleicht mit Vorspannungsnetzwerken, negativer Rückkopplung, unterschiedlichen Ausgangstransformatoren, unterschiedlichen Versorgungsspannungen und sogar unterschiedlichen Röhren experimentieren, um mehr Leistung und/oder eine bessere Klangqualität zu erzielen.

Hier ist ein Foto einer sehr ähnlichen Verstärkerschaltung, die vom Ehepaar Terry und Cheryl Goetz gebaut wurde und zeigt, was getan werden kann, wenn ein Projekt wie dieses mit Sorgfalt und Handwerkskunst angewendet wird.


Industrietechnik

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