5.19: Amplificador de audio de tubo de vacío

PARTES Y MATERIALES

• Un tubo de vacío de doble triodo 12AX7
• Dos transformadores de potencia, reductor de 120VCA a 12VCA (catálogo de Radio Shack # 273-1365, 273-1352 o 273-1511).
• Módulo puente rectificador (Radio Shack catálogo # 276-1173)
• Condensador electrolítico, al menos 47 µF, con un voltaje de trabajo de al menos 200 voltios CC.
• Bobina de encendido automotriz
• Altavoz de audio, impedancia de 8 Ω
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Un condensador de 0.1 µF, 250 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1053)
• “Fuente de alimentación CA de bajo voltaje” como se muestra en el capítulo Experimentos de CA
• Un interruptor de palanca, SPST (“Monopolo, Single-Throw”)
• Radio, reproductor de cinta, teclado musical u otras fuentes de señal de voltaje de audio

¿Dónde se puede obtener un tubo 12AX7, usted pregunta? Estos tubos son muy populares para su uso en las etapas de “preamplificador” de muchos amplificadores profesionales de guitarra eléctrica. Acude a cualquier buena tienda de música y los encontrarás disponibles por un precio modesto ($12 US o menos). Un fabricante ruso llamado Sovtek hace que estos tubos sean nuevos, por lo que no necesita confiar en los componentes “New-Old Stock” (NOS) sobrantes de fabricantes estadounidenses desaparecidos. Este modelo de tubo fue muy popular en su día y se puede encontrar en viejos equipos de prueba electrónicos “tubed” (osciloscopios, osciladores) si por casualidad tiene acceso a dicho equipo. Sin embargo, sugiero encarecidamente comprar un tubo nuevo en lugar de arriesgarse con tubos rescatados de equipos antiguos.

Es importante seleccionar un condensador electrolítico con suficiente voltaje de trabajo (WVDC) para soportar la salida del circuito de fuente de alimentación de este amplificador (aproximadamente 170 voltios). Recomiendo encarecidamente elegir un condensador con una clasificación de voltaje muy superior al voltaje de funcionamiento esperado, para manejar sobretensiones inesperadas o cualquier otro evento que pueda gravar el condensador. Compré el surtido de condensadores electrolíticos Radio Shack (catálogo # 272-802), y resultó que contenía dos capacitores de 47 µF, 250 WVDC. Si no eres tan afortunado, puedes construir este circuito usando cinco capacitores, cada uno nominal a 50 WVDC, para sustituir por una unidad de 250 WVDC:

Tenga en cuenta que la capacitancia total para esta red de cinco condensadores será 1/5, o 20%, del valor de cada condensador. Además, para garantizar una carga uniforme de los condensadores en la red, asegúrese de que todos los valores de los condensadores (en µF) y todos los valores de resistencia sean idénticos.

Una bobina de encendido automotriz es un transformador de alto voltaje de propósito especial utilizado en motores de automóviles para producir decenas de miles de voltios para “disparar” las bujías. En este experimento, se usa (muy poco convencional, ¡podría agregar!) como un transformador de adaptación de impedancia entre el tubo de vacío y un altavoz de audio de 8 Ω. La elección específica de “bobina” no es crítica, siempre y cuando esté en buenas condiciones de funcionamiento. Aquí hay una fotografía de la bobina que utilicé para este experimento:

El altavoz de audio no necesita ser extravagante. He usado altavoces pequeños de “estantería”, altavoces automotrices (6"x9"), así como un altavoz estéreo grande (100 vatios) de 3 vías para este experimento, y todos funcionan bien. No utilice un juego de auriculares bajo ninguna circunstancia, ya que la bobina de encendido no proporciona aislamiento eléctrico entre los 170 voltios CC de la fuente de alimentación “placa” y el altavoz, elevando así las conexiones del altavoz a ese voltaje con respecto a tierra. Ya que obviamente colocarle cables en la cabeza con alto voltaje a tierra sería muy peligroso, ¡por favor no use auriculares!

