第19节 真空管音频放大器 (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 一只12AX7双三极真空管
- 两个电源变压器，120VAC 降压至 12VAC（Radio Shack 目录号 273-1365、273-1352 或 273-1511）。
- 桥式整流器模块（Radio Shack 目录 # 276-1173）
- 电解电容，至少 47 µF，工作电压至少为 200 V DC。
- 汽车点火线圈
- 音频扬声器，8 Ω 阻抗
- 两个 100 kΩ 电阻器
- 一个 0.1 µF 电容器，250 WVDC（Radio Shack 目录 # 272-1053）
- “低压交流电源”如交流实验一章所示
- 一个拨动开关，SPST（“单刀单掷”）
- 收音机、磁带播放器、音乐键盘或其他音频电压信号源
你问，在哪里可以买到 12AX7 电子管？这些电子管在许多专业电吉他放大器的“前置放大器”阶段非常流行。
去任何一家好的音乐商店，您都会发现它们的价格适中（12 美元或更低）。一家名为 Sovtek 的俄罗斯制造商制造了这些管子，因此您不必依赖已倒闭的美国制造商留下的“新旧库存”(NOS) 组件。
这种管子模型在当时非常流行，如果您碰巧可以使用此类设备，可能会在旧的“管子”电子测试设备（示波器、振荡器）中找到。但是，我强烈建议购买新的管子，而不是冒险使用从古董设备中回收的管子。
选择具有足够工作电压 (WVDC) 的电解电容以承受此放大器电源电路的输出（约 170 伏）非常重要。我强烈建议选择额定电压远远超过预期工作电压的电容器 (opens new window)，以应对意外的电压浪涌或任何其他可能对电容器造成负担的事件。
我购买了 Radio Shack 电解电容器分类（目录号 272-802），它恰好包含两个 47 µF、250 WVDC 电容器。如果您不那么幸运，您可以使用五个电容器构建此电路，每个电容器的额定电压为 50 WVDC，以替代一个 250 WVDC 单元：
请记住，这个五个电容器网络的总电容将是每个电容器值的 1/5 或 20%。此外，为确保网络中的电容器均匀充电，请确保所有电容器值（以 µF 为单位）和所有电阻器值相同。
___汽车点火线圈___是一种特殊用途的高压变压器，用于汽车发动机，产生数万伏的电压来“点燃”火花塞。在这个实验中，它被用作真空管和 8 Ω 音频扬声器之间的阻抗匹配变压器（非常规，我可能会补充！）。 (opens new window)
“线圈”的具体选择并不重要，只要它处于良好的运行状态即可。这是我用于此实验的线圈的照片：
音频扬声器不必是奢侈的。在这个实验中，我使用了小型“书架”扬声器、汽车 (6"x9") 扬声器以及大型（100 瓦）三分频立体声扬声器，它们都可以正常工作。
在任何情况下都不要使用耳机，因为点火线圈不会在“板”电源的 170 伏直流电和扬声器之间提供电气隔离，从而将扬声器连接提升到相对于地的电压。由于显然将高压线放在头上会_非常危险_，因此请不要使用耳机！
您将需要一些音频交流源作为该放大器电路的输入信号。我推荐使用小型电池供电的收音机或音乐键盘，将适当的电缆插入“耳机”或“音频输出”插孔，将信号传送到放大器。
交叉引用
电路课，第 3 卷，第 13 章：“电子管 (opens new window)”
电路课程，第 3 卷，第 3 章：“二极管和整流器 (opens new window)”
电路课，第 2 卷，第 9 章：“变压器 (opens new window)”
学习目标
- 使用真空管（三极管）作为音频放大器
- 在降压和升压操作中使用变压器
- 如何搭建高压直流电源
- 使用变压器匹配阻抗
原理图，示意图
插图
指示
欢迎来到真空管电子世界！虽然不完全是半导体技术的应用（电源整流器除外），但该电路被用作真空管技术的介绍，以及阻抗匹配变压器的有趣应用。应该注意的是，构建和操作该电路涉及使用致命电压！
在使用此电路时，您必须格外小心，因为 170 伏直流电可能会触电您！！如果尝试构建此放大器，建议初学者寻求合格的帮助（经验丰富的电工、电子技术人员或工程师）。
__警告：放大器电路通电时请勿触摸任何电线或端子！__如果您必须在任何时候接触电路，请关闭“极板”电源开关，等待滤波电容放电到 30 伏以下，然后再接触电路的任何部分。如果在通电的情况下测试电路电压，请尽可能只使用一只手，以避免手臂对手臂触电的可能性。
__构建高压电源：__真空管需要在极板和阴极端子之间施加相当高的直流电压才能有效工作。尽管可以在低至 24 伏直流电压下操作本实验中描述的放大器电路，但输出功率很小，音质也很差。
12AX7 三极管的额定最大“极板电压”（施加在极板和阴极端子之间的电压）为 330 伏，因此我们此处指定的 170 伏直流电源完全在该最大值范围内。我在高达 235 伏的直流电压下操作了这个放大器，发现声音质量和强度都_略有_改善，但据我估计，这不足以保证对实验者造成额外的危险。
