【Maker Music】真空管耳機擴大機

Description

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作者:Dahai Pon

前言

真空管是一種電子零件,對於尚未接觸過的人來說,總是帶著神秘感。但其實說穿了,真空管也是電子零件,曾經帶領人們走過數十年的光景。今天要介紹一款使用12AU7真空管製成的耳機擴大機,簡單易得的零件,讓有興趣的Maker們也可以一窺真空管擴大機的奧秘!

創作發想

首先來說說為什麼耳機需要擴大機。這裡所指的耳機,是在各項參數都有不同一般設計考量的耳機,尤其阻抗的不同,會使得這一類耳機若插在一般的手機或電腦上,將無法發揮它的效果,這是由於阻抗不匹配的緣故,所以我們必須為這一類耳機另外設計耳機擴大機。

原理說明

1. 線路結構

為了避免第一次製作的失敗,因此我挑選了使用單個真空管的設計,並且指定型號是12AU7。因為這是一支常見的管子,所以價格上也較為便宜,貨源也容易取得;即使在台灣這邊,也還是有許多玩家在交易這支管子,我也從朋友那邊取得一支,並且用耳機擴大機這樣的專案作為交換。相關的電路是參考網路的資料,並且結合下列網頁的設計:

參考網頁1

參考網頁2

圖 1電路圖

 

圖 2 真空管12AU7的外觀

12AU7這支真空管是雙包裝的三級管,這裡先不講它的參數計算;雖然在我的年代時,學校早就沒有教真空管設計了,但所幸我們有google以及世界上許許多多大方的前輩,將他們的知識散佈在網路上,所以我們還是可以稍微了解一下真空管的原理以及調校。這裡提到的三極管(triode)可以類比成N通道的JFET,因此我們可以在電路圖(圖 1)看到,標號V1的零件就是真空管12AU7,圖 2則展示它的外觀。

在真空管屏極(plate)與陰極(cathode)之間通常會施以高壓,當兩極之間沒有屏障的時候,電子會從陰極大量射向屏極,因此為了控制這道源自陰極到屏極的電子流,我們會在中間加上柵極(grid)並且加上幾伏特的負電壓,這樣就可以很有效率地控制流往屏極的電子流,進而達到電流放大的目的。

柵極與JFET閘極(gate)有同樣控制電流的功能,而且閘級也與JFET有同樣的落地的偏壓電阻R1,當屏極電壓施加上來的時候,流過屏-陰極的電流會在陰極的電阻上形成電壓,由於柵極的落地電阻不會有電流流過,因此柵極與陰極之間就會形成負偏壓,達到前面說所的控制目的。

2. 屏極

我們串接一個可變電組VR1,用來節制屏極電流;當柵極電阻不動的情況下,我們要藉由屏極的負載電阻VR1調節屏極電流,並且將屏極電壓調整至1/2 VCC;先將這組真空管線路定位在A類放大,並且工作點設定在1/2 VCC,也就是6V。當12AU7屏極工作在1/2 VCC的時候,我們預期它會有最大的電壓擺幅範圍。

3. 電路輸出

在電路中的輸出級,我們是利用MOSFET作為電流的放大,一部聲音的擴大機要具電壓以及電流的放大,我們前面使用12AU7作為電壓的放大,同時也是讓12AU7決定了音色與動態特性。而後級的設計,就以最保守的方式來考慮:我們讓MOSFET規劃在電壓隨耦器的配置,並且使用LM317作為定電流源負載,整體電路是A類放大。

4. 燈絲驅動

在真空管的燈絲驅動方面,我採取使用LM317定電流的方式驅動,並且跟前面的MOSFET電流驅動級一樣,都是採取low side的配置,或許這樣可以減少來自電源地線的共模訊號干擾。

5. 電源

電源的部分,我採用一般常見的變壓器插頭,或稱電壓適配器(AC/DC Adapter),搭配線性穩壓IC 7812以便達到擴大機需要的純淨直流。為了要使得7812能夠正常運作,在電壓適配器的規格必須使用15VDC。

在嘗試的過程中,我一度直接使用12DC的適配器,原本以為適配器的輸出是堪用的,但事實不然,第一次裝配時耳機傳來背景巨大的120Hz訊號聲,所以最後定案為使用穩壓IC,才能得到安靜的背景聲。

