Amplificateur audio à tube à vide

PIÈCES ET MATÉRIAUX

• Un tube à vide double triode 12AX7
• Deux transformateurs de puissance, abaisseur de 120 VCA à 12 VCA (catalogue Radio Shack n° 273-1365, 273-1352 ou 273-1511).
• Module pont redresseur (catalogue Radio Shack n° 276-1173)
• Condensateur électrolytique, d'au moins 47  µF, avec une tension de fonctionnement d'au moins 200 volts CC.
• Bobine d'allumage automobile
• Haut-parleur audio, impédance 8 
• Deux résistances de 100 kΩ
• Un condensateur 0,1 µF, 250 WVDC (catalogue Radio Shack n° 272-1053)
• « Alimentation CA basse tension » comme indiqué dans le chapitre Expériences CA
• Un interrupteur à bascule, SPST ("Single-Pole, Single-Throw")
• Radio, lecteur de cassettes, clavier musical ou autres sources de signal de tension audio

Où pouvez-vous obtenir un tube 12AX7, demandez-vous ? Ces tubes sont très populaires pour une utilisation dans les étages de « préamplificateur » de nombreux amplificateurs de guitare électrique professionnels.

Allez dans n'importe quel bon magasin de musique et vous les trouverez disponibles pour un prix modique (12 $ US ou moins). Un fabricant russe nommé Sovtek fabrique ces tubes neufs, vous n'avez donc pas besoin de vous fier aux composants "New-Old-Stock" (NOS) laissés par les anciens fabricants américains.

Ce modèle de tube était très populaire à son époque et peut se retrouver dans les anciens équipements de test électroniques « tubulaires » (oscilloscopes, oscillateurs) s'il vous arrive d'avoir accès à un tel équipement. Cependant, je suggère fortement d'acheter un tube neuf plutôt que de prendre des risques avec des tubes récupérés dans des équipements anciens.

Il est important de sélectionner un condensateur électrolytique avec une tension de fonctionnement suffisante (WVDC) pour supporter la sortie du circuit d'alimentation de cet amplificateur (environ 170 volts). Je recommande fortement de choisir un condensateur avec une tension nominale bien supérieure à la tension de fonctionnement attendue, afin de gérer les surtensions inattendues ou tout autre événement susceptible de taxer le condensateur.

J'ai acheté l'assortiment de condensateurs électrolytiques Radio Shack (numéro de catalogue 272-802), et il se trouvait qu'il contenait deux condensateurs de 47 µF, 250 WVDC. Si vous n'êtes pas aussi chanceux, vous pouvez construire ce circuit en utilisant cinq condensateurs, chacun évalué à 50 WVDC, pour remplacer une unité de 250 WVDC :

Gardez à l'esprit que la capacité totale de ce réseau à cinq condensateurs sera de 1/5, ou 20%, de la valeur de chaque condensateur. De plus, pour assurer une charge uniforme des condensateurs dans le réseau, assurez-vous que toutes les valeurs de condensateur (en µF) et toutes les valeurs de résistance sont identiques.

Une bobine d'allumage automobile est un transformateur haute tension spécial utilisé dans les moteurs de voiture pour produire des dizaines de milliers de volts pour « allumer » les bougies d'allumage. Dans cette expérience, il est utilisé (de manière très inhabituelle, pourrais-je ajouter !) comme transformateur d'adaptation d'impédance entre le tube à vide et un haut-parleur audio de 8 .

Le choix précis de la « bobine » n'est pas critique, tant qu'elle est en bon état de fonctionnement. Voici une photo de la bobine que j'ai utilisée pour cette expérience :

Le haut-parleur audio n'a pas besoin d'être extravagant. J'ai utilisé de petits haut-parleurs "d'étagère", des haut-parleurs automobiles (6"x9"), ainsi qu'un grand haut-parleur stéréo à 3 voies (100 watts) pour cette expérience, et ils fonctionnent tous très bien.

N'utilisez pas de casque audio en aucun cas, car la bobine d'allumage n'assure pas d'isolation électrique entre les 170 volts CC de l'alimentation « plaque » et le haut-parleur, élevant ainsi les connexions du haut-parleur à cette tension par rapport à la masse. Étant donné qu'évidemment, placer des fils sur votre tête avec une haute tension à la terre serait très dangereux , veuillez ne pas utiliser d'écouteurs !

