12AU7 Grounded-Grid Preamplifier

計劃決定

主電路的設計與模擬

    後級有了, 下一步是前級了. 經過了幾次的經驗, 也走了不少冤枉路, 但結果是會令人更加謹慎的. 在做 5687SE 時不斷的改機的經歷真是痛苦, 最後雖然沒有留下它, 但如果能有東西能幫助事前的模擬, 那不就可以將程序簡化許多! 於是我找上了模擬軟體, 這些資料主要是在 Norman Koren 的音響網站中可以找到, 或者在 Duncan's Amp 也可以找到許多相關的資料。

    Norman Koren 主要是以 OrCAD 的 PSPICE 做為模擬軟體, 它有學生版 (試用版) 可以免費下載, 除了資料庫的限制 (一次最多可以使用十個資料庫, 扣除其本元件, 其實僅能使用兩個左右, 每個資料庫最多能有二十個元件) 之外, 它的功能對我們這種業餘人仕而言, 可以說是游刃有餘了.

圖一 12AU7 Grounded Grid 單一聲道電路圖 (註: 原線路圖的 R4 後供應左右聲道, 為 30k, 如是各聲道獨立, 則應為 60k. )

圖二 12AU7 Grounded Grid 的頻率響應 (-1db: 2.6506~387k172)

真空管穩壓電路的設計與模擬

    仿製沒什麼特別, 要有點不一樣, 雖然書上說電源供應不是很重要, 真的, 書上的電源供應很簡單; 電源變壓器經二極體倍壓整流後, 使用 C-R-C-R-Zener-C 架構是再簡單不過了.

    要有點不一樣僅有在電源供應上動手腳了. 既然愛聽真空管的聲音, 就使用真空管穩壓吧! 關於這個您可以在 TUBE CAD Journal 中找到真空管穩壓的介紹, 也可以看看 Steve's Tube Pages 中對真空管穩壓的介紹.

12AU7-GG 雙聲道	8mA
取樣元件	1mA	控制元件負荷電流=9mA
0B2	10mA
比較元件	1mA
6E5C	1mA	6X4 負荷電流=21mA

    6X4 在 200VAC 負載 20mA 時, 經 6X4-CAP 後大約可得 230VDC, 需降壓 30V, 才是我們要的 200VDC. 要使用那一個真空管管當控制元件呢? 我選擇 5687. 要注意的是工作點的電流是 "12AU7-GG的總電流" 加上 "取樣元件" , 不要包含 6E5C 的屏流與 0B2 的 10mA (就是將 0B2 與 6E5C 的屏極電路接在 5687 之前) , 如果再加上 0B2 的電流, 5687 的屏壓會提高, 使得輸出電壓下降. 這個工作點的效率不算好, 但是除非換個變壓器, 否則也就是這樣了.

圖三 RCA 6X4 的工作特性曲線圖

圖四 Tung-Sol 5687WA 特性曲線

圖五 5687WA 穩壓電路圖

圖六 5687WA 穩壓模擬

    整流後經過簡單的 C-R-C 濾波後, 進入控制元件 5687-A, 而 5687 的另一半 5687-B 則當做比較元件, 其 R2 是 5687-B 的屏阻, 理論上愈大愈好, 此工作點下的 5687 的屏內阻約 4k, 就取 30k 好了, 這樣 5687-B 的電流約 1mA. 負電源供應比正電源供應少了 6E5C 的電路, 其他一樣, 但輸出正電位要接到地線上.

    在此有一點要特別注意, 由於 5687 的燈絲-陰極電位差不得大於 100V, 所以正電源供應的 5687 第 8 支要接在 0B2 的屏極上, 而負電源供應的 5687 則不用.