Necesitará alguna fuente de CA de audiofrecuencia como señal de entrada a este circuito amplificador. Te recomiendo un pequeño teclado musical o radio alimentado por batería, con un cable apropiado enchufado a la toma de “auriculares” o “salida de audio” para transmitir la señal a tu amplificador.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, capítulo 13: “Tubos Electricos”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 9: “Transformadores”

Objetivos de aprendizaje

• Uso de un tubo de vacío (triodo) como amplificador de audio
• Uso de transformadores tanto en funcionamiento reductor como elevador
• Cómo construir una fuente de alimentación de CC de alto voltaje
• Uso de un transformador para igualar impedancias

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

¡Bienvenido al mundo de la electrónica de tubos de vacío! Si bien no es exactamente una aplicación de la tecnología de semiconductores (exceptuado el rectificador de fuente de alimentación), este circuito se utiliza como una introducción a la tecnología de tubos de vacío y una aplicación interesante para transformadores de adaptación de impedancia. ¡Cabe señalar que construir y operar este circuito implica trabajar con voltajes letales! Debes exhibir el máximo cuidado mientras trabajas con este circuito, ya que 170 voltios CC es capaz de electrocutarte! Se recomienda que los principiantes busquen asistencia calificada (electricistas experimentados, técnicos en electrónica o ingenieros) si intentan construir este amplificador.

ADVERTENCIA: ¡no toque ningún cable o terminal mientras el circuito amplificador esté energizado! Si debe hacer contacto con el circuito en algún punto, apague el interruptor de la fuente de alimentación “placa” y espere a que el condensador del filtro se descargue por debajo de los 30 voltios antes de tocar cualquier parte del circuito. Si prueba los voltajes del circuito con la alimentación encendida, use solo una mano si es posible para evitar la posibilidad de una descarga eléctrica de brazo a brazo.

Construcción de la fuente de alimentación de alto voltaje Los tubos de vacío requieren un voltaje de CC bastante alto aplicado entre los terminales de placa y cátodo para funcionar de manera eficiente. Si bien es posible operar el circuito amplificador descrito en este experimento en tan solo 24 voltios CC, la potencia de salida será minúscula y la calidad del sonido pobre. El triodo 12AX7 está clasificado en un “voltaje de placa” máximo (voltaje aplicado entre los terminales de placa y cátodo) de 330 voltios, por lo que nuestra fuente de alimentación de 170 voltios CC especificada aquí está dentro de ese límite máximo. He operado este amplificador en tan alto como 235 voltios CC y descubrí que tanto la calidad del sonido como la intensidad mejoraron ligeramente, pero no lo suficiente en mi estimación para garantizar el peligro adicional para los experimentadores.

La fuente de alimentación en realidad tiene dos salidas de potencia diferentes: la salida de CC “B+” para la alimentación de placa, y la potencia de “filamento”, que es de solo 12 voltios de CA. Los tubos requieren energía aplicada a un filamento pequeño (a veces llamado calentador) para funcionar, ya que el cátodo debe estar lo suficientemente caliente para emitir electrones térmicamente, ¡y eso no sucede a temperatura ambiente! El uso de un transformador de potencia para escalonar la alimentación doméstica de 120 voltios de CA a 12 voltios de CA proporciona bajo voltaje para los filamentos, y otro transformador conectado de manera escalonada devuelve el voltaje a 120 voltios. Quizás se esté preguntando, “¿por qué retroceder el voltaje hasta 120 voltios con otro transformador? ¿Por qué no simplemente desconectar el enchufe de pared para obtener alimentación de CA de 120 voltios directamente, y luego rectificar eso en 170 voltios CC?” La respuesta a esto es doble: primero, el funcionamiento de la energía a través de dos transformadores limita inherentemente la cantidad de corriente que puede enviarse a un cortocircuito accidental en el lado de la placa del circuito amplificador. Segundo, aísla eléctricamente el circuito de placa del sistema de cableado de su casa. Si tuviéramos que rectificar la alimentación de toma de pared con un puente de diodos, haría que ambos terminales de CC (+ y -) se elevaran en voltaje desde la conexión a tierra de seguridad del sistema eléctrico de su casa, lo que aumentaría el riesgo de choque.

