Wzmacniacz lampowy zasilany bateryjnie: 4 kroki (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Wzmacniacze lampowe są uwielbiane przez gitarzystów ze względu na przyjemne zniekształcenia, jakie wytwarzają.

Ideą stojącą za tym nieskonfigurowalnym jest zbudowanie wzmacniacza lampowego o niskiej mocy, który można również nosić ze sobą, aby grać w podróży. W erze głośników bluetooth nadszedł czas na zbudowanie przenośnych, zasilanych bateryjnie wzmacniaczy lampowych.

Krok 1: Wybierz lampy, transformatory, baterie i zasilanie wysokonapięciowe

Rury

Ponieważ pobór mocy we wzmacniaczach lampowych jest ogromnym problemem, wybór odpowiedniej lampy może oszczędzić sporo energii i wydłużyć godziny grania między ładowaniami. Jakiś czas temu istniały lampy zasilane bateryjnie, które zasilały od małych radioodbiorników po samoloty. Ich wielką zaletą był wymagany niższy prąd żarnika. Zdjęcie przedstawia porównanie trzech lamp zasilanych bateryjnie: 5672, 1j24b, 1j29b oraz miniaturowej lampy stosowanej w przedwzmacniaczach gitarowych EF86

Wybrane tuby to:

Przedwzmacniacz i PI: 1J24B (prąd żarzenia 13 mA przy 1,2 V, 120 V maks. napięcie płyty, wyprodukowany w Rosji, niedrogi)

Zasilanie: 1J29B (prąd żarnika 32 mA przy 2,4 V, maks. napięcie płyty 150 V, produkcja rosyjska, niedrogie)

Transformator wyjściowy

Dla takich niższych ustawień mocy można zastosować tańszy transformator. Niektóre eksperymenty z transformatorami liniowymi pokazały, że sprawdzają się one całkiem dobrze w mniejszych wzmacniaczach, gdzie dół nie jest priorytetem. Ze względu na brak szczeliny powietrznej transformator lepiej pracuje w trybie push-pull. Wymaga to również większej liczby kranów.

Transformator liniowy 100 V, 10 W z różnymi odczepami

(0-10W-5W-2,5W-1,25W-0,625W i na wtórnym 4, 8 i 16 omów)

Na szczęście transformator, który otrzymałem, miał również określoną liczbę zwojów na uzwojenie, w przeciwnym razie konieczna byłaby matematyka, aby zidentyfikować odpowiednie odczepy i najwyższą dostępną impedancję. transformator miał następującą liczbę zwojów na każdym odczepie (od lewej):

725-1025-1425-2025-2925 na pierwotnym i 48-66-96 na wtórnym.

Tutaj widać, że kran 2,5W jest prawie pośrodku, z 1425 zwojami po jednej stronie i 1500 po drugiej. Ta niewielka różnica może być problemem w niektórych większych wzmacniaczach, ale tutaj tylko doda zniekształcenia. Teraz możemy użyć odczepów 0 i 0,625 W dla anod, aby uzyskać najwyższą dostępną impedancję.

Stosunek zwojów pierwotnych do wtórnych służy do oszacowania impedancji pierwotnej jako:

2925/48 = 61, z głośnikiem 8 omów daje to 61^2 *8 = 29768 lub około. 29,7k anoda do anody

2925/66 = 44, z głośnikiem 8 omów daje to 44^2 *8 = 15488 lub około. 15,5 tys. anoda do anody

2925/96 = 30, z głośnikiem 8 omów daje to ^2 *8 = 7200 lub około. 7.2k anoda do anody

Ponieważ zamierzamy przeprowadzić to w klasie AB, impedancja, którą faktycznie widać lampa, wynosi tylko 1/4 obliczonej wartości.

Zasilanie wysokiego napięcia

Nawet te małe lampy wymagają również wyższych napięć na płytach. Zamiast używać kilku baterii szeregowo lub używać tych ogromnych starych baterii 45 V, użyłem mniejszego zasilacza impulsowego (SMPS) opartego na chipie MAX1771. Dzięki temu zasilaczowi jestem w stanie bez problemu zwielokrotnić napięcie pochodzące z akumulatorów do wartości nawet 110V.

