Ламповый усилитель с питанием от батареи: 4 ступени (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Гитаристы любят ламповые усилители из-за приятных искажений, которые они создают.

Идея, лежащая в основе этого инструментария, состоит в том, чтобы создать ламповый усилитель малой мощности, который также можно носить с собой, чтобы играть на ходу. В эпоху bluetooth-динамиков пришло время создать портативные ламповые усилители с батарейным питанием.

Шаг 1. Выберите лампы, трансформаторы, батареи и источник высокого напряжения

Трубки

Поскольку энергопотребление ламповых усилителей является огромной проблемой, выбор правильной лампы может сэкономить много энергии и увеличить время работы между подзарядками. Когда-то давно существовали лампы с батарейным питанием, которые питали от небольших радиоприемников до самолетов. Их большим преимуществом был меньший требуемый ток накала. На рисунке показано сравнение трех ламп с батарейным питанием, 5672, 1j24b, 1j29b, и миниатюрной лампы, используемой в гитарных предусилителях, EF86.

Выбранные трубки:

Предусилитель и PI: 1J24B (ток накала 13 мА при 1,2 В, макс. Напряжение пластины 120 В, российское производство, недорого)

Питание: 1J29B (ток накала 32 мА при 2,4 В, макс. Напряжение пластины 150 В, российское производство, недорого)

Выходной трансформатор

Для таких настроек с меньшей мощностью можно использовать более дешевый трансформатор. Некоторые эксперименты с линейными трансформаторами показали, что они вполне подходят для небольших усилителей, где нижний конец не является приоритетом. Из-за отсутствия воздушного зазора трансформатор лучше работает в двухтактном режиме. Это также требует большего количества кранов.

Линейный трансформатор 100 В, 10 Вт с разными ответвлениями

(0-10 Вт-5 Вт-2,5 Вт-1,25 Вт-0,625 Вт и на вторичной обмотке 4, 8 и 16 Ом)

К счастью, трансформатор, который я получил, также имел указанное количество витков на обмотку, иначе потребовались бы некоторые математические вычисления, чтобы определить подходящие отводы и наивысший доступный импеданс. трансформатор имел следующее количество витков на каждом ответвлении (начиная слева):

725-1025-1425-2025-2925 на первичной и 48-66-96 на вторичной.

Здесь можно увидеть, что ответвитель на 2,5 Вт находится почти посередине, с 1425 витками с одной стороны и 1500 с другой. Эта небольшая разница может быть проблемой для некоторых более мощных усилителей, но здесь она просто усугубит искажения. Теперь мы можем использовать ответвители 0 и 0,625 Вт для анодов, чтобы получить максимально возможное сопротивление.

Соотношение витков первичной и вторичной обмоток используется для оценки полного сопротивления первичной обмотки как:

2925/48 = 61, с динамиком на 8 Ом это дает 61 ^ 2 * 8 = 29768 или прибл. 29,7 кОм анод-анод

2925/66 = 44, с динамиком на 8 Ом это дает 44 ^ 2 * 8 = 15488 или прибл. 15,5k анод-анод

2925/96 = 30, с динамиком на 8 Ом это дает ^ 2 * 8 = 7200 или прибл. 7.2k анод-анод

Поскольку мы собираемся запустить это в классе AB, импеданс, который фактически видна трубка, составляет только 1/4 расчетного значения.

Источник питания высокого напряжения

Даже эти маленькие трубки требуют более высоких напряжений на пластинах. Вместо того, чтобы использовать несколько батарей последовательно или использовать эти огромные старые батареи на 45 В, я использовал меньший импульсный источник питания (SMPS), основанный на микросхеме MAX1771. С помощью этого SMPS я могу без проблем увеличить напряжение, поступающее от батарей, до значений 110 В.

Аккумуляторы

В качестве аккумуляторов для этого проекта были выбраны литий-ионные аккумуляторы, которые легко получить в упаковке 186850. Для них в Интернете доступно несколько плат зарядных устройств. Одно важное замечание: во избежание ненужных несчастных случаев покупайте только известные исправные батареи у проверенных продавцов.

Теперь, когда детали примерно определены, пора приступить к работе над схемой.

Шаг 2: Работа в цепи

Нити

Для питания нитей трубок была выбрана последовательная конфигурация. Есть некоторые трудности, которые необходимо обсудить.

• Поскольку предусилитель и силовые лампы имеют разные токи накала, резисторы были добавлены последовательно с некоторыми нитями для обхода части тока.
• Напряжение аккумулятора падает во время использования. При полной зарядке каждая батарея изначально имеет 4,2 В. Они быстро разряжаются до номинального значения 3,7 В, где медленно снижаются до 3 В, когда необходимо перезарядить.
• Лампы имеют катоды с прямым нагревом, что означает, что ток пластины течет через нить накала, а отрицательная сторона нити соответствует катодному напряжению.