Vous aurez besoin d'une source d'audiofréquence AC comme signal d'entrée pour ce circuit amplificateur. Je recommande une petite radio ou un clavier musical à piles, avec un câble approprié branché sur la prise « casque » ou « sortie audio » pour transmettre le signal à votre amplificateur.

REFERENCES CROISEES

Leçons En Circuits Électriques , Volume 3, chapitre 13 :« Tubes électroniques »

Leçons En Circuits Électriques , Tome 3, chapitre 3 :« Diodes et redresseurs »

Leçons En Circuits Électriques , Tome 2, chapitre 9 :« Transformateurs »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Utiliser un tube à vide (triode) comme amplificateur audio
• Utilisation de transformateurs dans les opérations abaisseur et élévateur
• Comment construire une alimentation CC haute tension
• Utiliser un transformateur pour adapter les impédances

SCHÉMA SCHÉMA

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Bienvenue dans le monde de l'électronique des tubes à vide ! Bien qu'il ne s'agisse pas exactement d'une application de la technologie des semi-conducteurs (à l'exception du redresseur d'alimentation), ce circuit est utilisé comme introduction à la technologie des tubes à vide et une application intéressante pour les transformateurs d'adaptation d'impédance. Il convient de noter que la construction et l'exploitation de ce circuit impliquent un travail avec des tensions mortelles !

Vous devez faire preuve du plus grand soin lorsque vous travaillez avec ce circuit, car le 170 volts CC est capable de vous électrocuter !! Il est recommandé aux débutants de rechercher une assistance qualifiée (électriciens expérimentés, techniciens en électronique ou ingénieurs) s'ils tentent de construire cet amplificateur.

AVERTISSEMENT :ne touchez aucun fil ni aucune borne lorsque le circuit de l'amplificateur est sous tension ! Si vous devez entrer en contact avec le circuit à tout moment, éteignez l'interrupteur d'alimentation « plaque » et attendez que le condensateur du filtre se décharge en dessous de 30 volts avant de toucher une partie du circuit. Si vous testez les tensions du circuit avec l'appareil sous tension, utilisez une seule main si possible pour éviter la possibilité d'un choc électrique bras-à-bras.

Construire l'alimentation haute tension : Les tubes à vide nécessitent une tension continue assez élevée appliquée entre les bornes de la plaque et de la cathode pour fonctionner efficacement. Bien qu'il soit possible de faire fonctionner le circuit amplificateur décrit dans cette expérience sur aussi bas que 24 volts CC, la puissance de sortie sera minuscule et la qualité sonore médiocre.

La triode 12AX7 est évaluée à une «tension de plaque» maximale (tension appliquée entre les bornes de la plaque et de la cathode) de 330 volts, de sorte que notre alimentation de 170 volts CC spécifiée ici est bien dans cette limite maximale. J'ai fait fonctionner cet amplificateur jusqu'à 235 volts CC et j'ai découvert que la qualité et l'intensité du son s'amélioraient légèrement , mais pas assez à mon avis pour justifier le risque supplémentaire pour les expérimentateurs.

L'alimentation a en fait deux sorties de puissance différentes :la sortie CC « B+ » pour l'alimentation de la plaque et la puissance « filament », qui n'est que de 12 volts CA. Les tubes nécessitent une puissance appliquée à un petit filament (parfois appelé chauffage ) pour fonctionner, car la cathode doit être suffisamment chaude pour émettre thermiquement des électrons, et cela ne se produit pas à température ambiante !

L'utilisation d'un transformateur de puissance pour réduire l'alimentation domestique de 120 volts CA à 12 volts CA fournit une basse tension pour les filaments, et un autre transformateur connecté de manière progressive ramène la tension à 120 volts. Vous vous demandez peut-être « pourquoi remonter la tension à 120 volts avec un autre transformateur ? Pourquoi ne pas simplement débrancher la prise murale pour obtenir une alimentation secteur de 120 volts directement , puis rectifier cela en 170 volts CC ?"

La réponse à cette question est double :tout d'abord, faire passer l'alimentation par deux transformateurs limite intrinsèquement la quantité de courant qui peut être envoyée dans un court-circuit accidentel sur le côté plaque du circuit amplificateur. Deuxièmement, il isole électriquement le circuit de la plaque du système de câblage de votre maison. Si nous devions rectifier l'alimentation de la prise murale avec un pont de diodes, cela augmenterait la tension des deux bornes CC (+ et -) à partir de la connexion à la terre de sécurité du système électrique de votre maison, augmentant ainsi le risque d'électrocution.

