1883年,爱迪生在改进白炽灯的过程中发现了在灯泡的灯丝与一个额外的金属板之间施加电压时,会有电流从灯丝流向金属板,这一现象被称为“爱迪生效应”。后来,弗莱明基于此道理,发明了世界上第一只真空二极管,标志着电子管时代的开启。上世纪伴随着苏联的崛起,电子管迅速在工业、军事、消费领域广泛应用。直到1991年苏联解体,宣告着一个时代的终结,苏联所坚持的电子管技术也没落在时代的潮流中。
把电子管带走的不是苏联,而是蓬勃发展的半导体技术,几乎在各个方面完胜了电子管。尽管说电子管在主流电子市场失去主导地位,但在一些对音质、信号处理有特殊要求的领域,电子管依然无可替代。比如高端音频领域电子管放大器凭借温暖、醇厚的音色和独特的谐波特性,深受音响发烧友的喜爱,成为Hi-Fi 音响系统的重要组成部分。
我就是一名发烧友,原本手头也有几根电子管,但主要还是在玩石机。今年年中,在国外玩的时候,在当地低价收到了百十根电子管,小杂物箱都堆满了。年底了打算整理统计一下都有什么型号以方便后面的使用。与此同时,我也萌生了用其中一些管子先制作一个小胆机功放的想法。
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这些电子管各种各样,整流管、三极管、四级管、五极管等等。
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为了让这些电子管后续可以合理的使用,我花了大把时间来给它们编号、归类,还查阅了不少资料,研究它们各自的用途,以及适配哪些电路。这一番整理下来,收获确实不小,发现了几款比较经典的搭配。有几个管子刚好可以复刻当年哈曼成立发布的首款胆机功放,还有些在音频放大领域堪称黄金搭档。不过为了循序渐进,所以先选择了一款很简单的6N1 + 6P1 + 6Z4的组合方案。准备DIY一个目前看最简单、最容易上手的小胆机功放。
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在电子管中有那么一类,它是用来做指示使用。这类电子管独特之处在于其具有荧光屏结构。在电子管内部,有一部分区域涂有荧光物质,当电子束轰击到荧光屏上时,荧光物质会发光,从而显示出特定的指示图案或信号状态。本次打算使用6E2电子管来做信号电平指示,6E2电子管由于指示形状类似猫眼,又被称作猫眼电子管。
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供电这块,我选用了两个6Z4电子管来负责整流部分的工作。6Z4属于双二极管整流电子管,它内部有两个独立的二极管结构,可用于将交流电转换为直流电。经过计算,需要两只6Z4电子管并联起来,能够提供驱动其他电子管的充足电力。
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后级输出的驱动管采用两只6P1电子管,分别驱动左右两个声道。6P1电子管是束射四极管,主要用在功率放大方面。在这次DIY中,每个6P1大致可以提供3W的功率输出,左右两个声道输出功率3W+3W。
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此处再插一张关于电流的计算记录。根据早期的电流计算,我来匹配出相应合适的管子以及变压器组合。通常的胆机需要三个变压器,最大的一只一般都为电源变压器,其可以输出240伏和6.3伏或者3.15伏的电压,来给各个电子管的灯丝以及阳极进行供电。
此外输出的变压器选出了两颗音频变压器。主要用来匹配输出的阻抗。
像我这次制作的这种,依靠输出变压器进行阻抗变换的功放形式,属于早期的经典设计。在如今的音频行业,功放的架构形式丰富多样,像 OTL(无输出变压器架构)、OCL(无输出电容功放架构)、BTL(桥式推挽功率放大器)、PBTL(并联桥式推挽功率放大器)等等。早期的功放,其输出阻抗与喇叭的阻抗往往不匹配,所以必须借助输出变压器进行阻抗变换,才能让喇叭正常发声。
下方是本次胆机的一个图纸。由于早期的单机制作均是搭棚焊接,那个时代还不存在电路板,因此为了原汁原味,电路链接上我也使用搭棚结构。下方电路草图画的也是搭棚的示意图。
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与此同时,我在整理元件时,又翻找出几颗阿尔卑斯的马达驱动电位器。这类电位器设计颇为独特,其后端配置了一个小型马达。它不仅支持手动旋转旋钮,精准地调控音量,还能借助后端马达的驱动,实现遥控音量调节旋钮时的自动同步运动,很神奇。很多专业音频控台上用的推子运动的方案,原理如出一辙。
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同时,我在功放面板计划增加一对 VU 表。想起暖黄的灯光,指针随着音乐跳动,就仿佛在诉说着音乐背后的故事,颇具魅力。
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接下来,目光聚焦到机壳部分的选择与打造上。浏览网络便不难发现,市面上绝大多数的机壳采用铁皮、马口铁或者镀锌板。但是我目前手头还没有合适的设备,很难去搞这些金属部件。我将目光投向了木质材料,最终选择采用木质壳体。