    而由 R4 與 R5 所組成的取樣元件呢? 原則上, 其總電流不宜太大, 約 1mA 就行, 所以 R4+R5 的總和大約是 200k; 而 Vout=Vref*(1+R4/R5), Vout 為 200, Vref 為 108, 所以 R4/R5 約是 1/1, 大約是 R4=85k, R5=100k. 由於沒有 85k 的電阻, 而且穩壓管也有 +/- 5V 的差異, 所以我們可以設 R4=82k, 而在 R4 與 R5 中間接一個 10k 到 100k 的可變電阻, 我選擇的是 20k, 這樣取樣元件電流正好在設計的 1mA 範圍內.

    6AL5 每一屏極的最大電流為 9mA, 實做上可能會達到 10mA (兩邊共 20mA), 真空管通常很耐操, 而且 6AL5 一支也才 40 元, 就如此吧! 不然就使用單三極管然後將它接成二極管的模式也是可行的, 不過一方面管子太多, 另一方面也不是很經濟.

    另一個在設計時要注意的是 R3 的加入, 如果沒有 R3 的話, 經過 0B2 的電流約為 1mA, 這樣並無法使 0B2 工作, 必須加入 R3, 增加電流到 0B2 的工作電流 5~30mA, 所以最大可以使用 (230-108)/(0.005-0.001)=30k , 我選擇 20k 的電阻, 功率至少要 1W 以上, 此時 0B2 的電流約 7mA. 要注意 R3 最小不得小於 4k3 (此時電流約 28 mA) , 否則電流太大會燒毀 0B2.

燈絲穩流電路的設計與模擬

    一般人喜歡用穩壓線路來供應燈絲電流, 我卻喜歡使用 "穩流" 的方式. 先設計好穩定的電流輸出, 再確認電壓是否穩定. 理論上燈絲穩流線路是供應三支 12AU7 所使用, 一支 12AU7 的燈絲電壓 12.6V, 電流 0.15A, 並聯的話總電流為 0.45A, 使用 LM317T 就可以應付了, 但我相信 LT1085 5A 能支援更高的電流, 相對的也會帶來更好的聲音才對. 整流子是四支高速二極體 FR207, 最大電流 2A, 最大耐壓 1000V. 而在電子街找到的 Mallory LP 10000uF/40V 相信會是便宜又好用的東西.

    對於一部真空管前級, 燈絲穩壓也是非常重要的. 電路圖與佈線圖如下圖所示. 我們知道 Iout=1.25/R+Iadj, 而 Iout=0.45, Iadj 很小, 設計時可以先忽略; 因此我們計算出 R=1.25/0.45=2.78, 我使用 4 支電阻並聯, 阻值分別為 15, 15, 10, 8.2.

貓眼管電路的設計

圖九 6E5C 接腳圖
如果 6E5C 不做音量指示燈, 只要能完全亮, 只做電源指示燈的話, 是很簡單的. 電路圖如右. 注意陰極電阻 R3, 它是控制貓眼大小的, 如 B+=250, Eg=-7.5, It=2mA 時, R3=7.5/0.002=3k75, 要有開口的話, R3 就小一點. 由於在這的 B+ 約為 230, 所以使用 SVR, 開口大小自行調整.	圖十 6E5C 電路圖

材料準備

    這次從規劃到備料的時間約二個半月, 材料清單如下, (請參照圖七) :