Tenga en cuenta el interruptor de palanca conectado entre los devanados de 12 voltios de los dos transformadores, etiquetado como “Interruptor de suministro de placa”. Este interruptor controla la alimentación al transformador elevador, controlando así el voltaje de la placa al circuito amplificador. ¿Por qué no usar el interruptor de alimentación principal conectado al enchufe de 120 voltios? ¿Por qué tiene un segundo interruptor para apagar el alto voltaje de CC, cuando apagar un interruptor principal lograría lo mismo? La respuesta radica en el correcto funcionamiento del tubo de vacío: como las bombillas incandescentes, los tubos de vacío se “desgastan” cuando sus filamentos se encienden hacia arriba y hacia abajo repetidamente, por lo que tener este interruptor adicional en el circuito permite apagar el alto voltaje de CC (por seguridad al modificar o ajustar el circuito) sin tener que apagar el filamento. Además, es un buen hábito esperar a que el tubo alcance la temperatura de funcionamiento completa antes de aplicar voltaje de placa, y este segundo interruptor permite retrasar la aplicación de voltaje de placa hasta que el tubo haya tenido tiempo de alcanzar la temperatura de funcionamiento.

Durante el funcionamiento, debe tener un voltímetro conectado a la salida “B+” de la fuente de alimentación (entre el terminal B+ y tierra), proporcionando continuamente una indicación del voltaje de la fuente de alimentación. Este medidor le mostrará cuando el condensador del filtro se haya descargado por debajo del límite de riesgo de choque (30 voltios) cuando apague el “Interruptor de suministro de placa” para dar servicio al circuito amplificador.

El terminal de “tierra” que se muestra en la salida de CC del circuito de la fuente de alimentación no necesita conectarse a tierra. Más bien, es simplemente un símbolo que muestra una conexión común con un símbolo de terminal de tierra correspondiente en el circuito amplificador. En el circuito que construyas, habrá un trozo de cable que conectará estos dos puntos de “tierra” juntos. Como siempre, la designación de ciertos puntos comunes en un circuito por medio de un símbolo compartido es una práctica estándar en los esquemas electrónicos.

Notará que el diagrama esquemático muestra una resistencia de 100 kΩ en paralelo con el condensador del filtro. Esta resistencia es bastante necesaria, ya que proporciona al condensador una ruta para la descarga cuando se apaga la alimentación de CA. Sin esta resistencia de “purga” en el circuito, es probable que el condensador retenga una carga peligrosa durante mucho tiempo después del “apagado”, lo que representa un peligro de choque adicional para usted. En el circuito que construí, con un condensador de 47 µF y una resistencia de sangrado de 100 kΩ, la constante de tiempo de este circuito RC fue de unos breves 4.7 segundos. Si encuentra un valor de condensador de filtro más grande (bueno para minimizar el “zumbido” de la fuente de alimentación no deseada en el altavoz), necesitará usar un valor correspondientemente menor de resistencia de purga, o esperar más tiempo a que el voltaje se apague cada vez que apague el interruptor “Suministro de placa”.

Asegúrese de tener la fuente de alimentación construida de manera segura y funcionando de manera confiable antes de intentar alimentar el circuito amplificador con ella. Esta es una buena práctica de construcción de circuitos en general: construya y solucione primero la fuente de alimentación, luego construya el circuito que pretende alimentar con ella. Si la fuente de alimentación no funciona como debería, entonces tampoco lo hará el circuito alimentado, sin importar lo bien que pueda diseñarse y construirse.

Construcción del amplificador Uno de los problemas con la construcción de circuitos de tubo de vacío en el siglo XXI es que los enchufes para estos componentes pueden ser difíciles de encontrar. Dada la limitada vida útil de la mayoría de los tubos “receptores” (algunos años), la mayoría de los dispositivos electrónicos “tubulares” utilizaban enchufes para montar los tubos, de modo que pudieran ser fácilmente retirados y reemplazados. Aunque todavía se pueden obtener tubos (de tiendas de suministros de música) con relativa facilidad, los enchufes a los que se conectan son considerablemente más escasos: ¡tu Radio Shack local no los tendrá en stock! ¿Cómo, entonces, construimos circuitos con tubos, si es posible que no podamos obtener enchufes para que se conecten?