Baterie

Akumulatory wybrane do tego projektu to akumulatory Li-Ion, łatwo dostępne w opakowaniu 186850. W Internecie dostępnych jest kilka płyt ładujących. Ważną uwagą jest kupowanie tylko znanych dobrych baterii od zaufanych sprzedawców, aby uniknąć niepotrzebnych wypadków.

Teraz, gdy części są już z grubsza zdefiniowane, nadszedł czas, aby rozpocząć pracę nad torem.

Krok 2: Praca nad obwodem

Filamenty

Do zasilania żarników lamp wybrano konfigurację seryjną. Istnieją pewne trudności, które należy omówić.

• Ponieważ przedwzmacniacz i lampy mocy mają różne prądy żarzenia, rezystory zostały dodane szeregowo z niektórymi żarnikami, aby ominąć część prądu.
• Napięcie baterii spada podczas użytkowania. Każdy akumulator ma początkowo 4,2 V po pełnym naładowaniu. Szybko rozładowują się do wartości nominalnej 3,7V, gdzie powoli spadają do 3V, kiedy trzeba je doładować.
• Lampy posiadają katody żarzone bezpośrednio, co oznacza, że prąd płytki przepływa przez żarnik, a ujemna strona żarnika odpowiada napięciu katodowemu

Schemat żarnika z napięciami wygląda tak:

bateria(+) (8,4 V do 6 V) -> 1J29b (6 V) -> 1J29b // 300 omów (3,6 V)-> 1J24b // 1J24b // 130 omów (2,4 V)-> 1J24b // 1J24b // 120 omów (1,2 V) -> 22 omów -> Akumulator (-) (GND)

gdzie // reprezentuje konfigurację równoległą i -> szeregowo.

Rezystory omijają dodatkowy prąd żarników i prąd anodowy płynący na każdym etapie. Aby poprawnie przewidzieć prąd anodowy należy narysować linię obciążenia sceny i wybrać punkt pracy.

Szacowanie punktu pracy lamp mocy

Lampy te są dostarczane z podstawowym arkuszem danych, w którym krzywe są wykreślane dla napięcia siatki ekranu 45V. Ponieważ interesowała mnie najwyższa moc, jaką mogłem uzyskać, zdecydowałem się uruchomić lampy mocy na 110V (przy pełnym naładowaniu), znacznie powyżej 45V. Aby przezwyciężyć brak użytecznego arkusza danych, próbowałem zaimplementować model przyprawowy dla lamp za pomocą paint_kip, a później zwiększyć napięcie siatki ekranu i zobaczyć, co się stanie. Paint_kip to fajny program, ale wymaga pewnych umiejętności, aby znaleźć prawidłowe wartości. Z pentodami wzrasta również poziom trudności. Ponieważ chciałem tylko przybliżonego oszacowania, nie spędziłem dużo czasu na szukaniu dokładnej konfiguracji. Stanowisko testowe zostało zbudowane w celu przetestowania różnych konfiguracji.

Impedancja OT: 29k płyta do płyty lub około. 7k dla pracy w klasie AB.

Wysokie napięcie: 110 V

Po kilku obliczeniach i testach można było określić napięcie polaryzacji sieci. Aby osiągnąć wybrane nastawienie siatki, rezystor upływu siatki jest podłączony do węzła żarnika, w którym występuje różnica między napięciem węzła a ujemną stroną żarnika. Na przykład pierwszy 1J29b ma napięcie B+ 6V. Po podłączeniu rezystora upływu sieci do węzła pomiędzy stopniami 1J24b, przy 2,4 V, wynikowe napięcie sieci wynosi -3,6 V w stosunku do linii GND, co jest taką samą wartością jak po ujemnej stronie żarnika drugiego 1J29b. Tak więc rezystor upływu sieci drugiego 1J29b może przejść do masy, tak jak normalnie w innych konstrukcjach.