前級主線路部分
V1, V2, V3	EH	12AU7	x3
V1, V2, V3 管座	ROYAL	9P Socket	x3
R1~R3, R5, R8~R14	Vishay Dale	RN60D	10R/ 3kx2/ 10kx4/ 20kx2/ 100kx2
R4, R6, R7	Philips	PR-03	30k/51kx2
C1	NCC	KMH	33uF/350V x4
C2, C3	CDE	WWP	1uF/400 x2
電源供應部分
電源變壓器	DIYZone	T30	x2
電源變壓器 (6X4, 6AL5, 5687)	中信	PT-20	x1
V+1, V-1	GE	6X4	x2
V+2, V-2	Sylvania	6AL5	x2
V+3, V-3	Philips	5687WA	x2
V+4, V-4	Sylvania	0B2WA	x2
7P 管座	EBY	7P Socket	x6
9P 管座	DZ	9P Socket	x2
R+1~R+3, R-1~R-3	2W	Resistors	100 x2, 10k x2, 30k x2
R+4, R+5, R-4, R-5	1/4W	Resistors	82k x2, 100k x2
VR+, VR-	可變電阻	RN20	20k x2
C+1, C-1	NCC	KMH	10uF/350V x2
C+2, C-2	Hitachi	HP3	33uF/350V x2
C+3, C+5, C-3, C-5	Rifa	PEH450	0.1uF/400 x4
C+4, C-4	NCC	KMH	100uF/450 x2
燈絲穩壓部分
C1	Mallory	LP	10000uF/40V x2
D1~D4	Diode	FR207	x4
IC1	LT1085 5A	LT1085 5A	x1
R1~R4	0.5W	Resistor	15, 15, 10, 8.2
C2, C4	WIMA	MKS04	0.1uF/63V x1
C3	Rubrycan	MKS04	100uF/50V x2
貓眼管部分
Magic Eye	OTK	6E5C	x1
R1, R2	0.25W	Resistor	1m x2
R3	SVR	Resistor	10k
機箱組件部分
RCA 端子	CMC	RCA 端子	x12
防突波電容	?	?	104/630V x1
波段開關 (電源開關)	日製	三段, 12 接點	x1
波段開關 (輸入選擇)	英製, 銀接點	六段, 12 接點	x1
波段開關 (負回饋選擇)	日製	雙層, 四段, 12 接點	x1
搖頭開關 (輸出選擇)	?	二段, 6 接點	x1
音量控制	DIYZone	23 級進式電位衰減器	x1
金質旋鈕	DIYZone	金質旋鈕	x4
電源座	?	三孔電源座	x1
機箱	DIYsong	鋁質前級機箱	x1
機箱墊	DIYsong	小型機箱墊	x4
鋁板		420x70x1mm 鋁板	x1

實際著手

整體佈局的規劃

    最令人頭痛的機箱的問題, 最早先規劃的電源供應是依原廠機而訂的, 加上三支 12AU7 的溫度不算高, 所以選用阿魯米計劃的前級機箱, 將全部的零件裝進機箱中, 沒有真空管外露. 後來決定改用真空管穩壓, 開完笑, 十一支真空管擠在一個 310x430x80mm 的機箱中, 散熱的問題會變得很頭痛, 最好的方法還是鑽孔位吧!

    先用 SmartDraw 規劃出整個佈局, 圖十是仰視圖; 變壓器在右邊, 訊號在左後方, 訊號選擇與音量控制放在左後側, 中間前面是貓眼管, 前面右邊是燈絲穩流模組, 電源穩壓部份是在正中間的位置, 而主前級線路則在中後方. 原則上是如此. 另外想用鋁板來將訊號與電源, 前級分隔開, 再使用延長桿將音控, 訊源選擇, 負回饋選擇三個開關移到後方. 這有個好處, 一方面訊源不會受熱的影響, 另一方面也不會受到電流磁場所帶來的干擾. 因此打算到建國市場 6mm 銅條與內徑 6mm 的銅/鋁管, 來進行改裝.

    圖十二是面板與後面板的規劃圖. 貓眼管在正中央, 其他從右到左依序為電源旋鈕, 負回饋選擇旋鈕, 訊源選擇旋鈕, 音量控制旋鈕. 共使用四個 DIYZone 的金色噴砂旋鈕. 後面依序是電源, 輸出一, 輸出選擇, 輸出二, 輸入端四組.

機箱開孔

    首先這是最痛苦的差事, 如果要省事的話, 用中心沖定位之後, 註明所須孔距, 交給工廠鑽孔就行了, 但對於一個長久的 DIY 而言卻是最不經濟的方式, 尤其是真空管的機器常需要開孔裝管子. 就在這個因素下, 買了一臺中型的鑽臺, 可鑽距離約十公分, 費用 1700, 贈品為一組含鈷鑽尾, 是在建國市場買的. 又買了圓穴鋸, 尺寸為 15mm (7P), 20mm (9P), 28mm (8P), 一個 6~30mm 的擴孔錐, 9mm 與 10mm 的鑽尾 (RCA, 開關等) , 中心沖以及修邊刀. 這些東西合約 2000 元, 但卻是花一次就不必再花的東西.

