Amplificador de válvulas

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 utilizaba 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 denominó Audion . Esta rejilla de control adicional modula la corriente que fluye entre el cátodo y el ánodo . La relación entre la corriente y la tensión de placa y rejilla se suele representar mediante una serie de curvas características en un diagrama. Dependiendo de los demás componentes del circuito, esta corriente modulada puede utilizarse para generar ganancia de corriente o de tensión .

La primera aplicación de la amplificación por válvulas fue la regeneración de señales de telefonía de larga distancia . Posteriormente, se aplicó al mercado de la radiodifusión , que surgió a principios de la década de 1930. Con el tiempo, también se fabricaron amplificadores para música y, más tarde, para televisión, utilizando válvulas.

La topología de circuito predominante durante este período fue la etapa de ganancia de triodo de terminación simple , que operaba en clase A, la cual proporcionaba un sonido excelente (y un rendimiento de distorsión medido razonable ) a pesar de su circuito extremadamente simple con muy pocos componentes: algo 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 tenían una ganancia baja y una linealidad que dependía completamente de la linealidad inherente de la propia válvula, con una distorsión típica del 5 % a máxima potencia.

La retroalimentación negativa (NFB) fue inventada por Harold Stephen Black en 1927, pero inicialmente se utilizó poco, ya que en aquel entonces la ganancia era un bien muy preciado. Esta técnica permite a los amplificadores sacrificar ganancia a cambio de una menor distorsión (y también ofrecía otras ventajas, como una menor impedancia de salida). La introducción del amplificador Williamson en 1947, que era extremadamente avanzado en muchos aspectos, incluyendo un uso muy exitoso de la NFB, marcó un punto de inflexión en el diseño de amplificadores de potencia de audio. Al operar un circuito de salida push-pull en clase AB1, ofrecía un rendimiento superior al de sus contemporáneos.

La Segunda Guerra Mundial impulsó un progreso técnico espectacular y economías de escala en la producción industrial. El aumento de la prosperidad tras la guerra propició un mercado de consumo sustancial y en expansión. Esto permitió a los fabricantes de electrónica construir y comercializar diseños de válvulas más avanzados a precios asequibles, lo que propició la creciente difusión de los tocadiscos electrónicos en la década de 1960 y, en última instancia, los inicios de la alta fidelidad . La alta fidelidad permitió, por primera vez, alimentar altavoces de rango completo (a menudo con varios transductores para diferentes bandas de frecuencia) a niveles de volumen significativos. Esto, sumado a la popularización de la televisión, produjo una época dorada en el desarrollo de las válvulas y también en el diseño de circuitos amplificadores de válvulas.

Una gama de topologías con solo pequeñas variaciones (en particular, diferentes configuraciones de divisores de fase y la conexión de transformador " ultralineal " para tetrodos) se popularizó rápidamente. Esta familia de diseños sigue siendo la topología de amplificador de alta potencia dominante hasta el día de hoy para aplicaciones musicales. Durante este período también se observó un crecimiento continuo de la radio civil, con el uso de válvulas 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 se redujo la gama de válvulas para aplicaciones de amplificación. Las válvulas de baja potencia más populares eran los triodos dobles (ECCnn, serie 12Ax7) y el pentodo EF86, mientras que 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 constituyendo la base 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 amplificación militar y de comunicaciones, en parte debido a la capacidad de las válvulas para soportar sobrecargas instantáneas (en particular, debido a una detonación nuclear ) que destruirían un transistor. ^{[ 2 ]}

La drástica reducción de tamaño, consumo energético, niveles de distorsión reducidos y, sobre todo, de coste de los productos electrónicos basados ​​en transistores, ha hecho que las válvulas queden obsoletas para los productos de uso general desde la década de 1970. Las válvulas se mantuvieron en ciertas aplicaciones, como transmisores de radiofrecuencia de alta potencia y hornos microondas , y equipos de amplificación de audio, especialmente para guitarra eléctrica, estudios de grabación y equipos de sonido domésticos de alta gama.

En aplicaciones de audio, las válvulas siguen siendo muy apreciadas por la mayoría de los profesionales, especialmente en equipos de estudio de grabación y amplificadores de guitarra. Existe un subgrupo de audiófilos que defienden el uso de amplificadores de válvulas para escuchar música en casa. Argumentan que estos amplificadores producen un sonido de válvulas más cálido o natural . Empresas de Asia y Europa del Este continúan fabricando válvulas para satisfacer la demanda de este mercado.

Muchos guitarristas profesionales utilizan amplificadores de válvulas debido a su reconocido sonido. En este contexto, "sonido" se refiere al timbre o color de la afinación, una cualidad muy subjetiva y difícil de cuantificar. La mayoría de los técnicos y científicos de audio sostienen que la distorsión armónica par producida por las válvulas resulta más agradable al oído que la de los transistores, independientemente del estilo musical. Son precisamente estas características tonales las que han consolidado a las válvulas como el estándar de la industria para la preamplificación de guitarras y micrófonos de estudio.

