Amplificador de válvulas

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Un amplificador de válvulas o amplificador de tubo es un tipo de amplificador electrónico que utiliza tubos de vacío para aumentar la amplitud o potencia de una señal . Los amplificadores de válvulas de potencia baja a media para frecuencias por debajo de las microondas fueron reemplazados en gran medida por amplificadores de estado sólido en las décadas de 1960 y 1970. Los amplificadores de válvulas se pueden utilizar para aplicaciones como amplificadores de guitarra , transpondedores satelitales como DirecTV y GPS , amplificadores estéreo de alta calidad, aplicaciones militares (como radar ) y transmisores de radio y televisión UHF de muy alta potencia .

Hasta la invención del transistor en 1947, la mayoría de los amplificadores electrónicos prácticos de alta frecuencia se fabricaban utilizando válvulas termoiónicas . ^[1] La válvula más simple (llamada diodo porque tenía dos electrodos ) fue inventada por John Ambrose Fleming mientras trabajaba para la Compañía Marconi en Londres en 1904. El diodo conducía electricidad en una sola dirección y se usaba como detector de radio y rectificador .

En 1906, Lee De Forest añadió un tercer electrodo e inventó el primer dispositivo amplificador electrónico, el triodo , al que llamó Audion . Esta rejilla de control adicional modula la corriente que fluye entre el cátodo y el ánodo . La relación entre el flujo de corriente y el voltaje de placa y rejilla se representa a menudo como una serie de "curvas características" en un diagrama. Dependiendo de los otros componentes del circuito, este flujo de corriente modulado se puede utilizar para proporcionar ganancia de corriente o voltaje .

La primera aplicación de la amplificación valvular fue en la regeneración de señales de telefonía de larga distancia . Más tarde, la amplificación valvular se aplicó al mercado " inalámbrico " que se inició a principios de los años treinta. Con el tiempo, también se construyeron amplificadores para música y, más tarde, para televisión utilizando válvulas.

La topología de circuitos abrumadoramente dominante durante este período fue la etapa de ganancia de triodo de un solo extremo , que operaba en clase A, que brindaba un sonido muy bueno (y un rendimiento de distorsión medido razonable ) a pesar de tener un circuito extremadamente simple con muy pocos componentes: importante en una época en la que los componentes se fabricaban a mano y eran extremadamente caros. Antes de la Segunda Guerra Mundial , casi todos los amplificadores de válvulas eran de baja ganancia y con una linealidad que dependía completamente de la linealidad inherente de la válvula en sí, típicamente un 5% de distorsión a plena potencia.

La retroalimentación negativa (NFB) fue inventada por Harold Stephen Black en 1927, pero inicialmente se usó poco porque en ese momento la ganancia era muy importante. Esta técnica permite que los amplificadores intercambien ganancia por niveles de distorsión reducidos (y también brinda otros beneficios como una impedancia de salida reducida). La introducción del amplificador Williamson en 1947, que era extremadamente avanzado en muchos aspectos, incluido el uso muy exitoso de NFB, fue un punto de inflexión en el diseño de amplificadores de potencia de audio, ya que operaba un circuito de salida push-pull en clase AB1 para brindar un rendimiento que superó a sus contemporáneos.

La Segunda Guerra Mundial estimuló un espectacular progreso técnico y economías de producción a escala industrial. La creciente riqueza después de la guerra condujo a un mercado de consumo sustancial y en expansión. Esto permitió a los fabricantes de productos electrónicos construir y comercializar diseños de válvulas (tubos) más avanzados a precios asequibles, con el resultado de que la década de 1960 vio la creciente difusión de los reproductores de gramófono electrónicos y, en última instancia, los comienzos de la alta fidelidad . La alta fidelidad pudo impulsar altavoces de rango de frecuencia completo (por primera vez, a menudo con múltiples controladores para diferentes bandas de frecuencia) a niveles de volumen significativos. Esto, combinado con la difusión de la televisión, produjo una "época dorada" en el desarrollo de válvulas (tubos) y también en el desarrollo del diseño de circuitos amplificadores de válvulas.

