Phần 1 : Cơ bản
Đèn điện tử đã và đang trở thành một xu hướng phổ biến trong giới âm thanh DIY. Đèn điện tử cho phép sử dụng những kiểu mạch điện đơn giản, dễ làm, không cần đến tản nhiệt và mạch in, mà lại mang lại những âm thanh tuyện vời. Đương nhiên, việc làm được cái gì đó bằng công nghệ của những năm 30 để ganh đua với những thiết bị thương mại đắt tiền là sự hấp dẫn không thể cưỡng lại được. Hơn nữa, việc tự làm bao giờ chẳng tuyệt vời hơn là đi sắm những thứ bán sẵn bởi vì cái mà các bác tự làm sẽ luôn luôn hát hay hơn cái mà các bác khuân ở tiệm về.
Em muốn giới thiệu ở đây một quá trình dễ dàng để thiết kế và thực hiện một chiếc ampli đèn đơn giản. Kết quả mà em muốn có được là một thiết kế và danh mục linh kiện của một chiếc ampli mà bất cứ ai cũng có thể thực hiện được miễn là bác đó có thể chỉ cho em đâu là đầu nóng và đầu nguội của cái mỏ hàn. Và cũng
có thể với một chút may mắn, các bác thợ tập hàn này có thể phát triển những ý tưởng trình bày ở đây vào những thiết kế của chính mình.
Miễn trách: Không, em không phải cao thủ! em chỉ vừa mới học được tí xíu, vừa đủ để vẽ lên cái mớ này. Còn quá nhiều thứ mà em không biết. Em thực sự là không đủ tư cách để viết về vấn đề này. Tuy nhiên quá trình học hỏi để có được chừng đó kiến thức cơ bản thực sự là vất vả. Vì thế, mong muốn của em là cung cấp cho các bác ưa tò mò một tí kiến thức gọi là, nhằm nâng sự hiểu biết của các bác lên một mức cần thiết để có thể hấp thu được khối lượng thông tin khổng lồ sẵn có trên mạng về mấy thứ gọi là ampli đèn điện tử này.
Cái này mới thực sự là miễn trách: Đèn điện tử thì ưa điện áp cao còn bản thân các bác thì không. Chớ có nhầm lẫn hai thứ đó nếu không các bác có thể sớm lên nóc tủ. Em không định bảo các bác phải làm thế nào để đảm bảo an toàn. Em chỉ dám bốc phét sơ sài về âm thanh thôi. Bởi vì như thế cùng lắm em chỉ làm cho mấy cái đĩa của các bác kêu dở ẹch. Chứ em mà khuyên qua loa về kiến thức an toàn chỉ tổ làm cho các bác lên nóc tủ nhanh hơn còn em thì ra toà. Vì thế, các bác chịu khó ngâm cứu thật cẩn thận các thao tác an toàn khi làm việc với điện cao áp. Các bác có thể tham khảo hướng dẫn an toàn của Bottlehead
tại: http://www.bottlehead.com/loosep/Safety.htm. Ít ra thì cái công ty đó cũng có những luật sư. Hy vọng là việc tham chiếu đến hướng dẫn an toàn của nó có thể giúp em tránh được chút rắc rối.
Thôi ta vào việc chính nào... [Đèn điện tử là gì?]
Bóng đèn điện tử đơn giản nhất – bóng ba cực- cấu tạo bởi bốn thành phần – dương cực, lưới, âm cực, và
dây tóc. (Đôi khi âm cực cũng chính là cái dây tóc luôn – cái này gọi là Đèn ba cực Đốt Trực tiếp DHT- hehe, nếu dùng tiếng Việt nó phải là DDT chứ nhể, mà thôi, tiếng Anh đầy đủ của nó là Directly Heated Triode).
Trong những ampli điển hình như cái mà em đang nói ở đây, Dương cực (còn gọi là Anode) được cấp điện áp dương. Hãy nghĩ rằng nó đang rất thiếu điện tử. Các hạt điện tử như nước ở ao - nếu các bác múc đi một ít, nước ở chỗ khác sẽ ào đến để lấp đầy phần bị lấy đi.
Âm cực (cathode) của bóng ba cực được cấp điện áp thấp hơn nhiều, do đó dư dả điện tử hơn nhiều so với
Dương cực. Các hạt điện tử này muốn nhảy qua khoảng không giữa Dương cực và Âm cực. Cái ngăn chúng lại chính là điện cực Lưới - grid (còn gọi là màn chắn – screen – vì thực sự cấu tạo của nó rất giống cái một cái màn chắn).