    原本以為設想周道, 問題來了, 中間的四個圓孔挖不到, 用電鑽會整支手發麻, 於是想了個最根本的解決之道, 就挖這一次, 以後要做更動就使用替換板, 那就挖大一些吧! 使用 28mm 圓孔鋸, 挖了十一個洞, 加上每個孔固定的四個縲絲, 四十四個孔, 這樣花了我好長一段時間.

燈絲穩壓電路製作

    設計好電路後使用 EAGLE 繪製電路板, 這個電路小東西太多, 如果用搭棚的話, 既不好看又費工, 還是用 PBC 吧!

貓眼管線路的製作與安裝

DZ 的 6E5C 有附小電路板, 直接將 6E5C 焊上, 就三個電阻, 也是用搭棚的方式接上.

    使用 L 形鐵片固定 6E5C 的位置.

穩壓電源的製作與安裝

    使用的線材為 1.0mm 單芯鍍銀線做為主線路, 1.0mm 多芯鍍銀線雙股纏繞做為燈絲線路, 1.6mm 單芯銅線做為地線. 以電阻為主軸拉線, 多餘的線剪掉, 不足的使用單芯鍍銀線補長. 電容則將就在有限的空間, 除了 NCC MKH 100uF/450V 比較重, 另行固定外, 其餘皆可穩個無虞. 走線的原則以橫, 直為主, 線路的交錯方向為垂直.

    兩支 6X4, 5687, 6AL5 各自串聯, 分別使用三組 12VAC 供電.

    正電源部份 (上圖右方) 的 5687 第八腳要連接第七腳, 防止陰極到燈絲電位差太大而跳火. 負電源部份則可不必.

    正電源部份完成後, 上電, 測量電壓輸出端與地線間的電位, 調整可變電阻到輸出電壓為 200V.

    整個線路的地線在此接於機箱, 電源的地線也接於此 (拍的時候未裝) .

12AU7GG 主線路的安裝

    12AU7-GG 的主線路很簡單, 完成度很高, 要出聲非常容易. 最頭痛的電流聲的去除. Audio Reality 上有說明, 輸入端的地線要先接一支 10 歐姆的電阻再接機箱. 地線不也是接機箱? 莫非它是懸空的? 先做再 Debug.

    Dale RN60D 的長度正好可以橫跨兩個 12AU7.

    12AU7-GG V3 (CCS) 的另一個角度.

    輸出電容 CDE WWP 與負回饋選擇線路.

    訊源輸入與級進音量控制. 注意左上方的 R1 (10R) , 原本是跨接到右方的訊號輸出地線再接地, 結果雜訊非常大, 再將它直接接到機箱, 雜訊變小了. 但手觸摸到機箱時, 雜訊又來了, 最後將電源的地線也接上, 一切 OK!

    針對地線的問題, 我做過一些嘗試, 提供大家參考: (GND 表示機箱上的接地點)

訊源輸入 -> 10R -> 訊號輸出 -> GND	雜訊非常大
訊源輸入 -> 10R -> 機箱 <-> GND	手觸機箱產生雜訊
訊源輸入 -> 10R -> 機箱 <-> GND <-> 電源地線	安靜
訊源輸入 -> 10R <-> GND <-> 電源地線	些微雜訊

    整部機器的內視圖. 最後我在電源處並上一個 0.1uF/630V 的高壓電容, 用來降低開機電壓的脈衝. 也將電源地線拉到機箱的接地點. 右方是亂亂的變壓器區. 當初為了測試方便線留長了些, 綁來綁去還是亂.

    現在可以享受美好的音樂了.

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