Rápidamente se generalizó una gama de topologías con apenas variaciones menores (en particular, diferentes disposiciones de divisores de fase y la conexión de transformador " ultralineal " para tetrodos). Esta familia de diseños sigue siendo la topología de amplificador de alta potencia dominante hasta el día de hoy para aplicaciones musicales. Este período también fue testigo del crecimiento continuo de la radio civil, con válvulas que se usaban tanto para transmisores como para receptores.

A partir de la década de 1970, el transistor de silicio se generalizó cada vez más. La producción de válvulas disminuyó drásticamente, con la notable excepción de los tubos de rayos catódicos (CRT) y una gama reducida de válvulas para aplicaciones de amplificadores. Las válvulas de baja potencia populares eran los triodos duales (ECCnn, serie 12Ax7) más el pentodo EF86, y las válvulas de potencia eran principalmente tetrodos y pentodos de haz (EL84, EL34, KT88 / 6550, 6L6), en ambos casos con calentamiento indirecto. Este conjunto reducido de tipos sigue siendo el núcleo de la producción de válvulas en la actualidad.

Los soviéticos conservaron las válvulas en mucha mayor medida que Occidente durante la Guerra Fría , para la mayoría de sus necesidades de comunicaciones y amplificación militar, en parte debido a la capacidad de las válvulas de soportar sobrecargas instantáneas (especialmente debido a una detonación nuclear ) que destruirían un transistor. ^[2]

La drástica reducción en tamaño, consumo de energía, niveles reducidos de distorsión y sobre todo costo de los productos electrónicos basados ​​en transistores ha hecho que las válvulas sean obsoletas para los productos convencionales desde la década de 1970. Las válvulas permanecieron en ciertas aplicaciones, como transmisores de RF de alta potencia y el horno microondas , y equipos de amplificación de audio, particularmente para la guitarra eléctrica, estudios de grabación y equipos estéreo domésticos de alta gama.

En aplicaciones de audio, las válvulas siguen siendo muy solicitadas por la mayoría de los usuarios profesionales, en particular en equipos de estudios de grabación y amplificadores de guitarra. Existe un subgrupo de entusiastas del audio que abogan por el uso de amplificadores de válvulas para escuchar en casa. Argumentan que los amplificadores de válvulas producen un sonido de válvulas "más cálido" o más "natural" . Las empresas de Asia y Europa del Este siguen produciendo válvulas para atender a este mercado.

Muchos guitarristas profesionales utilizan "amplificadores de válvulas" por su famoso "tono". "Tono" en este uso se refiere al timbre o color del tono y puede ser una cualidad muy subjetiva de cuantificar. La mayoría de los técnicos de audio y científicos teorizan que la "distorsión armónica uniforme" producida por las válvulas suena más agradable al oído que los transistores, independientemente del estilo. Son las características tonales de las válvulas las que las han mantenido como el estándar de la industria para guitarras y preamplificación de micrófonos de estudio.

Los amplificadores de válvulas responden de manera diferente a los amplificadores de transistores cuando los niveles de señal se acercan y alcanzan el punto de saturación . En un amplificador de válvulas, la transición de la amplificación lineal a la limitación es menos abrupta que en una unidad de estado sólido, lo que da como resultado una forma de distorsión menos chirriante al inicio del corte. Por esta razón, algunos guitarristas prefieren el sonido de un amplificador totalmente de válvulas; sin embargo, las propiedades estéticas de los amplificadores de válvulas frente a los de estado sólido son un tema de debate en la comunidad de guitarristas. ^[3]

Las válvulas de potencia suelen funcionar a voltajes más altos y corrientes más bajas que los transistores, aunque los voltajes operativos de estado sólido han aumentado de manera constante con las tecnologías de dispositivos modernos. Los transmisores de radio de alta potencia que se utilizan hoy en día funcionan en el rango de kilovoltios, donde aún no hay otra tecnología comparable disponible. ([potencia = voltaje × corriente], por lo que una alta potencia requiere alto voltaje, alta corriente o ambos)

Muchas válvulas de potencia tienen una buena linealidad pero una ganancia o transconductancia modestas . Los amplificadores de señal que utilizan válvulas son capaces de rangos de respuesta de frecuencia muy altos, hasta frecuencias de radio , y muchos de los amplificadores de audio de triodo de un solo extremo calentados directamente (DH-SET) utilizan válvulas de transmisión de radio diseñadas para operar en el rango de megahercios. En la práctica, sin embargo, los diseños de amplificadores de válvulas normalmente "acoplan" etapas ya sea de manera capacitiva, limitando el ancho de banda en el extremo bajo, o de manera inductiva con transformadores, limitando el ancho de banda en ambos extremos.

