真空管音频放大器

零件和材料

• 一个 12AX7 双三极管真空管
• 两个电源变压器，从 120VAC 降压到 12VAC（Radio Shack 目录号 #273-1365、273-1352 或 273-1511）。
• 桥式整流器模块（Radio Shack 目录号 #276-1173）
• 电解电容器，至少 47 µF，工作电压至少为 200 伏直流电。
• 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）
• 交流实验章节中的“低压交流电源”
• 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

请问哪里可以买到12AX7管？这些电子管非常受欢迎，用于许多专业电吉他放大器的“前置放大器”阶段。

去任何一家好的音乐商店，您都会发现它们的价格适中（12 美元或更少）。一家名为 Sovtek 的俄罗斯制造商制造了这些新管，因此您无需依赖已倒闭的美国制造商遗留下来的“新旧库存”(NOS) 组件。

这种电子管模型在当时非常流行，如果您碰巧接触到此类设备，可能会在旧的“管状”电子测试设备（示波器、振荡器）中找到。但是，我强烈建议您购买新的管子，而不是冒险使用从古董设备中打捞出来的管子。

选择具有足够工作电压 (WVDC) 的电解电容器很重要，以承受此放大器电源电路的输出（约 170 伏）。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，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 电解电容器系列（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来构建此电路，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 是一种用于汽车发动机的专用高压变压器，可产生数万伏的电压来“点燃”火花塞。在这个实验中，它被用作（非常非常规，我可能会补充！）作为真空管和 8 Ω 音频扬声器之间的阻抗匹配变压器。

“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：

音频扬声器不必过于奢侈。我在这个实验中使用了小型“书架”扬声器、汽车 (6"x9") 扬声器以及大型（100 瓦）三路立体声扬声器，它们都运行良好。

不要使用一副耳机 在任何情况下，由于点火线圈不会在“平板”电源的 170 伏直流电和扬声器之间提供电气隔离，因此将扬声器连接提升到相对于地面的该电压。因为显然将带有高电压接地的电线放在头上会非常危险 ，请不要使用耳机！

您将需要一些音频交流源作为此放大器电路的输入信号。我建议使用小型电池供电的收音机或音乐键盘，将合适的电缆插入“耳机”或“音频输出”插孔，以将信号传输到您的放大器。

交叉引用

电路课程 ，第 3 卷，第 13 章：“电子管”

电路课程 ，第 3 卷，第 3 章：“二极管和整流器”

电路课程 ，第 2 卷，第 9 章：“变形金刚”

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
• 如何构建高压直流电源
• 使用变压器匹配阻抗

原理图

插图

说明

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，构建和操作此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 伏直流电能够使您触电！！建议初学者在尝试构建此放大器时寻求合格的帮助（有经验的电工、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“平板”电源开关并等待滤波电容器放电至 30 伏以下，然后再接触电路的任何部分。带电测试电路电压时，尽量只用一只手，以免手臂间触电。

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运行。虽然本实验中描述的放大器电路可以在低至 24 伏的直流电压下运行，但输出功率很小，音质也很差。

12AX7 三极管的额定最大“板电压”（施加在板和阴极端子之间的电压）为 330 伏，因此我们这里指定的 170 伏直流电源完全在该最大限制范围内。我已经在高达 235 伏的直流电压下运行了这款放大器，发现音质和强度都略有改善 ，但在我看来还不足以保证对实验者的额外危害。

电源实际上有两种不同的电源输出：用于板电源的“B+”直流输出和只有 12 伏交流电的“灯丝”电源。管子需要给一根小灯丝通电（有时称为加热器 ) 才能发挥作用，因为阴极必须足够热以热发射电子，而这在室温下不会发生！

使用一个电源变压器将家用 120 伏交流电降压到 12 伏交流电，为灯丝提供低电压，而另一个以升压方式连接的变压器将电压恢复到 120 伏特。您可能想知道，“为什么要使用另一个变压器将电压回升至 120 伏？为什么不直接拔掉墙上的插座插头来直接获得 120 伏交流电 ，然后将其整流为 170 伏直流电？”

答案是双重的 ：首先，通过两个变压器运行电源本质上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。如果我们用二极管桥对壁式插座电源进行整流，它会使您房屋电气系统的安全接地连接的两个直流端子（+和-）电压升高，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极板电压。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，当关闭一个主开关时会完成同样的事情？

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“磨损”，因此在电路中安装这个额外的开关可以让您关闭直流高压（为了修改或调整电路时的安全）而无需关闭灯丝。此外，等待管子达到完全工作温度是一个好习惯之前 施加极板电压，第二个开关允许您延迟施加极板电压，直到管子有时间达到工作温度。

在操作过程中，您应该有一个电压表连接到“B+ ” 电源输出（B+ 端子和地），持续提供电源电压指示。当您关闭“平板电源开关”以维护放大器电路时，该仪表将显示滤波电容器何时放电至电击危险极限（30 伏）以下。

电源电路直流输出端所示的“接地”端子不需要接地。相反，它只是一个符号，表示与放大器电路中的相应接地端子符号的公共连接。在您构建的电路中，将有一根电线将这两个“接地”点连接在一起。与往常一样，通过共享符号来指定电路中的某些公共点是电子原理图的标准做法。