Notez l'interrupteur à bascule connecté entre les enroulements de 12 volts des deux transformateurs, étiqueté « Interrupteur d'alimentation de plaque ». Ce commutateur contrôle l'alimentation du transformateur élévateur, contrôlant ainsi la tension de la plaque vers le circuit amplificateur. Pourquoi ne pas simplement utiliser l'interrupteur principal connecté à la prise 120 volts ? Pourquoi un deuxième interrupteur pour couper la haute tension CC, alors que fermer un interrupteur principal accomplirait la même chose ?

La réponse réside dans le bon fonctionnement du tube à vide : comme les ampoules à incandescence, les tubes à vide « s'usent » lorsque leurs filaments sont alimentés de haut en bas à plusieurs reprises, donc avoir cet interrupteur supplémentaire dans le circuit vous permet de couper la haute tension CC (pour la sécurité lors de la modification ou du réglage du circuit) sans avoir à couper le filament. C'est aussi une bonne habitude d'attendre que le tube atteigne sa pleine température de fonctionnement avant l'application de la tension de la plaque, et ce deuxième interrupteur vous permet de retarder l'application de la tension de la plaque jusqu'à ce que le tube ait eu le temps d'atteindre la température de fonctionnement.

Pendant le fonctionnement, vous devez avoir un voltmètre connecté au « B+ ” sortie de l'alimentation (entre le B+ borne et terre), fournissant en permanence une indication de la tension d'alimentation. Ce compteur vous montrera quand le condensateur du filtre s'est déchargé en dessous de la limite de risque de choc (30 volts) lorsque vous éteignez le « interrupteur d'alimentation de la plaque » pour entretenir le circuit de l'amplificateur.

La borne « terre » indiquée sur la sortie CC du circuit d'alimentation n'a pas besoin d'être connectée à la terre. Au contraire, il s'agit simplement d'un symbole montrant une connexion commune avec un symbole de borne de masse correspondant dans le circuit amplificateur. Dans le circuit que vous construisez, il y aura un morceau de fil reliant ces deux points de «terre» ensemble. Comme toujours, la désignation de certains points communs dans un circuit au moyen d'un symbole partagé est une pratique courante dans les schémas électroniques.

Vous remarquerez que le schéma de principe montre une résistance de 100 kΩ en parallèle avec le condensateur de filtrage. Cette résistance est tout à fait nécessaire, car elle fournit au condensateur un chemin de décharge lorsque l'alimentation CA est coupée. Sans cette résistance de « purge » dans le circuit, le condensateur conserverait probablement une charge dangereuse pendant une longue période après la « mise hors tension », ce qui vous présenterait un risque d'électrocution supplémentaire.

Dans le circuit que j'ai construit, avec un condensateur de 47 µF et une résistance de purge de 100 kΩ, la constante de temps de ce circuit RC était de 4,7 secondes. S'il vous arrive de trouver une valeur de condensateur de filtrage plus élevée (idéale pour minimiser le « bourdonnement » indésirable de l'alimentation dans le haut-parleur), vous devrez utiliser une valeur proportionnellement plus petite de résistance de purge, ou attendre plus longtemps que la tension s'éteigne à chaque fois que vous éteignez l'interrupteur « Approvisionnement en plaques ».

Assurez-vous que l'alimentation est construite en toute sécurité et fonctionne de manière fiable avant d'essayer d'alimenter le circuit de l'amplificateur avec. C'est une bonne pratique de construction de circuits en général :construisez et dépannez d'abord l'alimentation, puis construisez le circuit que vous avez l'intention d'alimenter avec. Si l'alimentation ne fonctionne pas comme elle le devrait, le circuit alimenté non plus, quelle que soit la qualité de sa conception et de sa construction.

Construire l'amplificateur : L'un des problèmes avec la construction de circuits de tubes à vide au 21e siècle est que les prises pour ces composants peut être difficile à trouver. Compte tenu de la durée de vie limitée de la plupart des tubes « récepteurs » (quelques années), la plupart des appareils électroniques « à tubes » utilisaient des douilles pour le montage des tubes, afin qu'ils puissent être facilement retirés et remplacés.

Bien que les tubes puissent toujours être obtenus (dans les magasins de fournitures musicales) avec une relative facilité, les prises sur lesquelles ils se branchent sont considérablement plus rares - votre Radio Shack local ne les aura pas en stock ! Comment, alors, construisons-nous des circuits avec des tubes, si nous ne pouvons pas obtenir des prises pour les brancher ?