电源实际上有两种不同的电源输出：板电源的“B+”直流输出，以及只有 12 伏交流电的“灯丝”电源。电子管需要为小灯丝（有时称为_加热器_）供电才能发挥作用，因为阴极必须足够热才能热发射电子，而这在室温下不会发生！
使用一个电源变压器将家用 120 伏交流电降到 12 伏交流电，为灯丝提供低压，另一个以升压方式连接的变压器将电压恢复到 120 伏。您可能想知道，“为什么要使用另一个变压器将电压回升到 120 伏？为什么不直接把墙上的插座插头拔掉，_直接_得到 120 伏交流电，然后整流成 170 伏直流电呢？”
对此的答案是双重的：首先，通过两个变压器运行电源固有地限制了可能发送到放大器电路板侧意外短路的电流量。其次，它将板电路与您房屋的布线系统电气隔离。如果我们要使用二极管电桥对墙上插座电源进行整流，它会使两个直流端子（+ 和 -）的电压从您家电气系统的安全接地连接中升高，从而增加电击危险。
请注意连接在两个变压器的 12 伏绕组之间的拨动开关，标记为“板式电源开关”。该开关控制升压变压器的电源，从而控制放大器电路的板电压。为什么不直接使用连接到 120 伏插头的主电源开关？为什么有第二个开关来关闭直流高压，而关闭一个主开关会完成同样的事情？
__答案在于正确的真空管操作：__就像白炽灯泡一样，真空管在灯丝反复通电和断电时会“磨损”，因此电路中的这个附加开关可以让您关闭直流高压（为了安全起见）修改或调整电路），而无需关闭灯丝。_此外，在施加板电压之前_等待管达到完全工作温度是一个好习惯，第二个开关允许您延迟施加板电压，直到管有时间达到工作温度。
操作过程中，应在电源的“ B+ ”输出端（ __B+__端与地之间）连接一个电压表，持续提供电源电压指示。当您关闭“板电源开关”以维修放大器电路时，该仪表将显示滤波电容器放电到电击危险极限（30 伏）以下的时间。
电源电路直流输出端显示的“接地”端子无需接地。相反，它只是一个符号，表示与放大器电路中相应的接地端子符号的公共连接。在您构建的电路中，会有一根电线将这两个“接地”点连接在一起。与往常一样，通过共享符号指定电路中的某些公共点是电子原理图中的标准做法。
您会注意到，原理图显示了一个 100 kΩ 电阻器与滤波电容器并联。这个电阻是非常必要的，因为它在交流电源关闭时为电容器提供了一个放电路径。如果电路中没有这个“泄放”电阻，电容器可能会在“断电”后长时间保留危险电荷，从而对您造成额外的电击危险。
在我构建的电路中——带有一个 47 µF 电容器和一个 100 kΩ 泄放电阻器——这个 RC 电路的时间常数仅为 4.7 秒。如果您碰巧发现较大的滤波电容值（有利于最大限度地减少扬声器中不需要的电源“嗡嗡声”），您将需要使用相应较小值的泄放电阻，或者等待更长的时间让电压泄放。关闭“印版供应”开关。
在尝试用它为放大器电路供电之前，请确保您的电源结构安全且可靠工作。一般来说，这是一种良好的电路构建实践：首先构建电源并对其进行故障排除，然后构建您打算用它供电的电路。如果电源不能正常工作，那么供电电路也不能正常工作，无论它的设计和制造有多好。
__构建放大器：__在 21 世纪构建真空管电路的问题之一是这些组件的_插座_很难找到。鉴于大多数“接收器”管的使用寿命有限（几年），大多数“管状”电子设备使用插座来安装管子，以便它们可以轻松拆卸和更换。
尽管仍然可以相对容易地获得电子管（从音乐用品商店），但它们插入的插座要少得多——您当地的 Radio Shack 将没有库存！那么，如果我们可能无法获得用于插入的插座，我们如何用管子构建电路？
对于小管子，可以通过将短长度的 22 号实心铜线直接焊接到管子的引脚上来避免这个问题，从而使您能够将管子“插入”无焊面包板。这是我的电子管放大器的照片，显示 12AX7 处于倒置位置（引脚朝上）。
请忽略照片中左侧的 10 段 LED 条形图和右侧的 8 位 DIP 开关组件，因为这些是之前在我的面包板上组装的数字电路实验的剩余组件。
将管子安装在该位置的一个好处是易于识别引脚，因为管子的大多数“引脚连接图”都是从底视图显示的：
您会在放大器原理图上注意到，12AX7 玻璃外壳内的两个三极管元件都被并行使用：板连接到板，栅极连接到栅极，阴极 (opens new window)连接到阴极。这样做是为了使电子管的功率输出最大化，但对于演示基本操作不是必需的。为简单起见，如果您愿意，您可以只使用其中一个三极管。
原理图上显示的 0.1 µF 电容器将音频信号源（收音机、音乐键盘等）“耦合”到电子管的栅极，允许交流电通过但阻断直流电。100 kΩ 电阻确保栅极和阴极之间的平均直流电压为零，并且不能“浮动”到某个高电平。通常，偏置电路用于使电网相对于地略微为负，但为此，偏置电路会引入比其价值更多的复杂性。