Para tubos pequeños, este problema puede ser evitado soldando directamente longitudes cortas de alambre de cobre sólido de calibre 22 a los pines del tubo, lo que le permite “enchufar” el tubo en una placa de prueba sin soldadura. Aquí hay una fotografía de mi amplificador de tubo, mostrando el 12AX7 en una posición invertida (pin-side-up). Por favor, no tenga en cuenta el gráfico de barras LED de 10 segmentos a la izquierda y el conjunto del interruptor DIP de 8 posiciones a la derecha en la fotografía, ya que estos son componentes sobrantes de un experimento de circuito digital ensamblado previamente en mi placa de pruebas.

Un beneficio de montar el tubo en esta posición es la facilidad de identificación del pasador, ya que la mayoría de los “diagramas de conexión de pines” para tubos se muestran desde una vista inferior:

Notará en el esquema del amplificador que se están utilizando ambos elementos triodo dentro de la envoltura de vidrio del 12AX7, en paralelo: placa conectada a placa, conectada a rejilla y cátodo conectado al cátodo. Esto se hace para maximizar la salida de potencia del tubo, pero no es necesario para demostrar el funcionamiento básico. Puedes usar solo uno de los triodos, por simplicidad, si lo deseas.

El condensador de 0.1 µF que se muestra en el esquema “acopla” la fuente de señal de audio (radio, teclado musical, etc.) a la (s) rejilla (s) del tubo, permitiendo que pase la CA pero bloqueando la CC. La resistencia de 100 kΩ asegura que el voltaje promedio de CC entre la rejilla y el cátodo sea cero, y no pueda “flotar” a algún nivel alto. Por lo general, los circuitos de polarización se utilizan para mantener la red ligeramente negativa con respecto a tierra, pero para este propósito, un circuito de polarización introduciría más complejidad que su valor.

Cuando probé mi circuito amplificador, utilicé la salida de un receptor de radio, y posteriormente la salida de un reproductor de disco compacto (CD), como fuente de señal de audio. Usando un cable de extensión del conector “mono” -to- “phono” enchufado a la toma de auriculares del receptor/reproductor de CD, y cables de puente de clip de cocodrilo que conectan la punta “mono” del cable a los terminales de entrada del amplificador de tubo, pude enviar fácilmente las señales de audio del amplificador de amplitud variable para probar su rendimiento en una amplia gama de condiciones:

Un transformador es esencial en la salida del circuito amplificador para “hacer coincidir” las impedancias del tubo de vacío y el altavoz. Dado que el tubo de vacío es un dispositivo de alto voltaje y baja corriente, y la mayoría de los altavoces son dispositivos de baja tensión y alta corriente, la falta de coincidencia entre ellos daría como resultado una salida de baja potencia de audio muy baja si estuvieran conectados directamente. Para hacer coincidir con éxito la fuente de alta tensión y baja corriente con la carga de baja tensión y alta corriente, debemos usar un transformador reductor.

Dado que la resistencia Thevenin del circuito del tubo de vacío varía en las decenas de miles de ohmios, y el altavoz solo tiene una impedancia de aproximadamente 8 ohmios, necesitaremos un transformador con una relación de impedancia de aproximadamente 10. 000:1. Dado que la relación de impedancia de un transformador es el cuadrado de su relación de vueltas (o relación de voltaje), estamos buscando un transformador con una relación de vueltas de aproximadamente 100:1. Una bobina de encendido automotriz típica tiene aproximadamente esta relación de vueltas, y también está clasificada para un voltaje extremadamente alto en el devanado de alto voltaje, lo que la hace muy adecuada para esta aplicación.

El único aspecto malo del uso de una bobina de encendido es que no proporciona aislamiento eléctrico entre devanados primarios y secundarios, ya que el dispositivo es en realidad un autotransformador, con cada devanado compartiendo un terminal común en un extremo. Esto significa que los cables del altavoz estarán a un alto voltaje de CC con respecto a la tierra del circuito. Siempre y cuando sepamos esto, y evitemos tocar esos cables durante la operación, no habrá ningún problema. Idealmente, sin embargo, el transformador proporcionaría un aislamiento completo, así como una adaptación de impedancia, y los cables del altavoz serían perfectamente seguros de tocar durante el uso.