Lưới được cấp điện áp âm. Âm với Âm thì phải ủn nhau - do đó Lưới ép điện tử đi ngược trở lại Âm cực. Dây tóc chỉ làm một việc là đốt nóng cái đèn lên để cung cấp năng lượng cho các hạt điện tử đến trạng thái
mà chúng có thể dễ dàng bay nhảy lung tung trong cái bóng đèn. Dây tóc còn có tên khác là sợi đốt – heater. Tuỳ các bác thích gọi thế nào cũng được!
Vậy điều gì xảy ra khi thay đổi điện áp cấp cho Lưới? Nếu ta làm cho điện áp bớt âm đi một chút, nó sẽ cho các hạt điện tử bay qua để đi từ Âm cực đến Dương cực. Còn nếu ta làm cho điện áp Lưới âm nhiều hơn một chút, thì ít hạt điện tử hơn có thể bay qua để đi từ Âm cực đến Dương cực. Để cho cái thứ đơn giản tuyệt vời này trở thành một cái ampli, ta chỉ việc thiết lập sao cho khi không có tín hiệu cấp vào Lưới thì chỉ có một dòng điện rất nhỏ truyền qua giữa Âm cực và Dương cực. Sau đó, ta cấp một tín hiệu xoay chiều nhỏ (tín hiệu AC – chính là âm nhạc đấy ạ) cho Lưới. Khi tín hiệu xoay chiều làm cho điện áp Lưới dương hơn, các hạt điện tử nhảy từ Âm cực sang Dương cực tạo ra sự biến đổi dòng tương ứng với tín hiệu dương. Khi tín hiệu xoay chiều làm cho Lưới âm đi một chút, các hạt điện tử bị ngăn không tới được Dương cực,
làm cho dòng điện giảm đi tương ứng. Các kết quả này tạo ra một tín hiệu xoay chiều lớn ở Dương cực (tiếng hát to hơn).
Tuyệt! thế là em và các bác đã biết cách làm thế nào để biến âm thanh be bé trở thành dữ dội hơn rồi. Nào, hãy bắt đầu chế tạo cái thực hiện việc đó.
Điểm công tác và Đường tải (Load lines)
Việc mà em và các bác cần làm là đặt cái đèn vào những điều kiện sao cho có một dòng điện vừa đủ chạy giữa Âm cực và Dương cực. Đó gọi là dòng phân cực (bias current). Trạng thái của đèn khi không khuếch đại tín hiệu xoay chiều được gọi là điểm tĩnh (quiescent point), điểm phân cực (bias point), hay điểm công tác (operating point) của đèn. (Ối giời, sao mà em ghét mấy cái từ kỹ thuật này thế). Thách thức ở đây là việc đặt đèn vào đúng điểm sao cho đèn có thể khuếch đại được toàn bộ tín hiệu mà không bị mất một phần tín hiệu dương hoặc âm. Tín hiệu chỉ được khuếch đại về hai phía âm dương đến một mức nào đó trước khi bị xén, tức là dạng sóng tín hiệu bị chặt bớt đỉnh và đáy do đèn đã đạt đến giới hạn của nó ở phía đó. Vậy làm thế nào để xác định điểm công tác của đèn? Như phần lớn những việc khác trên đời, có cả cách dễ và cách khó để đạt được điều này. Cách dễ nhất là kiếm trong cả đống tài liệu hướng dẫn sử dụng đèn và chọn lấy một điểm công tác được nêu trong đó. Cách khó hơn là kiếm được 1 bản copy cái đồ thị đặc tuyến của đèn rồi dùng cái đó để tìm điểm công tác mà các bác muốn.