Pour les petits tubes, ce problème peut être contourné en soudant directement de courtes longueurs de fil de cuivre solide de calibre 22 aux broches du tube, vous permettant ainsi de « brancher » le tube dans une planche à pain sans soudure. Voici une photographie de mon amplificateur à lampes, montrant le 12AX7 en position inversée (broches vers le haut).

Veuillez ne pas tenir compte du graphique à barres LED à 10 segments à gauche et de l'ensemble de commutateurs DIP à 8 positions à droite sur la photo, car ce sont des composants restants d'une expérience de circuit numérique assemblé précédemment sur ma planche à pain.

L'un des avantages du montage du tube dans cette position est la facilité d'identification des broches, car la plupart des « schémas de connexion des broches » pour les tubes sont affichés depuis une vue de dessous :

Vous remarquerez sur le schéma de l'amplificateur que les deux éléments triodes à l'intérieur de l'enveloppe de verre du 12AX7 sont utilisés, en parallèle :plaque connectée à plaque, grille connectée à grille et cathode connectée à cathode. Ceci est fait pour maximiser la puissance de sortie du tube, mais ce n'est pas nécessaire pour démontrer le fonctionnement de base. Vous pouvez utiliser une seule des triodes, pour plus de simplicité, si vous le souhaitez.

Le condensateur de 0,1 µF illustré sur le schéma « couple » la source du signal audio (radio, clavier musical, etc.) à la ou aux grilles du tube, permettant le passage du courant alternatif mais bloquant le courant continu. La résistance de 100 kΩ garantit que la tension continue moyenne entre la grille et la cathode est nulle et ne peut pas « flotter » à un niveau élevé. En règle générale, les circuits de polarisation sont utilisés pour maintenir la grille légèrement négative par rapport à la terre, mais à cette fin, un circuit de polarisation introduirait plus de complexité que sa valeur.

Lorsque j'ai testé mon circuit amplificateur, j'ai utilisé la sortie d'un récepteur radio, et plus tard la sortie d'un lecteur de disque compact (CD), comme source de signal audio. À l'aide d'une rallonge de connecteur « mono » à « phono » branchée sur la prise casque du récepteur/lecteur de CD et de câbles de cavalier à pince crocodile reliant la pointe « mono » du cordon aux bornes d'entrée de l'amplificateur à tube, j'ai a pu facilement envoyer à l'amplificateur des signaux audio d'amplitude variable pour tester ses performances dans un large éventail de conditions :

Un transformateur est indispensable à la sortie du circuit amplificateur pour « faire correspondre » les impédances du tube à vide et du haut-parleur. Étant donné que le tube à vide est un appareil à haute tension et à faible courant et que la plupart des haut-parleurs sont des appareils à basse tension et à courant élevé, la non-concordance entre eux entraînerait une sortie de puissance audio très faible s'ils étaient directement connectés.

Pour faire correspondre avec succès la source haute tension à faible courant à la charge basse tension et à courant élevé, nous devons utiliser un transformateur abaisseur. Étant donné que la résistance Thevenin du circuit du tube à vide se situe dans les dizaines de milliers d'ohms et que le haut-parleur n'a qu'une impédance d'environ 8 ohms, nous aurons besoin d'un transformateur avec un rapport d'impédance d'environ 10 000:1.

Puisque le rapport d'impédance d'un transformateur est le carré de son rapport de tours (ou rapport de tension), nous recherchons un transformateur avec un rapport de tours d'environ 100:1. Une bobine d'allumage automobile typique a approximativement ce rapport de tours, et elle est également conçue pour une tension extrêmement élevée sur l'enroulement haute tension, ce qui la rend bien adaptée à cette application.

Le seul inconvénient de l'utilisation d'une bobine d'allumage est qu'elle ne fournit aucune isolation électrique entre les enroulements primaire et secondaire, car le dispositif est en fait un autotransformateur, chaque enroulement partageant une borne commune à une extrémité. Cela signifie que les fils des haut-parleurs seront à une tension continue élevée par rapport à la masse du circuit.

Tant que nous le savons et que nous évitons de toucher ces fils pendant le fonctionnement, il n'y aura pas de problème. Idéalement, cependant, le transformateur fournirait une isolation complète ainsi qu'une adaptation d'impédance, et les fils des haut-parleurs seraient parfaitement sûrs au toucher pendant l'utilisation.