Recuerda, ¡haz todas las conexiones en el circuito con la alimentación apagada! Después de verificar las conexiones visualmente y con un ohmímetro para asegurar que el circuito está construido según el diagrama esquemático, aplique energía a los filamentos del tubo y espere unos 30 segundos a que alcance la temperatura de funcionamiento. Ambos filamentos deben emitir un resplandor suave, naranja, visible tanto desde la vista superior como desde abajo del tubo.

Gire al mínimo el control de volumen de su fuente de señal de radio/reproductor de CD/teclado musical, luego encienda el interruptor de suministro de placa. El voltímetro que haya conectado entre el terminal de salida B+ de la fuente de alimentación y la “tierra” debe registrar el voltaje completo (aproximadamente 170 voltios). Ahora, aumente el control de volumen en la fuente de señal y escuche el altavoz. Si todo está bien, deberías escuchar los sonidos correctos claramente a través del altavoz.

La solución de problemas de este circuito se realiza mejor con el detector de audio sensible descrito en los capítulos de CC y CA de este volumen de Experimentos. Conecte un condensador de 0.1 µF en serie con cada cable de prueba para bloquear CC del detector, luego conecte uno de los cables de prueba a tierra, mientras usa el otro cable de prueba para verificar la señal de audio en varios puntos del circuito. Use capacitores con una clasificación de alto voltaje, como el que se usa en la entrada del circuito amplificador:

El uso de dos capacitores de acoplamiento en lugar de solo uno agrega un grado adicional de seguridad, al ayudar a aislar la unidad de cualquier voltaje de CC (alto). Sin embargo, incluso sin el condensador adicional, el transformador interno del detector debería proporcionar suficiente aislamiento eléctrico para su seguridad al usarlo para probar señales en un circuito de alto voltaje como este, especialmente si construyó su detector usando un transformador de potencia de 120 voltios (en lugar de una “salida de audio” transformador) como se sugiere. Úselo para probar una buena señal en la entrada, luego en el pin (s) de rejilla del tubo, luego en la placa del tubo, etc. hasta que se encuentre el problema. Al estar acoplado capacitivamente, el detector también puede probar la fuente de alimentación excesiva “zumbido”: toque el cable de prueba libre al terminal B+ de la fuente y escuche un fuerte zumbido de 60 Hz. El ruido debe ser muy suave, no fuerte. Si es ruidoso, la fuente de alimentación no se filtra lo suficiente y puede necesitar capacitancia de filtro adicional.

Después de probar un punto en el circuito amplificador con gran voltaje de CC a tierra, los condensadores de acoplamiento en el detector pueden acumular voltaje sustancial. Para descargar este voltaje, brevemente, toque el cable de prueba libre al cable de prueba conectado a tierra. Se debe escuchar un sonido “pop” en los auriculares a medida que se descargan los condensadores de acoplamiento.

Si prefiere usar un voltímetro para probar la presencia de señal de audio, puede hacerlo, configurándolo en un rango de voltaje de CA sensible. La indicación que obtienes de un voltímetro, sin embargo, no te dice nada sobre la calidad de la señal, solo su mera presencia. Tenga en cuenta que la mayoría de los voltímetros de CA registrarán un voltaje transitorio cuando se conectan inicialmente a través de una fuente de voltaje de CC, así que no se sorprenda al ver un “pico” (una indicación de voltaje fuerte y momentáneo) en el mismo momento en que se hace contacto con las sondas del medidor con el circuito, disminuyendo rápidamente a la verdadera Valor de la señal de CA.

Puede que te sorprenda gratamente la calidad y profundidad de tono de este pequeño circuito amplificador, especialmente dada su baja potencia de salida: menos de 1 vatio de potencia de audio. Por supuesto, el circuito es bastante crudo y sacrifica la calidad por simplicidad y disponibilidad de piezas, pero sirve para demostrar el principio básico de la amplificación del tubo de vacío. Los aficionados y estudiantes avanzados pueden desear experimentar con redes de polarización, retroalimentación negativa, diferentes transformadores de salida, diferentes voltajes de fuente de alimentación e incluso diferentes tubos, para obtener más potencia y/o mejor calidad de sonido.

Aquí una foto de un circuito amplificador muy similar, construido por el equipo de marido y mujer de Terry y Cheryl Goetz, ilustrando lo que se puede hacer cuando se aplica el cuidado y la artesanía a un proyecto como este.