Falownik fazowy

Jak widać na schemacie, zastosowano falownik fazy parafazowej. W tym przypadku jedna z lamp ma wzmocnienie jednostkowe i odwraca sygnał dla jednego ze stopni wyjściowych. Drugi stopień działa jak normalny stopień wzmocnienia. Część zniekształceń powstających w układzie pochodzi z odwracacza fazy, który traci równowagę i napędza jedną lampę mocy mocniej niż drugą. Dzielnik napięcia między stopniami został dobrany tak, aby występowało to tylko przy ostatnich 45 stopniach głośności wyjściowej. Rezystory zostały przetestowane, podczas gdy obwód był monitorowany za pomocą oscyloskopu, gdzie można było porównać oba sygnały.

Etap przedwzmacniacza

Ostatnie dwie lampy 1J24b składają się z układu przedwzmacniacza. Oba mają ten sam punkt pracy, ponieważ włókna są równoległe. Rezystor 22 omów między żarnikiem a uziemieniem podnosi napięcie po ujemnej stronie żarnika, dając niewielkie ujemne odchylenie. Zamiast wybierać rezystor płytkowy i obliczać punkt polaryzacji oraz niezbędne napięcie katody i rezystor, tutaj rezystor płytowy został dostosowany zgodnie z pożądanym wzmocnieniem i polaryzacją.

Po obliczeniu i przetestowaniu układu nadszedł czas na wykonanie dla niego płytki drukowanej. Do wykonania schematu i PCB użyłem Eagle Cad. Mają darmową wersję, w której można użyć do 2 warstw. Ponieważ miałem zamiar sam wytrawić deskę, nie ma sensu używać więcej niż 2 warstw. Aby zaprojektować płytkę PCB najpierw trzeba było stworzyć również szablon dla lamp. Po kilku pomiarach udało mi się zidentyfikować prawidłowe odstępy między pinami a pinem anodowym na górze lampy. Mając gotowy układ, nadszedł czas, aby rozpocząć prawdziwą budowę!

Krok 3: Lutowanie i testowanie obwodów

SMPS

Najpierw przylutuj wszystkie elementy zasilacza impulsowego. Do poprawnego działania potrzebne są odpowiednie komponenty.

• Niska rezystancja, wysokonapięciowy Mosfet (IRF644Pb, 250 V, 0,28 oma)
• Niski ESR, cewka wysokoprądowa (220uH, 3A)
• Niski ESR, kondensator zbiornika wysokiego napięcia (10 uF do 4,7 uF, 350 V)
• Rezystor 0,1 om 1 W
• Ultraszybka dioda wysokiego napięcia (UF4004 dla 50ns i 400V lub jakakolwiek szybsza dla >200V)

Ponieważ używam układu MAX1771 na niższym napięciu (8,4V do 6V) musiałem zwiększyć cewkę do 220uH. W przeciwnym razie napięcie spadnie pod obciążeniem. Gdy SMPS jest gotowy przetestowałem multimetrem napięcie wyjściowe i ustawiłem je na 110V. Pod obciążeniem trochę spadnie i wymagana jest ponowna regulacja.

Obwód rurowy

Zacząłem lutować zworki i komponenty. Tutaj ważne jest, aby sprawdzić, czy zworki nie dotykają nóg elementów. Rurki zostały przylutowane po stronie miedzi po wszystkich pozostałych elementach. Po zlutowaniu wszystkiego mogłem dodać zasilacze impulsowe i przetestować obwód. Po raz pierwszy sprawdziłem też napięcie na płytkach i ekranach lamp, żeby mieć pewność, że wszystko jest OK.

Ładowarka

Obwód ładowarki kupiłem na ebayu. Opiera się na układzie TP4056. Użyłem DPDT do przełączania między szeregową i równoległą konfiguracją akumulatorów i połączeniem z ładowarką lub płytką drukowaną (patrz rysunek).

Krok 4: Obudowa, grill, płyta czołowa i wykończenie

Pudełko

Do pakowania tego wzmacniacza zdecydowałem się użyć starszego drewnianego pudełka. Każda drewniana skrzynka by się sprawdziła, ale w moim przypadku miałem naprawdę dobrą skrzynkę z amperomierzem. Amperomierz nie działał, więc mogłem przynajmniej uratować skrzynkę i zbudować w niej coś nowego. Głośnik został przymocowany z boku za pomocą metalowej kratki, która umożliwia schłodzenie amperomierza podczas użytkowania.

