Amplificador de tubo alimentado por bateria: 4 etapas (com imagens)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

Os amplificadores valvulados são apreciados pelos guitarristas devido à agradável distorção que produzem.

A ideia por trás desses instrunctables é construir um amplificador valvulado de baixa potência, que também pode ser carregado para tocar em qualquer lugar. Na era dos alto-falantes bluetooth, é hora de construir alguns amplificadores valvulados portáteis alimentados por bateria.

Etapa 1: Selecione os tubos, transformadores, baterias e fonte de alta tensão

Tubos

Como o consumo de energia em amplificadores valvulados é um grande problema, a escolha da válvula certa pode poupar muita energia e aumentar as horas de reprodução entre as recargas. Há muito tempo, havia tubos alimentados por bateria, que alimentavam desde pequenos rádios até aviões. Sua grande vantagem era a menor corrente de filamento necessária. A imagem mostra uma comparação entre três tubos alimentados por bateria, o 5672, 1j24b, 1j29b e um tubo em miniatura usado em pré-amplificadores de guitarra, o EF86

Os tubos escolhidos são:

Pré-amplificador e PI: 1J24B (corrente de filamento de 13 mA a 1,2 V, tensão máxima de placa de 120 V, fabricado na Rússia, barato)

Alimentação: 1J29B (corrente de filamento de 32 mA a 2,4 V, tensão máxima da placa de 150 V, fabricado na Rússia, barato)

Transformador de saída

Para configurações de baixa potência, um transformador mais barato pode ser usado. Alguns experimentos com transformadores de linha mostraram que eles são muito bons para amplificadores menores, onde a extremidade inferior não é uma prioridade. Devido à falta de entreferro, o transformador funciona melhor em push-pull. Isso também requer mais toques.

Transformador de linha 100V, 10W com tomadas diferentes

(0-10W-5W-2.5W-1.25W-0,625W e no secundário 4, 8 e 16 ohms)

. Felizmente o transformador que peguei também tinha o número de voltas por enrolamento especificado, caso contrário, seria necessário um pouco de matemática para identificar os taps adequados e a maior impedância disponível. o transformador teve o seguinte número de voltas em cada torneira (começando da esquerda):

725-1025-1425-2025-2925 no primário e 48-66-96 liga o secundário.

Aqui é possível observar que a torneira de 2,5W fica quase no meio, com 1425 voltas de um lado e 1500 do outro. Esta pequena diferença pode ser um problema em alguns amplificadores maiores, mas aqui só aumentará a distorção. Agora podemos usar as derivações de 0 e 0,625 W para os ânodos para obter a impedância mais alta disponível.

A relação de espiras primária para secundária é usada para estimar a impedância primária como:

2925/48 = 61, com um alto-falante de 8 ohms, isso resulta em 61 ^ 2 * 8 = 29768 ou aprox. 29,7k ânodo a ânodo

2925/66 = 44, com um alto-falante de 8 ohms dá 44 ^ 2 * 8 = 15488 ou aprox. 15,5k ânodo a ânodo

2925/96 = 30, com um alto-falante de 8 ohms dá ^ 2 * 8 = 7200 ou aprox. 7,2k ânodo a ânodo

Como pretendemos executar isso na classe AB, a impedância que a válvula realmente é vista é de apenas 1/4 do valor calculado.

Fonte de alimentação de alta tensão

Mesmo esses tubos pequenos também requerem tensões mais altas nas placas. Em vez de usar várias baterias em série ou usar aquelas enormes baterias antigas de 45 V, usei uma fonte de alimentação comutada menor (SMPS) baseada no chip MAX1771. Com este SMPS sou capaz de multiplicar a tensão proveniente das baterias por valores tão altos quanto 110V sem problemas.

Baterias

As baterias escolhidas para este projeto são baterias de íons de lítio, facilmente obtidas no pacote 186850. Existem várias placas carregadoras disponíveis online para estes. Uma observação importante é comprar apenas baterias boas conhecidas, de vendedores confiáveis, para evitar acidentes desnecessários.

Agora que as partes estão aproximadamente definidas, é hora de começar a trabalhar no circuito.

Etapa 2: trabalhando em um circuito

Filamentos

Para alimentar os filamentos dos tubos, foi escolhida uma configuração em série. Existem algumas dificuldades que devem ser discutidas.

• Como o pré-amplificador e as válvulas de alimentação têm diferentes correntes de filamentos, resistores foram adicionados em série com alguns filamentos para contornar parte da corrente.
• A tensão da bateria cai durante o uso. Cada bateria tem inicialmente 4,2 V quando totalmente carregada. Eles descarregam rapidamente para o valor nominal de 3,7 V, onde diminuem lentamente para 3 V, quando deve ser recarregado.
• Os tubos têm cátodos aquecidos diretamente, o que significa que a corrente da placa flui através do filamento, e o lado negativo do filamento corresponde à voltagem do cátodo

O esquema de filamento com tensões se parece com este:

bateria (+) (8,4 V a 6 V) -> 1J29b (6 V) -> 1J29b // 300 ohms (3,6 V) -> 1J24b // 1J24b // 130 ohms (2,4 V) -> 1J24b // 1J24b // 120 ohms (1,2 V) -> 22 ohms -> Bateria (-) (GND)

onde // representa em configuração paralela e -> em série.