您会注意到原理图显示了一个与滤波电容器并联的 100 kΩ 电阻器。该电阻器非常必要，因为它为电容器提供了一条在交流电源关闭时放电的路径。如果电路中没有这个“泄放”电阻，电容器可能会在“掉电”后长时间保留危险电荷，对您构成额外的电击危险。

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 电路的时间常数是短暂的 4.7 秒。如果您碰巧发现更大的滤波电容值（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器，或者每次您都需要等待更长的时间让电压泄放关闭“板供应”开关。

在尝试使用电源为放大器电路供电之前，请确保电源结构安全且工作可靠。这是一般的良好电路构建实践：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，无论它的设计和构建有多好。

构建放大器： 21世纪建造真空管电路的问题之一是插座 因为这些组件可能很难找到。鉴于大多数“接收器”管的使用寿命有限（几年），大多数“管式”电子设备都使用插座来安装管子，以便于拆卸和更换。

尽管仍然可以相对容易地（从音乐用品商店）获得电子管，但它们插入的插座却相当稀缺——您当地的 Radio Shack 没有库存！那么，如果我们可能无法获得供它们插入的插座，我们如何构建带有电子管的电路？

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解决这个问题，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。

将管子安装在这个位置的一个好处是易于识别管脚，因为大多数管子的“管脚连接图”都是从底视图中显示的：

您会在放大器原理图中注意到 12AX7 玻璃外壳内的两个三极管元件都被并联使用：板连接到板，栅极连接到栅极，阴极连接到阴极。这样做是为了最大限度地提高电子管的功率输出，但这不是演示基本操作所必需的。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，允许交流通过但阻止直流。 100 kΩ 电阻确保栅极和阴极之间的平均直流电压为零，并且不会“浮动”到某个高电平。通常情况下，偏置电路用于保持栅极相对于地略为负，但为此，偏置电路会引入比其价值更复杂的复杂性。

当我测试我的放大器电路时，我使用无线电接收器的输出作为音频信号源，后来又使用了光盘 (CD) 播放器的输出。使用插入接收器/CD 播放器耳机插孔的“单声道”到“唱机”连接器延长线，以及将线的“单声道”尖端连接到电子管放大器输入端子的鳄鱼夹跳线，我能够轻松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：

在放大器电路的输出端，变压器是必不可少的，用于“匹配”真空管和扬声器的阻抗。由于真空管是高电压、小电流的器件，而大多数音箱都是低电压、大电流的器件，如果直接连接，它们之间的不匹配会导致音频输出功率很低。

为了使高压、小电流源与低压、大电流负载成功匹配，我们必须使用降压变压器。由于真空管电路的戴维南电阻在几万欧，而扬声器只有8欧左右的阻抗，所以我们需要一个阻抗比在10000:1左右的变压器。

由于变压器的阻抗比是平方 就其匝数比（或电压比）而言，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，而且它的高压绕组额定电压也非常高，非常适合这种应用。

使用点火线圈的唯一缺点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。这意味着扬声器线将处于相对于电路接地的高直流电压。

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，就不会有问题。不过，理想情况下，变压器将提供完全隔离和阻抗匹配，并且在使用过程中触摸扬声器线是完全安全的。

请记住，在关闭电源的情况下进行电路中的所有连接！ 用欧姆表目视检查连接，确保电路按照原理图建立后，给灯管的灯丝通电，等待约30秒使其达到工作温度。

两条灯丝都应该发出柔和的橙色光芒，从管子的顶部和底部视图都可以看到。将收音机/CD 播放器/音乐键盘信号源的音量控制调到最小，然后打开平板电源开关。

您在电源的 B+ 输出端子和“地”之间连接的电压表应该记录全电压（大约 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 DC 和 AC 章节中描述的灵敏音频检测器。

将 0.1 µF 电容器与每条测试引线串联以阻止来自检测器的直流电，然后将其中一根测试引线接地，同时使用另一根测试引线检查电路中各个点的音频信号。使用额定电压较高的电容器，例如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耦合电容器增加了额外的安全程度，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，探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像这样的高压电路中的信号时的安全，尤其是当您使用 120 伏电源变压器构建探测器时（而不是建议的“音频输出”变压器）。

用它来测试输入端的良好信号，然后是管子的栅针，然后是管子的板，等等，直到发现问题。由于采用电容耦合，检测器还能够测试电源是否存在过多的“嗡嗡声”：将空闲测试引线接触到电源的 B+ 端子，并聆听 60 Hz 的嗡嗡声。

声音应该非常柔和，而不是很大声。如果声音很大，说明电源没有充分过滤，可能需要额外的滤波电容。在对地直流电压较大的放大电路中测试一点后，检测器上的耦合电容可能会产生大量电压。

要释放此电压，请简单地将空闲测试线与接地测试线接触。当耦合电容放电时，耳机中应该会听到“啪”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关于质量的任何信息 信号，只是它的存在。

请记住，大多数交流电压表在最初连接直流电压源时都会记录瞬态电压，因此在与直流电压源接触的那一刻看到“尖峰”（强烈的瞬时电压指示）不要感到惊讶仪表的探头到电路，迅速下降到真正的交流信号值。您可能会对这款小型放大器电路的音质和音色深度感到惊喜，特别是考虑到它的低功率输出：音频功率不到 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，但它用于演示真空管放大的基本原理。高级爱好者和学生不妨尝试偏置网络、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，展示了将细心和工艺应用于这样的项目时可以做到的事情。