Nhưng trước khi chọn điểm công tác, các bác phải chọn một cái đèn đã. Tốt nhất là chọn một cái đèn nào đó tương đối phổ biến và dễ mần. Em định chọn một cáo đèn ba cực như 2A3 vì chất âm quyến rũ và rất phổ biến trong giới DIY, nhưng em lại không muốn các bác rối tung lên với những thứ rắc rối liên quan tới việc sử dụng đèn 3 cực đốt trực tiếp. Mà em lại chẳng nghĩ ra được cái đèn 3 cực đốt gián tiếp nào phổ thông cả. Em cũng có thử cái 6S4 trong vài dự án rồi nhưng mà nó không thông dụng lắm. Thực ra đèn thông dụng toàn là những cái đèn dùng trong ampli guitar. Tụi này chủ yếu là đèn 5 cực (nó có những 3 lưới, đèn 3 cực có 3 thành phần, đèn 5 cực có tận 5). Tuy nhiên có cách để bắt cái đèn 5 cực hoạt động như đèn 3 cực. Chỉ việc nối 1 cái Lưới vào Dương cực. Cái này gọi là chế độ 3 cực. Chất âm của đèn 5 cực nối theo chế độ 3 cực được cho là hơi lồi hơn so với đèn 3 cực thực sự, có nghĩa là phần trung âm hơi rõ hơn. Em thấy chất âm của 6V6 mắc kiểu 3 cực cũng tương đối. Mà 6V6 lại rất phổ thông. Nó được dùng trong hầu hết các ampli guitar của Fender. Nhiều hệ thống cổ cũng sử dụng 6V6. Hơn hết, hiện nay bóng 6V6 được bán rộng rãi cả mới sản xuất lẫn hàng cũ tồn kho chưa sử dụng (NOS) nên giá cả cũng dễ chấp nhận. Các bác có thể dễ dàng kiếm được vài quả 6V6 trong các cửa hàng bán đèn điện tử loanh quanh đâu đó. Vậy ta sẽ dùng đèn 6V6 mắc kiểu 3 cực và về cơ bản từ nay cứ coi như nó là 1 cái đèn 3 cực. Rồi, ta sẽ bắt đầu từ đâu nhỉ? Cách dễ nhất để thiết kế một cái ampli chỉ đơn giản là tìm các đặc tính hoạt động điển hình của cái đèn mà ta định sử dụng. Dưới đây là dữ liệu của 6V6 trong chế độ 3 cực.
Các bác có thể tham khảo toàn bộ thông số kỹ thuật của đèn 6V6
tại http://boozhoundlabs.com/howto/pdf/6V6GT.pdf hay nguồn nào đó trên internet.
Điểm công tác của đèn được xác định bởi điện áp dương cực và dòng phân cực đi qua đèn. Cái này gọi là áp Dương cực và dòng Dương cực (Ea, Ia). Xem bảng trên ta thấy 6V6 làm việc tại Ea = 250V và Ia = 49.5mA. Lát nữa em và các bác sẽ xem làm cách nào để xây dựng 1 mạch điện sao cho cái đèn hoạt động đúng với những điều kiện này. Trước tiên hãy xem làm cách nào để xác định điểm công tác dựa trên bảng đồ thị đặc tuyến dương cực của đèn. Điều này giúp cho ta hiểu rõ hơn chính xác cái gì đang xảy ra trong ampli. Và ta sẽ có thể thiết kế một cái ampli dựa trên những đèn mà ta chỉ có mỗi cái bảng đồ thị đặc tuyến dương cực này.
Các bác có thể tìm thấy bảng đặc tuyến dương cực của hầu hết các loại đèn trong một quyển sách hướng dẫn nào đó bán đầy ngoài chợ. Nguồn dữ liệu trực tuyến tốt nhất có thể là Tube Data Sheet
Ta đang nhìn vào cái gì ở đây? Trục hoành là điện áp Dương cực và trục tung là dòng Dương cực, vậy điểm công tác nói trên chính là 1 điểm nằm trên đồ thị này. Các đường cong trên đồ thị là tập điện áp Lưới thích hợp với từng cặp Ea và Ia. Nếu các bác tìm điểm Ea: 250V và Ia: 49.5mA, các bác sẽ thấy nó rơi vào khoảng giữa của 2 đường -10V và -15V. Chú ý rằng ở bảng dữ liệu phía trên, ta đã có điện áp lưới 1 là -12.5V. Có thể hiểu đây là điện áp Lưới – Âm cực, tức là Lưới có điện áp -12.5V tương quan với Âm cực (điện áp ở Lưới thấp hơn 12.5V so với Âm cực).
Bây giờ hãy bắt đầu bước tiếp theo, đó là vẽ một đường tải trên bảng đặc tính Dương cực. Đường tải là một cách để biểu diễn trực quan việc xảy ra khi một tín hiệu xoay chiều được cấp cho Lưới và được khuếch đại ở Dương cực.
Đây là điểm công tác 250V/49.5mA và đường tải tương ứng cho trở kháng ra là 5K. Cái chấm to đậm chính là điểm công tác. Cái đường thẳng chạy ngang qua điểm công tác là đường tải. Độ dốc của đường tải được xác định bởi trở kháng của tải mà đèn phải kéo. Ở đây, tải là một cái biến áp xuất âm (OPT) 5K. Độ dốc của đường tài được tính bằng cách lấy trở kháng tải (5KΩ) chia cho một điện áp – 100V chẳng hạn - để được giá trị thay đổi về dòng – 20mA. (100 / 5000 = 0.02 = 20mA). Độ dốc của đường tải được định nghĩa là thay đổi về dòng điện trên thay đổi vệ điện thế (rise-over-run như các giáo sư lượng giác vẫn nói- em chả biết rise over run là cái gì). Vậy, với độ dốc của tải 5KΩ, với mỗi 100V, đường tải giảm đi 20mA.