Схема накала с напряжениями выглядит так:

аккумулятор (+) (от 8,4 В до 6 В) -> 1J29b (6 В) -> 1J29b // 300 Ом (3,6 В) -> 1J24b // 1J24b // 130 Ом (2,4 В) -> 1J24b // 1J24b // 120 Ом (1,2 В) -> 22 Ом -> Аккумулятор (-) (GND)

где // представляет параллельную конфигурацию и -> последовательно.

Резисторы пропускают дополнительный ток нитей и анодный ток, протекающий на каждой ступени. Чтобы правильно спрогнозировать анодный ток, необходимо провести линию нагрузки ступени и выбрать рабочую точку.

Оценка рабочей точки для силовых ламп

Эти трубки поставляются с базовым техническим описанием, где кривые построены для напряжения сетки экрана 45 В. Поскольку меня интересовала максимальная выходная мощность, которую я мог получить, я решил использовать силовые лампы при 110 В (при полной зарядке), намного выше 45 В. Чтобы преодолеть отсутствие пригодного для использования таблицы данных, я попытался реализовать модель специй для трубок с помощью paint_kip, а затем увеличить напряжение сетки экрана и посмотреть, что произойдет. Paint_kip - хорошая программа, но для нахождения правильных значений требуются определенные навыки. С пентодами уровень сложности также увеличивается. Поскольку мне нужна была только приблизительная оценка, я не тратил много времени на поиск точной конфигурации. Испытательный стенд был построен для тестирования различных конфигураций.

OT Импеданс: 29 кОм между пластиной или прибл. 7k для работы класса AB.

Высокое напряжение: 110 В

После некоторых расчетов и испытаний можно было определить напряжение смещения сети. Для достижения выбранного смещения сетки резистор утечки сетки подключен к узлу накала, где разница между напряжением узла и отрицательной стороной накала. Например, первый 1J29b находится при напряжении B + 6 В. При подключении резистора утечки сетки к узлу между каскадами 1J24b, при 2,4 В результирующее напряжение сети составляет -3,6 В по отношению к линии GND, что является тем же значением, что и на отрицательной стороне нити накала второго 1J29b. Таким образом, резистор утечки сетки второго 1J29b может быть заземлен, как это обычно бывает в других конструкциях.

Фазоинвертор

Как видно на схеме, был реализован парафазный фазоинвертор. В этом случае одна из ламп имеет единичный коэффициент усиления и инвертирует сигнал для одного из выходных каскадов. Другой каскад действует как нормальный каскад усиления. Часть искажений, создаваемых в цепи, происходит из-за того, что фазоинвертор теряет баланс и заставляет одну лампу мощности работать сильнее, чем другую. Делитель напряжения между ступенями был выбран так, чтобы это происходило только на последних 45 градусах мастер-громкости. Резисторы тестировались, а цепь контролировалась с помощью осциллографа, где можно было сравнить оба сигнала.

Стадия предусилителя

Последние две лампы 1J24b состоят из схемы предусилителя. Оба имеют одинаковую рабочую точку, поскольку нити параллельны. Резистор 22 Ом между нитью накала и землей увеличивает напряжение на отрицательной стороне нити накала, создавая небольшое отрицательное смещение. Вместо выбора пластинчатого резистора и расчета точки смещения и необходимого катодного напряжения и резистора, здесь пластинчатый резистор был адаптирован в соответствии с желаемым усилением и смещением.

Рассчитав и протестировав схему, пора изготовить для нее печатную плату. Для схемы и печатной платы я использовал Eagle Cad. У них есть бесплатная версия, где можно использовать до 2 слоев. Поскольку я собирался сам травить плату, нет смысла использовать более двух слоев. При проектировании печатной платы сначала необходимо было также создать шаблон для ламп. После некоторых измерений я смог определить правильное расстояние между штырями и анодным штифтом в верхней части трубки. Когда макет готов, пора начинать настоящую сборку!

Шаг 3: пайка и тестирование схем

SMPS

Сначала припаяйте все компоненты импульсного блока питания. Для его правильной работы требуются правильные компоненты.

• Низкое сопротивление, высокое напряжение Mosfet (IRF644Pb, 250 В, 0,28 Ом)
• Низкое ESR, сильноточный индуктор (220 мкГн, 3 А)
• Высоковольтный накопительный конденсатор с низким ESR (от 10 мкФ до 4,7 мкФ, 350 В)
• Резистор 0,1 Ом 1 Вт
• Сверхбыстрый высоковольтный диод (UF4004 для 50 нс и 400 В или что-нибудь более быстрое для> 200 В)

Поскольку я использую микросхему MAX1771 при более низком напряжении (от 8,4 до 6 В), мне пришлось увеличить индуктивность до 220 мкГн. В противном случае напряжение под нагрузкой упало бы. Когда ИИП готов, я проверил выходное напряжение мультиметром и установил его на 110 В. Под нагрузкой он немного опустится, и потребуется дополнительная регулировка.