当我测试我的放大器电路时，我使用无线电接收器的输出，后来又使用光盘 (CD) 播放器的输出作为音频信号源。使用插入接收器/CD 播放器的耳机插孔的“单声道”到“唱机”连接器延长线，以及将“单声道”尖端连接到电子管放大器的输入端子的鳄鱼夹跳线，我能够轻松地发送不同幅度的放大器音频信号，以测试其在各种条件下的性能：
变压器在放大器电路的输出端是必不可少的，用于“匹配”真空管和扬声器的阻抗。由于真空管是高压、小电流的器件，而音箱大多是低压、大电流的器件，如果直接连接，它们之间的不匹配会导致非常音频的低功率输出。
为了成功地将高压、小电流源与低压、大电流负载匹配，我们必须使用[降压变压器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating- 戴维南 (opens new window)电阻在几万欧，而扬声器的阻抗只有8欧左右，所以我们需要一个阻抗比为10000:1左右的变压器。
由于变压器的阻抗比是其匝数比（或电压比）的_平方_，因此我们正在寻找匝数比约为 100:1 的变压器。一个典型的汽车点火线圈大约有这个匝数比，它的高压绕组上的额定电压也很高，非常适合这种应用。
使用点火线圈的唯一不好的方面是它在初级和次级绕组之间没有提供电气隔离，因为该设备实际上是一个自耦变压器，每个绕组在一端共享一个公共端子。这意味着扬声器线相对于电路接地将处于高直流电压。
只要我们知道这一点，并且在操作过程中避免接触那些电线，就没有问题。不过，理想情况下，变压器将提供完全隔离和阻抗匹配，并且扬声器线在使用过程中触摸起来非常安全。
_请记住，在关闭电源_的情况下进行电路中的所有连接！在目测并用欧姆表检查连接以确保电路按照原理图构建后，为管的灯丝通电并等待约 30 秒使其达到工作温度。
两条灯丝都应发出柔和的橙色光芒，从管的顶部和底部都可以看到。将收音机/CD 播放器/音乐键盘信号源的音量控制调到最低，然后打开印版电源开关。
您在电源的 B+ 输出端子和“地”之间连接的电压表应记录全电压（约 170 伏）。现在，增加信号源的音量控制并聆听扬声器。如果一切顺利，您应该可以通过扬声器清楚地听到正确的声音。
对该电路进行故障排除：最好使用本实验卷的[直流](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt- 交流 (opens new window)章节中描述的灵敏音频检测器来完成。
将一个 0.1 µF 电容器与每条测试线串联，以阻断检测器的直流电，然后将其中一根测试线接地，同时使用另一根测试线检查电路中各个点的音频信号。使用具有高额定电压的电容器，例如在放大器电路输入端使用的电容器：
使用两个耦合电容器而不是一个，增加了额外的安全度，有助于将设备与任何（高）直流电压隔离。但是，即使没有额外的电容器，检测器的内部变压器也应提供足够的电气隔离，以确保您在使用它来测试此类高压电路中的信号时的安全，特别是如果您使用 120 伏电源变压器构建检测器（而不是建议的“音频输出”变压器）。
用它来测试输入端是否有良好的信号，然后是管子的栅针，然后是管子的板，等等，直到发现问题。由于电容耦合，检测器还能够测试电源是否存在过多的“嗡嗡声”：将空闲的测试导线接触到电源的 B+ 端子，并聆听 60 Hz 的嗡嗡声。
噪音应该非常柔和，而不是响亮。如果声音很大，则电源的滤波不够充分，可能需要额外的滤波电容。在测试放大器电路中对地直流电压较大的点后，检测器上的耦合电容可能会产生很大的电压。
要释放此电压，请简单地将空闲的测试导线与接地的测试导线接触。当耦合电容器放电时，耳机中应该会听到“砰”的一声。
如果您更愿意使用电压表来测试音频信号的存在，您可以这样做，将其设置为敏感的交流电压范围。但是，您从电压表获得的指示并不能告诉您有关信号_质量_的任何信息，而只是它的存在。
请记住，大多数交流电压表 (opens new window)在最初连接到直流电压源时会记录一个瞬态电压，因此在与仪表对电路的探头，迅速下降到真正的交流信号值。您可能会对这个小型放大器电路的音质和深度感到惊喜，特别是考虑到它的低功率输出：音频功率小于 1 瓦。
当然，电路相当粗糙，为了简单和零件可用性而牺牲了质量，但它有助于展示真空管放大的基本原理。高级爱好者和学生可能希望尝试使用偏置网络、负反馈、不同的输出变压器、不同的电源电压，甚至不同的电子管，以获得更大的功率和/或更好的音质。
这是一张非常相似的放大器电路的照片，由 Terry 和 Cheryl Goetz 的夫妻团队建造，展示了在这样的项目中应用关怀和工艺时可以做些什么。
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