Đường tải mô tả việc xảy ra với áp và dòng Dương cực khi các bác thay đổi điện áp Lưới. Tại điểm tĩnh, điện áp Lưới là -12.5V, điện áp Dương cực là 250V và dòng Dương cực là 49.5mA. Nếu điện áp Lưới tăng lên 0V, điện áp Dương cực sẽ là 160V và dòng Dương cực sẽ là 68mA. Nếu các bác lại giảm điện áp lưới xuống -25V, điện áp Dương cực sẽ là 330V và dòng Dương cực là 35mA. Đây là những điểm cuối của đường tải bởi vì Lưới không thể có điện áp dương mà không bị xén ngọn, đồng thời Lưới cũng không thể có điện áp nhỏ hơn -25V vì phía kia của dạng sóng sẽ vượt quá 0V. Khi các bác cấp áp xoay chiều cho lưới, sự thay đổi lên xuống của áp Lưới xung quanh đường tải sẽ tạo ra sự thay đổi tương ứng về áp và dòng tại Dương cực.
Một vấn đề nữa cần xem xét là công suất tiêu tán Dương cực. Khi các hạt điện tử bay tới va đập vào Dương cực, công năng của các hạt điện tử này chuyển thành nhiệt năng. Dương cực phải chống chịu được sự gia tăng về nhiệt độ này. Công suất tối đa mà Dương cực có thể tiêu tán một cách an toàn (dưới dạng nhiệt) được gọi là công suất tiêu tán Dương cực. Tất cả các đèn điện tử đều có công suất tiêu tán Dương cực tối đa đo bằng Watts. Giá trị này có trong tài liệu kỹ thuật. Công suất tiêu tán Dương cực cực đại của 6V6 là 12W, và P = I.V. Đây là vùng giới hạn của điểm công tác của đèn. Nếu em và các bác vẽ một đường mà trên đó công suất tiêu tán là 12W, ta sẽ có một đường cong mà điểm công tác của đèn không thể vượt qua trừ khi các bác muốn nhận được một cái đèn bị đun chảy hoặc nổ tung. Thực ra thì có khối ampli guitar đang bắt đèn phải làm việc quá giới hạn đó, và khối các đèn được sản xuất gần đây có thể chấp nhận sự lạm dụng này mà không có vấn đề gì. Tuy nhiên em nghĩ tốt hơn là ta không nên làm thế. Đường công suất tiêu hao Dương cực 12W được biểu thị bằng nét chấm trên đồ thị ở trên. Các bác chú ý là điểm công tác của đèn nằm ngay trên đường này - thực tế thì nếu các bác bấm máy tính thì sẽ thấy công suất tiêu tán Dương cực cho điểm 250V và 49.5mA các bác sẽ được khoảng 12.4W. Như vậy, điểm công tác này sẽ làm cái đèn chạy hơi nóng một chút. Tuy nhiên vì lý do mà em sẽ đề cập đến khi nói về điện trở Âm cực, công suất tiêu tán thực tế sẽ dưới 12W. Còn bây giờ cứ tạm chấp nhận nó như là làm tròn số đã.
Hãy cùng bới sâu hơn một chút vào đường tải. Tại sao điểm mút của đường tải lại là 0V và -25V của điện áp Lưới? Trong một ampli class A, như cái ta đang định làm, điện áp Lưới không thể mang giá trị dương mà không gây hậu quả là dạng sóng sin bị xén ngọn. Nếu một nửa của tín hiệu được khuếch đại bị giới hạn ở 0V, nửa kia đương nhiên bị giới hạn ở -12.5V nhỏ hơn điểm công tác. Mà điểm công tác là -12.5V nên giới hạn dưới đó phải là -25V. Đường tải cũng có thể cho các bác biết chút ít về sự tuyến tính tương đối của đèn. Sự tuyến tính của tín hiệu được khuếch đại được xác định bởi sự cân đối của các đoạn của đường tải.
Nếu ta có một cái đèn tuyệt đối tuyến tính, chiều dài của đường tải phía trên điểm công tác phải đúng bằng chiều dài của đường tải phía dưới điểm đó. Trong trường hợp mà em và các bác đang nghiên cứu, rõ ràng là đường tải đoạn 0V đến -12.5V hơi dài hơn so với đoạn -12.5V đến -25V. Điều này sẽ gây ra méo. Trong