Цепь трубки

Я начал паять перемычки и компоненты. Здесь важно проверить, не соприкасаются ли перемычки какие-либо ножки компонентов. Трубки припаивались к медной стороне после всех остальных компонентов. Когда все припаяно, я мог добавить SMPS и протестировать схему. Еще я впервые проверил напряжение на пластинах и экранах ламп, просто чтобы убедиться, что все в порядке.

Зарядное устройство

Схему зарядного устройства я купил на ebay. Он основан на микросхеме TP4056. Я использовал DPDT для переключения между последовательной и параллельной конфигурацией батарей и подключением к зарядному устройству или к печатной плате (см. Рисунок).

Шаг 4: корпус, решетка, лицевая панель и отделка

Коробка

Чтобы поставить этот усилитель в коробку, я решил использовать старую деревянную коробку. Подойдет любой деревянный ящик, но в моем случае у меня был действительно хороший амперметр. Амперметр не работал, так что я мог хотя бы спасти коробку и построить в ней что-нибудь еще. Динамик был закреплен сбоку с помощью металлической решетки, которая позволяла амперметру остывать во время использования.

Трубчатый гриль

Плата с трубками была закреплена на противоположной стороне динамика, где я просверливаю отверстие, чтобы трубки были видны снаружи. Для защиты трубок я сделал небольшую решетку из алюминиевого листа. Я делаю грубые отметки и просверливаю отверстия поменьше. Все недостатки были исправлены на этапе шлифовки. Чтобы улучшить контраст лицевой панели, я закрасил ее в черный цвет.

Лицевая панель, шлифование, перенос тонера, травление и снова шлифование

Лицевая панель сделана аналогично печатной плате. Перед тем, как начать, я отшлифовал алюминиевый лист, чтобы получить более шероховатую поверхность для тонера. 400 в данном случае достаточно грубый. Если хотите, можете увеличить до 1200, но это много шлифовки, а после травления будет еще больше, поэтому я пропустил это. Это также удаляет любую отделку листа, которая была ранее.

Я распечатал зеркальную лицевую панель тонерным принтером на глянцевой бумаге. Позже перенесла рисунок обычным утюгом. В зависимости от утюга существуют разные оптимальные температурные настройки. В моем случае это вторая настройка, непосредственно перед макс. температура. Переношу в течении 10 мин. прибл., пока бумага не станет желтоватой. Дождалась, пока остынет, и покрыла заднюю часть пластины лаком для ногтей.

Есть возможность просто распылить тонер. Если вы удалите всю бумагу, это также даст хорошие результаты. Я использую воду и полотенца, чтобы удалить бумагу. Только будьте осторожны, чтобы не удалить тонер! Поскольку дизайн здесь был перевернутым, мне пришлось протравить лицевую панель. В травлении есть кривая обучения, и иногда ваши решения сильнее или слабее, но в целом, когда травление кажется достаточно глубоким, пора остановиться. После травления я отшлифовал его, начиная с 200 и заканчивая 1200. Обычно я начинаю со 100, если металл в плохом состоянии, но этот был необходим и уже был в хорошем состоянии. Я меняю зернистость наждачной бумаги с 200 на 400, с 400 на 600 и с 600 на 1200. После этого я покрасил ее в черный цвет, подождал один день и снова отшлифовал зернистостью 1200, просто чтобы удалить излишки краски. Теперь просверлил отверстия под потенциометры. Чтобы закончить это, я использовал прозрачный слой.

Последние штрихи

Батареи и детали были привинчены к деревянному ящику после установки лицевой панели со стороны динамика. Чтобы найти наилучшее положение SMPS, я включил его и проверил, где звуковая цепь будет меньше затронута. Поскольку звуковая плата намного меньше коробки, адекватного расстояния и правильной ориентации было достаточно, чтобы шум EMI был неслышным. Затем перегородка динамика была прикручена, и усилитель был готов к работе.

Некоторые соображения

Ближе к концу батарейки наблюдается заметное падение громкости, раньше я не мог этого слышать, но мой мультиметр показал, что высокое напряжение снизилось с 110 В до 85 В. Падение напряжения на нагревателях также уменьшается вместе с аккумулятором. К счастью, 1J29b работает без проблем, пока напряжение на нити не достигнет 1,5 В (при настройке 2,4 В 32 мА). То же самое и с 1J24b, где падение напряжения снизилось до 0,9 В, когда батарея была почти разряжена. Если падение напряжения является проблемой для вас, есть возможность использовать другую микросхему MAX для преобразования в стабильное напряжение 3,3 В. Я не хотел использовать его, потому что это будет еще один импульсный источник питания в этой схеме, который может внести дополнительные источники шума.

Учитывая время автономной работы, я мог бы играть целую неделю, прежде чем мне пришлось бы снова заряжать его, но я играю только 1-2 часа в день.