另外我也嘗試使用鹼性電池的驅動方式,由8顆三號電池組成的電池組(圖 3),可以讓擴大機得到前所未有的寧靜背景,但是由於我們是A類放大的設計,電流消耗超過400mA,所以整個聆聽過程只維持了一個半小時就結束了。

圖 3使用鹼性電池作為電源,可以得到前所未有的寧靜背景

實作說明

1. 焊接

在製作上,我使用萬孔板作為基礎,首先在萬孔板的中間鑽出一個洞,以便安裝真空管管座,然後根據電路圖將零件平均安插在萬孔板上。焊接時要注意佈線的邏輯,因為零件面與銅箔面顛倒的關係,尤其是電晶體與LM317的接腳編號不要錯亂。真空管的接腳編號在管座上面就有標注,按照電路圖的定義去焊接就可以了。另外有極性的電解質電容器也要注意極性。

圖 4 製作完成的真空管耳機擴大機

電路圖中的VR1與VR2是採用連動VR,焊接線路的時候要注意接腳的極性,一般來說順時針轉動VR應該是音量越大的設計,所以面對VR的方向來說,左邊的接腳接地,右邊的接腳接信號輸入,這樣就可以讓VR順時針轉動時聲音越大了。

2. 接電測試

焊接完成後(圖 4),用三用電表檢查個接點是否接妥、電源輸入的端點是否有短路,一切正常後就可以先在還沒安裝真空管之前先上電測試。先根據下列步驟測試,一旦步驟的量測不符合,就要斷電並檢查線路:

1.用三用電表電壓檔檢查7812的輸出是否有12V輸出。

2.用三用電表電流檔檢查真空管管座的4、5腳是否有接近250mA的電流。如果沒有就必須再檢查線路,這裡的電流是要供給真空管運作,務必力求穩定。

3.量測R5、R6的跨電壓落在25V。

3. 安裝與調校

接下來把電源斷開,然後安裝真空管上去。安裝真空管的時候要適當用力,如果管座的阻力很大很難安裝,可以先用工具把管座裡面的接點稍微撬開,讓真空管接腳可以安裝進去為止。

因為真空管是依靠管座接點的彈片固定的,因此管座的彈片會設計得稍微緊配。插入真空管時手指要平均抓握,適當用力將它插入。接著連上電,然後根據下列步驟進行調校,只要任何一個步驟無法調整,就須斷電檢查線路:

1.量測7812輸出,應該在5V~12.5V之間。

2.量測TP1同時調整VR3,務必使TP1電壓落在1/2 VCC。

3.量測TP2同使調整VR4,務必使TP2電壓落在1/2 VCC。

完成上述的量測與調校之後,就完成了偏壓的調整,這時候就可以連接輸入音源與耳機。注意耳機先不要配戴上去,以免爆音傷害耳朵,這是耳機聆聽最要注意的事情,一切都要以身體安全為前題。

4. 測試成果

接著開始播放音樂,並且緩緩戴上耳機,同時調整音量VR到聲音適當。如果這時候都沒有聽見任何聲音,就要先放下耳機然後斷電、檢查線路。音源的選擇可以先從電腦的音源輸出作測試,然後在電腦上點選自己喜歡的音樂播放。

如果開始聆聽到音樂那就恭喜你,能開始體會真空管擴大機帶來的音色,可適當轉動音量VR,看看音量的變化是否正常。由於每個人對於音色的體驗很主觀,但是就筆者的體驗來說,在使用Sennheiser HD25耳機的情況下,測試直推與搭配這組擴大機來聆聽,音色的確有明顯的差距,但這裡就不賣弄我差勁的文筆,留給各位朋友自己動手作後自行體會吧!

結語

雖然真空管的規格書,都標注需要高達百伏特的屏極電壓,但是在低電壓的情況下真空管還是可以動作,只是出廠規格並沒有測定這樣的使用條件,低的屏極電壓相對就是輸出的功率減低了。

至於規格書沒有標注的特性部分,其實可以看作是手做真空管專案的練習,不需要太在意,在不需要高電壓的情況下得到真空管音質,是這個專案的目的。我們將12AU7使用在耳機擴大機的場合,其實是利用真空管規格以外的條件,或許這部手做的耳機擴大機,會在你聆聽的時候帶來意想不到的樂趣!

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