Rurka grilla

Płytka z lampami została zamocowana po przeciwnej stronie głośnika, gdzie wiercę otwór, aby lampy były widoczne z zewnątrz. Do ochrony lamp wykonałem mały grill z blachy aluminiowej. Robię szorstkie ślady i wiercę mniejsze otwory. Wszystkie niedoskonałości zostały skorygowane w fazie szlifowania. Aby dać dobry kontrast z panelem przednim, pomalowałem go na czarno.

Płyta czołowa, szlifowanie, transfer tonera, trawienie i ponowne szlifowanie

Płyta czołowa została wykonana podobnie jak płytka drukowana. Zanim zacząłem, przeszlifowałem blachę aluminiową, aby uzyskać bardziej chropowatą powierzchnię dla tonera. 400 jest w tym przypadku wystarczająco szorstkie. Jeśli chcesz, możesz iść do 1200, ale to dużo szlifowania, a po wytrawieniu będzie jeszcze więcej, więc pominąłem to. Usuwa to również wszelkie wykończenie, które wcześniej miał arkusz.

Wydrukowałem lustrzany panel czołowy drukarką tonerową na błyszczącym papierze. Później rysunek przeniosłem zwykłym żelazkiem. W zależności od żelazka istnieją różne optymalne ustawienia temperatury. W moim przypadku to drugie ustawienie, tuż przed max. temperatura. Przenoszę go w ciągu 10 min. ok., aż papier zacznie żółknąć. Poczekałem, aż ostygnie i zabezpieczyłem tył płytki lakierem do paznokci.

Istnieje możliwość po prostu rozpylenia tonera. Daje również dobre wyniki, jeśli możesz usunąć cały papier. Do usuwania papieru używam wody i ręczników. Tylko uważaj, aby nie usunąć tonera! Ponieważ projekt tutaj był odwrócony, musiałem wytrawić płytę czołową. Jest krzywa uczenia się w wytrawianiu i czasami twoje rozwiązania są mocniejsze lub słabsze, ale ogólnie, gdy wytrawianie wydaje się wystarczająco głębokie, nadszedł czas, aby przestać. Po wytrawieniu szlifowałem od 200 do 1200. Normalnie zaczynam od 100, jeśli metal jest w złym stanie, ale ten był potrzebny i był już w dobrym stanie. Zmieniam ziarno papieru ściernego z 200 na 400, 400 na 600 i 600 na 1200. Potem pomalowałem na czarno, odczekałem jeden dzień i ponownie przeszlifowałem ziarnem 1200, aby usunąć nadmiar farby. Teraz wywierciłem otwory na potencjometry. Do wykończenia użyłem lakieru bezbarwnego.

Ostatnie poprawki

Baterie i części zostały przykręcone do drewnianej skrzynki po ustawieniu płyty czołowej, od strony głośnika. Aby znaleźć najlepszą pozycję SMPS, włączyłem go i zweryfikowałem, gdzie obwód audio byłby mniej naruszony. Ponieważ płytka drukowana jest znacznie mniejsza niż pudełko, odpowiednie odstępy i prawidłowa orientacja wystarczyły, aby szum EMI był niesłyszalny. Przegroda głośnika została następnie przykręcona i wzmacniacz był gotowy do gry.

Kilka rozważań

Przy końcówkach akumulatorów zauważalny spadek głośności, wcześniej go nie słyszałem, ale mój multimetr pokazał, że wysokie napięcie spadło z 110V do 85V. Spadek napięcia grzałek również maleje wraz z akumulatorem. Na szczęście 1J29b działa bez problemu, dopóki żarnik nie osiągnie 1,5V (przy ustawieniu 2,4V 32mA). To samo dotyczy 1J24b, gdzie spadek napięcia obniżył się do 0,9 V, gdy akumulator był prawie rozładowany. Jeśli spadek napięcia jest dla Ciebie problemem, istnieje możliwość zastosowania innego układu MAX do konwersji na stabilne napięcie 3,3V. Nie chciałem go używać, ponieważ byłby to kolejny zasilacz impulsowy w tym obwodzie, który mógłby wprowadzić dodatkowe źródła szumów.

Biorąc pod uwagę żywotność baterii, mogłem grać cały tydzień, zanim musiałem ją ponownie naładować, ale gram tylko od 1 do 2 godzin dziennie.