最后我在某宝上找到下面一款木盒,价格极其亲民,而且木工活比金工活好干不少,我在心中已经构思出了对它的改造方案。准备对其表面先开孔定位,在对表面进行美化开槽处理,最后刷漆让机器看起来光亮一些。
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很快,全套的物件便都送达了。我计划首先处理木质壳体。我在木壳上画好定位线,确定各个元件和接口位置。如以下图示所呈现,左侧为蓝牙天线和RCA莲花头插座,可以进行蓝牙或有线链接,会自动切源。在面板的中间位置,是两路声道输出。为了更好地适配不同阻抗的音箱,每个声道都会配备三个接线端子,能够匹配 4 欧和 8 欧阻抗的音箱。右侧是电源输入部分,插头带三芯插头、开关以及保险丝。
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在顶部我给三个变压器以及7个电子管规划了合适的位置,并且标示了开孔的方向和要钻孔的区域。接下来就要对这些地方进行开孔打孔开槽处理了。
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打孔处理之后,我们给电子管座装到上面适配好,检查是否有干涉情况。变压器也同时装上进行布线规划。第一次下手有点重,木头都开劈了一些,不过问题不大可以盖住。后置的立体声接线端子也连接上,螺丝固定后打胶。
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这个是电源变压器,它有一路230V市电输入。可以输出240V的高压部分供电和3.15V、6.3V的灯丝供电。
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稍微固定一下,并且整理一下线束。前面板的VU表也都安装到开好孔的机壳上,检查接口是不是合适。然后把搭棚焊接要使用的支架也安装上,看上去整齐了一点。
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由于底板光秃秃太丑,所以我给内部整体全部贴上了EVA防火泡棉,防火也看起来整洁一些。到这个时候其实大致电路架构也基本有形状了,每个部分安装的位置,在之前都是又考虑的,为了方便布线,也为了防止带来干扰。同时一些元件以及可以焊接上去了。主要走线可以焊接上看看效果。背部的接口也焊接固定完毕。
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底部完工后看着也还比较整齐,凑合够看。因此我没有用木板封底,而是选择了用透明的亚克力板进行封底。可以直接观测到内部的情况。考虑到工作时可能会产生高温,因此打算在此后可以温升测试一下,运行测试一段时间,如果温度比较高的话再去开散热孔。
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内部绝大部分的线束转接口都是用热缩管固定,并且有卡扣通过螺丝固定在底板上。
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在关键信号以及所有灯丝供电脚位都加装了小磁环,来进行滤除干扰信号。
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在电源滤波上,用了NCC的两只大电解。NCC的电容在音频界名声还是很不错的。他家的电容滤波效果出色,工作时长高。能有效滤除电源中的杂波与纹波,确保给功放电路供应纯净、稳定的直流电。
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通常在信号输入端的电容非常重要,主要信号都是通过它进入后级。一般会用伊娜、威马的电容。但是我想试一试别的类型的,因此用了一颗来自日精的224J的音频电容,这个可以根据喜好更换合适的型号和容值,可以获得不同的音色和质感。
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蓝牙部分由于没有太多的时间去做模块了,便去网上选取了一款QCC3040的解码板,输出IIS信号由ES9018Q2M解码出模拟信号。Buffer用的是音频上广为人知的5532,可以自己更换升级好一点的。
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这里是左右两只猫眼电子管的驱动部分。如果选择搭棚的方式来做猫眼电子管的驱动,那电路将会变得极为复杂,不仅布线繁琐,调试起来也很困难。因此决定采用现有的模块来驱动猫眼电子管。
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右侧的音频VU驱动电路。采用到了TA7318P芯片。通常我们的VU驱动电路实现的是一个对音频信号进行一个压缩感知的功能。对低频信号进行延拓,对高频信号进行压缩。这是在音频领域常用的一个道理。我们的人耳对声音的感觉是呈指数分布的。因此大多数的电位器以及指示状态都是非线性的,而是指数形式的或者对数形式的,以你和我们的耳朵听觉。