Os resistores contornam a corrente extra dos filamentos e a corrente do ânodo que flui em cada estágio. Para prever corretamente a corrente anódica, é necessário traçar a linha de carga do estágio e escolher um ponto de operação.

Estimando um ponto de operação para os tubos de força

Estes tubos vêm com uma ficha de dados básica, onde as curvas são traçadas para uma tensão de grade de tela de 45V. Como estava interessado na saída mais alta que poderia obter, decidi ligar as válvulas de alimentação a 110V (quando totalmente carregadas), bem acima de 45V. Para superar a falta de um datasheet utilizável tentei implementar um modelo de spice para os tubos usando paint_kip e depois aumentar a tensão da grade da tela e ver o que acontece. Paint_kip é um bom software, mas requer alguma habilidade para encontrar os valores corretos. Com pentodos, o nível de dificuldade também aumenta. Como eu queria apenas uma estimativa aproximada, não gastei muito tempo procurando a configuração exata. O equipamento de teste foi construído para testar as diferentes configurações.

Impedância OT: 29k placa a placa ou aprox. 7k para operação de classe AB.

Alta tensão: 110V

Após alguns cálculos e testes, a tensão de polarização da rede pôde ser definida. Para atingir a polarização da grade escolhida, o resistor de vazamento da grade é conectado a um nó de filamento onde a diferença entre a tensão do nó e o lado negativo do filamento. Por exemplo, o primeiro 1J29b está na tensão B + de 6V. Ao conectar o resistor de vazamento de grade ao nó entre os estágios 1J24b, em 2,4 V a tensão de rede resultante é -3,6 V em relação à linha GND, que é o mesmo valor visto no lado negativo do filamento do segundo 1J29b. Portanto, o resistor de vazamento de grade do segundo 1J29b pode ir para o aterramento, como normalmente faria em outros projetos.

O inversor de fase

Como pode ser visto no esquema, um inversor de fase para fase foi implementado. Neste caso, uma das válvulas tem ganho de unidade e inverte o sinal para um dos estágios de saída. O outro estágio atua como um estágio de ganho normal. Parte da distorção criada no circuito vem do inversor de fase perdendo o equilíbrio e acionando um tubo de força com mais força do que o outro. O divisor de tensão entre os estágios foi escolhido de forma que isso só ocorra nos últimos 45 graus do volume mestre. Os resistores foram testados enquanto o circuito era monitorado com um osciloscópio, onde os dois sinais puderam ser comparados.

O estágio de pré-amplificador

Os últimos dois tubos 1J24b consistem no circuito do pré-amplificador. Ambos têm o mesmo ponto de operação, pois os filamentos estão em paralelo. O resistor de 22 ohms entre o filamento e o terra eleva a tensão no lado negativo do filamento, apresentando uma pequena polarização negativa. Em vez de escolher um resistor de placa e calcular o ponto de polarização e a tensão catódica e o resistor necessários, aqui o resistor de placa foi adaptado de acordo com o ganho e a polarização desejados.

Com o circuito calculado e testado, é hora de fazer um PCB para ele. Para o esquema e PCB, usei Eagle Cad. Eles têm uma versão gratuita onde pode-se usar até 2 camadas. Já que eu mesmo ia gravar a placa, não fazia sentido usar mais de 2 camadas. Para projetar o PCB, primeiro foi necessário criar também um gabarito para os tubos. Após algumas medições, consegui identificar o espaçamento correto entre os pinos e o pino do ânodo na parte superior do tubo. Com o layout pronto, é hora de começar a construção real!

Etapa 3: Soldar e testar os circuitos

SMPS

Solde primeiro todos os componentes da fonte de alimentação comutada. Para que funcione corretamente, são necessários os componentes certos.

• Baixa resistência, Mosfet de alta tensão (IRF644Pb, 250V, 0,28 ohms)
• ESR baixo, indutor de alta corrente (220uH, 3A)
• Baixa ESR, capacitor do reservatório de alta tensão (10uF a 4,7uF, 350V)
• Resistor de 0,1 ohm 1W
• Diodo de alta tensão ultrarrápido (UF4004 para 50 ns e 400 V, ou qualquer coisa mais rápido para> 200 V)

Como estou usando o chip MAX1771 em uma tensão mais baixa (8,4V a 6V), tive que aumentar o indutor para 220uH. Caso contrário, a tensão cairia sob carga. Quando o SMPS está pronto, testei a tensão de saída com um multímetro e ajustei para 110V. Sob carga, ele cairá um pouco e será necessário um reajuste.