• Intrínsecamente adecuado para circuitos de alto voltaje.
• Se pueden construir a una escala que permita disipar grandes cantidades de calor (algunos dispositivos extremos incluso se refrigeran con agua). Por este motivo, las válvulas siguieron siendo la única tecnología viable para aplicaciones de muy alta potencia, como transmisores de radio y televisión, hasta bien entrada la era en que los transistores habían desplazado a las válvulas en la mayoría de las demás aplicaciones.
• Son muy robustos eléctricamente y pueden tolerar sobrecargas durante minutos que destruirían los sistemas de transistores bipolares en milisegundos.
• Soportan picos de voltaje transitorios muy altos sin sufrir daños, lo que los hace adecuados para ciertas aplicaciones militares e industriales.
• Generalmente funcionan con voltajes aplicados muy por debajo de su capacidad máxima, lo que proporciona una larga vida útil y confiabilidad.
• Un recorte más suave al sobrecargar el circuito, lo que muchos audiófilos y músicos creen subjetivamente que da un sonido más agradable y musicalmente más satisfactorio.

• Mala linealidad, especialmente con factores de retroalimentación modestos. ^[4]
• Los tubos requieren un calentador de cátodo . La potencia del calentador representa una pérdida de calor y un consumo de energía significativos.
• Los tubos requieren voltajes más altos para los ánodos en comparación con los amplificadores de estado sólido de potencia nominal similar.
• Los tubos son significativamente más grandes que los dispositivos de estado sólido equivalentes.
• La alta impedancia y la baja salida de corriente no son adecuadas para el accionamiento directo de muchas cargas del mundo real, en particular varias formas de motores eléctricos .
• Las válvulas tienen una vida útil más corta que las piezas de estado sólido debido a varios mecanismos de falla (como calor, envenenamiento del cátodo , rotura o cortocircuitos internos).
• Los tubos están disponibles en una sola polaridad, mientras que los transistores están disponibles en polaridades complementarias (por ejemplo, NPN/PNP), lo que hace posible muchas configuraciones de circuitos que no se pueden realizar directamente.
• Los circuitos de válvulas deben evitar la introducción de ruido proveniente del suministro de calentadores de CA.
• Microfonía : las válvulas a veces pueden ser sensibles al sonido o la vibración, actuando inadvertidamente como un micrófono .

Todos los circuitos amplificadores se clasifican por "clase de operación" como A, B, AB y C, etc. Consulte las clases de amplificadores de potencia . Existen algunas topologías de circuitos significativamente diferentes en comparación con los diseños de transistores.

• La rejilla (donde se presenta la señal de entrada) debe estar polarizada sustancialmente de forma negativa con respecto al cátodo. Esto hace que sea extremadamente difícil acoplar directamente la salida de una válvula a la entrada de la válvula siguiente, como se hace normalmente en los diseños de transistores.
• Las etapas de válvulas se acoplan con componentes diseñados para soportar varios cientos de voltios, generalmente un condensador y, ocasionalmente, un transformador de acoplamiento. Los cambios de fase introducidos por las redes de acoplamiento pueden resultar problemáticos en circuitos que tienen retroalimentación.
• No existe ningún análogo valvular de los dispositivos complementarios que se utilizan ampliamente en las etapas de salida de los circuitos de silicio. Por lo tanto, las topologías de válvulas push-pull requieren un divisor de fase .
• La altísima impedancia de salida de las válvulas (en comparación con los transistores) suele requerir transformadores de adaptación para accionar cargas de baja impedancia, como altavoces o cabezales de torno de corte. El transformador se utiliza como carga, en lugar de la resistencia que se suele utilizar en las etapas de pequeña señal y de excitación. La impedancia reflejada del primario del transformador a las frecuencias en uso es mucho mayor que la resistencia de CC de los devanados, a menudo kiloohmios. Sin embargo, los transformadores de alto rendimiento suponen graves concesiones de ingeniería, son caros y, en funcionamiento, distan mucho de ser ideales. Los transformadores de salida aumentan drásticamente el coste de un circuito amplificador de válvulas en comparación con una alternativa de transistor acoplado directamente. Sin embargo, tanto en los amplificadores de válvulas como en los de estado sólido, se requieren transformadores de salida de adaptación para aplicaciones de megafonía en las que se utilizan líneas de alta impedancia/alta tensión de baja pérdida para conectar varios altavoces distantes.
• La linealidad de bucle abierto de las válvulas, especialmente los triodos, permite utilizar poca o ninguna retroalimentación negativa en los circuitos, manteniendo al mismo tiempo un rendimiento de distorsión aceptable o incluso excelente (especialmente para circuitos de pequeña señal).