右侧的音频VU 驱动电路,选用了 TA7318P 芯片模块。这并不是普通的VU驱动电路,而是一个峰值指示电路,蛮有意思的。常规的VU驱动电路可以对音频信号进行延展压缩。具体来说,能够对低频信号进行适当延拓,同时对高频信号进行有效压缩。在有限的表头里面可以更好的指示音频功率值。
要知道,我们人类的耳朵对声音的感知呈现出对数分布的特点。正因如此,大多数的电位器以及指示性元件并非是线性的,而是呈现出指数形式。如此这般,方能更好地契合我们耳朵的听觉特性。
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最中间是一块信号转接板。马达驱动电位器就装在这个上方。我给他配了一颗单片机。以备后续如果有需要可以升级增加马达驱动部分。
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这块小板子的实际功能其实非常简单,只是用作一个输入信号的分发。把输入的音频信号分发到VU表、猫眼电子管以及给信号到功放的输入端。
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光秃秃的机壳表面,当然不能忍受,拿出木工工具。想着用刻刀给他划了一些装饰纹。然后再刷木漆和清漆,阴干几天出来应该效果还不错。
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说干就干,我给这台机器整机都用刻刀划了这种装饰的柳条纹。同时又上了三遍漆,每次要阴干两天,整个机器外壳刷下来将近十来天才搞好。不过整体效果看起来比单一个木可是要好不少,看习惯了还是别有一番风味。
下面是这个的后背板图,左侧是一个蓝牙的棒棒天线,紧接着是一对连RCA立体声输入接口。传统的胆机功放基本上应该只有一路模拟输入。或者说再去接其他的前级功放或者解码器进行连接。为了体验方便我才在里面加了一个蓝牙模块。
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这是右侧的电源输入接口,第一次做这个箱子漆刷的不是特别均匀,下一次再做应该就熟悉了。
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中间的音频输出接口,每组采用了一黑两红接线端子。黑色为负端,两个红色从左到右分别为4欧阻抗和8欧阻抗的接口。在启动时需要先接好喇叭再启动功放,避免启动后胆机没有负载而烧坏机器。
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前面板的VU表也可以正常点亮指示,因为开孔失误导致误开了4个固定孔,尽量给遮盖掉。
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整体看起来还算凑合,使用起来中间的旋钮阻尼感非常不错。
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给胆机上电,可以看到灯丝处于红热状态,说明已经开始工作了。在正常工作时,胆机都是利用高温红热的灯丝发出电子,所以说它的工作温度通常是比较高的,切记不要用手直接去触碰此时的管子。
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仔细看这个电子管固定在机器上面,修长的身形看着还是比较不错的。
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打开电源之后,猫眼电子管上下向中间摆动,可以显示出当前的电平值。真的是很好看,别有一番味道。
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接下来就是整机工作时的状态了,灯丝红热的光和猫眼电子管发出的幽绿色配起来非常有年代感。
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手头找来两只无源小喇叭连接上测试一波。真的不得不说,和我桌面的数字功放比起来。确实可以听得出它们味道的区别,尤其是这个胆味,人声部分真的非常绝,总会让我有种想闭上眼躺下听的想法。感觉听人声比我桌面万把块的音箱效果都好很多多,可惜不适合听摇滚或者激烈的歌曲,低频不太足,当然可能因为我用来测试的小音箱太小了。
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接下来播放一段祖传的渡口来试听一下,手机收音效果不好将就听一下。
总的来说,这次DIY还是比较成功的,做出了一款我蛮想做的一个胆机功放。并且这个过程是非现的自我实现的,也不得不说最终的胆机效果非常的温婉迷人。有了这次制作的经验,明年抽空把开头那款哈曼的第一款胆机功放复刻一下,听一听高端是啥样子。
我看,最简单恰恰不是最容易,从输入到输出做到逼真的Hi End程度,材质是基本,工艺的深度和广度无穷无尽,人人有创意,胆机音质用语言难以描述,只有现场真实感受,尤其DIY作品独一无二。