Circuito de Tubo

Comecei a soldar os jumpers e componentes. Aqui é importante verificar se os jumpers não estão tocando nas pernas dos componentes. Os tubos foram soldados no lado do cobre após todos os outros componentes. Com tudo soldado pude adicionar o SMPS e testar o circuito. Pela primeira vez também verifiquei a voltagem nas placas e telas dos tubos, só para ter certeza de que estava tudo bem.

Carregador

O circuito do carregador que comprei no ebay. Ele é baseado no chip TP4056. I Usei um DPDT para alternar entre uma configuração em série e paralela das baterias e uma conexão ao carregador ou à placa de circuito (veja a figura).

Etapa 4: Gabinete, grelha e placa frontal e acabamento

A Caixa

Para encaixotar este amplificador, escolho usar uma caixa de madeira mais antiga. Qualquer caixa de madeira funcionaria, mas no meu caso eu tinha uma muito boa com um amperímetro. O amperímetro não estava funcionando, então eu pude pelo menos resgatar a caixa e construir algo nive dentro dela. O alto-falante foi fixado na lateral com uma grade de metal que permite que o amperímetro resfrie durante o uso.

A grade do tubo

A placa de circuito impresso com os tubos foi fixada no lado oposto do alto-falante, onde faço um orifício para que os tubos fiquem visíveis do lado de fora. Para proteger os tubos fiz uma pequena grelha com chapa de alumínio. Eu fiz algumas marcas ásperas e fiz furos menores. Todas as imperfeições foram corrigidas durante a fase de lixamento. Para dar um bom contraste com o painel frontal acabei pintando de preto.

O painel frontal, lixar, transferência de toner, gravura e lixar novamente

O painel frontal foi feito de forma semelhante ao PCB. Antes de começar, lixei a folha de alumínio para obter uma superfície mais áspera para o toner. 400 é aproximado o suficiente neste caso. Se você quiser pode ir até 1200, mas é muito lixado e depois do ataque ainda vai sobrar mais, então pulei isso. Isso também remove qualquer acabamento que a folha tinha anteriormente.

Imprimi o painel frontal espelhado com uma impressora de toner em um papel brilhante. Posteriormente transferi o desenho com um ferro normal. Dependendo do ferro, existem diferentes configurações de temperatura ideal. No meu caso, é a segunda configuração, logo antes do max. temperatura. Eu o transfiro durante 10 min. aprox., até que o papel comece a ficar amarelado. Esperei esfriar e protegi o verso da placa com esmalte.

Existe a possibilidade de apenas borrifar sobre o toner. Também dá bons resultados se você remover todo o papel. Uso água e toalhas para tirar o papel. Apenas tome cuidado para não remover o toner! Como o design aqui foi invertido, tive que gravar o painel frontal. Há uma curva de aprendizado na gravação e, às vezes, suas soluções são mais fortes ou fracas, mas, em geral, quando a gravação parece profunda o suficiente, é hora de parar. Após o ataque químico, lixei começando com 200 e indo até 1200. Normalmente começo com 100 se o metal estiver em mau estado, mas este era necessário e já estava em bom estado. Troco o grão da lixa de 200 para 400, 400 para 600 e 600 para 1200. Depois pintei de preto, esperei um dia e lixei novamente com o grão 1200, só para tirar o excesso de tinta. Agora eu fiz os furos para os potenciômetros. Para finalizar usei um verniz.

Toques finais

As baterias e peças foram aparafusadas à caixa de madeira após a placa frontal ser posicionada, do lado do alto-falante. Para encontrar a melhor posição do SMPS, liguei e verifiquei onde o circuito de áudio seria menos afetado. Como a placa de circuito de áudio é muito menor que a caixa, o espaçamento adequado e a orientação correta foram suficientes para tornar o ruído EMI inaudível. O defletor de alto-falante foi então aparafusado no lugar e o amplificador estava pronto para tocar.

Algumas considerações

Perto da ponta das baterias há uma queda perceptível de volume, antes que eu não pudesse ouvir, mas meu multímetro mostrou que a alta tensão caiu de 110V para 85V. A queda de tensão dos aquecedores também diminui com a bateria. Felizmente, o 1J29b funciona sem problemas até que o filamento atinja 1,5 V (com a configuração 2,4 V 32 mA). O mesmo vale para o 1J24b, onde a queda de tensão foi reduzida para 0,9V quando a bateria estava quase esgotada. Se a queda de tensão for um problema para você, existe a possibilidade de usar outro chip MAX para converter para uma tensão estável de 3,3 V. Eu não queria usá-lo, pois seria outro SMPS neste circuito, o que poderia introduzir algumas fontes extras de ruído.

Considerando a duração da bateria, eu poderia jogar uma semana inteira antes de precisar recarregá-la novamente, mas só jogo 1 a 2 horas por dia.