N'oubliez pas d'effectuer toutes les connexions du circuit avec l'alimentation coupée ! Après avoir vérifié les connexions visuellement et avec un ohmmètre pour s'assurer que le circuit est construit selon le schéma de principe, mettez sous tension les filaments du tube et attendez environ 30 secondes pour qu'il atteigne la température de fonctionnement.

Les deux filaments doivent émettre une douce lueur orange, visible à la fois depuis les vues supérieure et inférieure du tube. Réglez le contrôle du volume de votre source de signal radio/lecteur CD/clavier musical au minimum, puis allumez l'interrupteur d'alimentation de la plaque.

Le voltmètre que vous avez connecté entre la borne de sortie B+ de l'alimentation et la « masse » doit enregistrer la pleine tension (environ 170 volts). Maintenant, augmentez le contrôle du volume sur la source du signal et écoutez le haut-parleur. Si tout va bien, vous devriez entendre clairement les bons sons dans le haut-parleur.

Dépannage de ce circuit : Le mieux est de le faire avec le détecteur audio sensible décrit dans les chapitres DC et AC de ce volume Experiments.

Connectez un condensateur de 0,1 µF en série avec chaque cordon de test pour bloquer le courant continu du détecteur, puis connectez l'un des cordons de test à la terre, tout en utilisant l'autre cordon de test pour vérifier le signal audio à divers points du circuit. Utilisez des condensateurs à haute tension, comme celui utilisé sur l'entrée du circuit amplificateur :

L'utilisation de deux condensateurs de couplage au lieu d'un seul ajoute un degré de sécurité supplémentaire, en aidant à isoler l'unité de toute tension continue (élevée). Même sans le condensateur supplémentaire, cependant, le transformateur interne du détecteur devrait fournir une isolation électrique suffisante pour votre sécurité en l'utilisant pour tester les signaux dans un circuit haute tension comme celui-ci, surtout si vous avez construit votre détecteur à l'aide d'un transformateur de 120 volts ( plutôt qu'un transformateur de « sortie audio ») comme suggéré.

Utilisez-le pour tester un bon signal à l'entrée, puis à la ou aux broches de la grille du tube, puis à la plaque du tube, etc. jusqu'à ce que le problème soit trouvé. Étant couplé de manière capacitive, le détecteur est également capable de tester un « bourdonnement » excessif de l'alimentation :touchez le cordon de test libre à la borne B+ de l'alimentation et écoutez un fort bourdonnement de 60 Hz.

Le bruit doit être très doux, pas fort. S'il est bruyant, l'alimentation n'est pas suffisamment filtrée et peut nécessiter une capacité de filtrage supplémentaire. Après avoir testé un point du circuit amplificateur avec une tension continue élevée à la terre, les condensateurs de couplage du détecteur peuvent générer une tension substantielle.

Pour décharger cette tension, touchez brièvement le fil de test libre au fil de test mis à la terre. Un son « pop » doit être entendu dans le casque lorsque les condensateurs de couplage se déchargent.

Si vous préférez utiliser un voltmètre pour tester la présence d'un signal audio, vous pouvez le faire en le réglant sur une plage de tension alternative sensible. L'indication que vous obtenez d'un voltmètre, cependant, ne vous dit rien sur la qualité du signal, juste sa simple présence.

Gardez à l'esprit que la plupart des voltmètres CA enregistrent une tension transitoire lorsqu'ils sont initialement connectés à une source de tension CC, alors ne soyez pas surpris de voir une « pointe » (une forte indication de tension momentanée) au moment même où le contact est établi avec les sondes du compteur au circuit, diminuant rapidement jusqu'à la vraie valeur du signal CA. Vous serez peut-être agréablement surpris par la qualité et la profondeur du son de ce petit circuit amplificateur, surtout compte tenu de sa faible puissance de sortie :moins de 1 watt de puissance audio.

Bien sûr, le circuit est assez grossier et sacrifie la qualité pour la simplicité et la disponibilité des pièces, mais il sert à démontrer le principe de base de l'amplification par tube à vide. Les amateurs avancés et les étudiants peuvent souhaiter expérimenter avec des réseaux de polarisation, une rétroaction négative, différents transformateurs de sortie, différentes tensions d'alimentation et même différents tubes, pour obtenir plus de puissance et/ou une meilleure qualité sonore.

Voici une photo d'un circuit amplificateur très similaire, construit par l'équipe mari et femme de Terry et Cheryl Goetz, illustrant ce qui peut être fait lorsque le soin et l'artisanat sont appliqués à un projet comme celui-ci.