• Los circuitos lineales de pequeñas señales utilizan casi invariablemente un triodo en la topología de etapa de ganancia de un solo extremo (en clase A), incluida la etapa de salida.
• Los amplificadores de válvulas de banda ancha normalmente utilizan clase A1 o AB1.
• Las etapas de salida de alta potencia modernas suelen ser push-pull, y a menudo requieren algún tipo de divisor de fase para derivar una señal de excitación diferencial/balanceada desde una entrada de un solo extremo, generalmente seguida por una etapa de ganancia adicional (el "controlador") antes de las válvulas de salida. Por ejemplo, un amplificador push-pull regulado por derivación
• Existen etapas de potencia de un solo extremo que utilizan válvulas muy grandes y predominan en las aplicaciones de transmisión de radio. Una observación aparte es que la topología de nicho "DH-SET" preferida por algunos audiófilos es extremadamente simple y generalmente se construye utilizando tipos de válvulas originalmente diseñados para su uso en transmisores de radio.
• Las topologías más complejas (en particular el uso de cargas activas) pueden mejorar la linealidad y la respuesta de frecuencia (al eliminar los efectos de capacitancia de Miller).

La alta impedancia de salida de los circuitos de placas de tubos no se adapta bien a cargas de baja impedancia, como altavoces o antenas. Se requiere una red de adaptación para una transferencia de potencia eficiente; puede ser un transformador en frecuencias de audio o varias redes sintonizadas en frecuencias de radio.

En una configuración de seguidor de cátodo o de placa común , la salida se toma de la resistencia del cátodo. Debido a la retroalimentación negativa (la tensión de tierra del cátodo cancela la tensión de tierra de la rejilla), la ganancia de tensión es cercana a la unidad y la tensión de salida sigue la tensión de la rejilla. Aunque la resistencia del cátodo puede ser de muchos kiloohmios (según los requisitos de polarización), la impedancia de salida de pequeña señal es muy baja (consulte el amplificador operacional ).

Las válvulas siguen utilizándose ampliamente en guitarras y amplificadores de audio de alta gama debido a la calidad de sonido percibida que producen. En otros ámbitos, están en gran medida obsoletas debido al mayor consumo de energía, la distorsión, los costos, la confiabilidad y el peso en comparación con los transistores.

La telefonía fue la primera y durante muchos años fue la aplicación que impulsó la amplificación de audio. Un problema específico de la industria de las telecomunicaciones fue la técnica de multiplexar muchas (hasta mil) líneas de voz en un solo cable, en diferentes frecuencias.

La ventaja de esto es que un amplificador "repetidor" de una sola válvula puede amplificar muchas llamadas a la vez, lo que resulta muy rentable. El problema es que los amplificadores deben ser extremadamente lineales, de lo contrario, la " distorsión de intermodulación " (IMD) provocará "diafonía" entre los canales multiplexados. Esto estimuló el desarrollo de un énfasis en la baja distorsión mucho más allá de las necesidades nominales de un solo canal de voz.

Hoy en día, la principal aplicación de las válvulas son los amplificadores de audio para alta fidelidad y uso musical con guitarras eléctricas , bajos eléctricos y órganos Hammond , aunque estas aplicaciones tienen diferentes requisitos con respecto a la distorsión que resultan en diferentes compromisos de diseño, aunque las mismas técnicas básicas de diseño son genéricas y ampliamente aplicables a todas las aplicaciones de amplificación de banda ancha, no solo al audio.

Después de la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los amplificadores de potencia de válvulas son de topología ultralineal "push pull" de clase AB-1, o de tubos de potencia de un solo extremo de menor costo, es decir, 6BQ5/EL84, pero todavía existen productos de nicho que utilizan las topologías DH-SET e incluso OTL en pequeñas cantidades.

El voltímetro y amperímetro de bobina móvil básico consume una pequeña corriente y, por lo tanto, carga el circuito al que está conectado. Esto puede alterar significativamente las condiciones de funcionamiento del circuito que se está midiendo. El voltímetro de tubo de vacío (VTVM) utiliza la alta impedancia de entrada de una válvula para proteger el circuito que se está midiendo de la carga del amperímetro.

Los osciloscopios de válvulas comparten esta impedancia de entrada muy alta y, por lo tanto, se pueden utilizar para medir voltajes incluso en circuitos de impedancia muy alta. Normalmente, puede haber 3 o 4 etapas de amplificación por canal de visualización. En osciloscopios posteriores, se empleó un tipo de amplificador que utiliza una serie de tubos conectados a distancias iguales a lo largo de líneas de transmisión , conocido como amplificador distribuido, para amplificar señales verticales de frecuencia muy alta antes de su aplicación al tubo de visualización. Los osciloscopios de válvulas ahora están obsoletos.

En los últimos años de la era de las válvulas, incluso se utilizaron válvulas para fabricar " amplificadores operacionales ", los componentes básicos de gran parte de la electrónica lineal moderna. Un amplificador operacional normalmente tiene una etapa de entrada diferencial y una salida de tótem, y el circuito suele tener un mínimo de cinco dispositivos activos. Se produjeron varios "paquetes" que integraban dichos circuitos (normalmente utilizando dos o más sobres de vidrio) en un único módulo que podía conectarse a un circuito más grande (como un ordenador analógico). Estos amplificadores operacionales de válvulas estaban muy lejos de ser ideales y rápidamente se volvieron obsoletos, siendo reemplazados por tipos de estado sólido.

Históricamente, los "tubos transmisores" de antes de la Segunda Guerra Mundial se encontraban entre los tubos más potentes disponibles. Por lo general, estos tenían cátodos de filamento toriado calentados directamente que brillaban como bombillas. Algunos tubos podían ser accionados con tanta fuerza que el propio ánodo brillaba de color rojo cereza; los ánodos se mecanizaban a partir de material sólido (en lugar de fabricarse a partir de una lámina delgada) para soportar el calor sin distorsionarse. Los tubos notables de este tipo son el 845 y el 211. Los tetrodos y pentodos posteriores, como el 817 y el 813 (calentado directamente) también se utilizaron en grandes cantidades en transmisores de radio (especialmente militares).

Los circuitos de RF son significativamente diferentes de los circuitos amplificadores de banda ancha. La antena o la etapa del circuito siguiente generalmente contienen uno o más componentes capacitivos o inductivos ajustables que permiten que la resonancia de la etapa coincida con precisión con la frecuencia portadora en uso, para optimizar la transferencia de potencia desde y la carga en la válvula, un denominado "circuito sintonizado".

Los circuitos de banda ancha requieren una respuesta plana en un amplio rango de frecuencias. Por el contrario, los circuitos de RF suelen tener que funcionar a frecuencias altas, pero a menudo en un rango de frecuencias muy estrecho. Por ejemplo, un dispositivo de RF podría tener que funcionar en el rango de 144 a 146 MHz (solo el 1,4 %).

En la actualidad, los transmisores de radio se basan mayoritariamente en silicio, incluso en frecuencias de microondas. Sin embargo, una minoría cada vez menor de amplificadores de radiofrecuencia de alta potencia siguen teniendo una construcción de válvulas.

• Manual de comunicación por radio (5.ª edición), Radio Society of Great Britain , 1976, ISBN  0-900612-28-2

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