Los amplificadores de válvulas responden de manera diferente a los amplificadores de transistores cuando los niveles de señal se aproximan 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 resulta en una distorsión menos estridente al inicio de la saturación. 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 ]}

• Intrínsecamente apto para circuitos de alto voltaje.
• Pueden construirse a una escala que permita disipar grandes cantidades de calor (algunos dispositivos extremos incluso utilizan refrigeración por agua). Por esta razón, las válvulas siguieron siendo la única tecnología viable para aplicaciones de muy alta potencia, como transmisores de radio y televisión, hasta bien entrada la época en que los transistores las habían reemplazado en la mayoría de las demás aplicaciones.
• Eléctricamente muy robusto, tolera sobrecargas que destruirían los sistemas de transistores bipolares en milisegundos , durante minutos.
• Pueden soportar picos de tensión transitorios muy elevados sin sufrir daños, lo que los hace adecuados para ciertas aplicaciones militares e industriales.
• Por lo general, funcionan con voltajes aplicados muy por debajo de su capacidad máxima, lo que proporciona una larga vida útil y fiabilidad.
• Se produce una distorsión más suave al sobrecargar el circuito, lo que muchos audiófilos y músicos consideran que proporciona 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 similar.
• Los tubos son significativamente más grandes que los dispositivos de estado sólido equivalentes.
• La alta impedancia y la baja corriente de salida no son adecuadas para el accionamiento directo de muchas cargas reales, en particular de diversos tipos de motores eléctricos .
• Las válvulas tienen una vida útil más corta que los componentes de estado sólido debido a diversos mecanismos de fallo (como el calor, el envenenamiento del cátodo , la rotura o los cortocircuitos internos).
• Los tubos solo están disponibles con una polaridad, mientras que los transistores están disponibles con polaridades complementarias (por ejemplo, NPN/PNP), lo que posibilita muchas configuraciones de circuitos que no se pueden realizar directamente.
• Los circuitos de válvulas deben evitar la introducción de ruido procedente de las fuentes de alimentación de los calentadores de CA.
• Microfonía : las válvulas a veces pueden ser sensibles al sonido o a la vibración, actuando inadvertidamente como un micrófono .

• Los circuitos lineales de pequeña señal casi invariablemente utilizan un triodo en la topología de etapa de ganancia de terminación simple (en clase A), incluida la etapa de salida.
• Los amplificadores de válvulas de banda ancha suelen utilizar la clase A1 o AB1.
• Las etapas de salida de alta potencia modernas suelen ser de tipo push-pull, lo que a menudo requiere algún tipo de divisor de fase para obtener una señal de excitación diferencial/balanceada a partir de una entrada de un solo extremo, seguida normalmente de una etapa de ganancia adicional (el "controlador") antes de los tubos de salida. Por ejemplo, un amplificador push-pull regulado en derivación .
• Existen y predominan en las aplicaciones de transmisores de radio las etapas de potencia de terminación simple que utilizan válvulas de gran tamaño. Cabe mencionar que la topología especializada "DH-SET", preferida por algunos audiófilos, es extremadamente simple y generalmente se construye utilizando válvulas diseñadas originalmente para transmisores de radio.
• Las topologías más complejas (en particular, el uso de cargas activas) pueden mejorar la linealidad y la respuesta en frecuencia (al eliminar los efectos de la capacitancia de Miller).

La elevada impedancia de salida de los circuitos de placa de válvulas 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; esta puede ser un transformador en frecuencias de audio o diversas redes sintonizadas en frecuencias de radio.

En una configuración de seguidor de cátodo o de placa común , la salida se obtiene de la resistencia del cátodo. Debido a la retroalimentación negativa (la tensión entre el cátodo y tierra cancela la tensión entre la rejilla y tierra), 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 varios kiloohmios (según los requisitos de polarización), la impedancia de salida de pequeña señal es muy baja (véase amplificador operacional ).

Las válvulas siguen utilizándose ampliamente en guitarras y amplificadores de audio de alta gama debido a la calidad de sonido que ofrecen. Sin embargo, en otros ámbitos están prácticamente obsoletas debido a su mayor consumo energético, distorsión, coste, fiabilidad y peso en comparación con los transistores.

Audio

Actualmente, la principal aplicación de las válvulas son los amplificadores de audio para equipos de alta fidelidad de gama alta y su uso en interpretaciones musicales con guitarras eléctricas , bajos eléctricos y órganos Hammond , aunque estas aplicaciones tienen diferentes requisitos en cuanto a la distorsión, lo que da lugar a diferentes compromisos de diseño, si bien las mismas técnicas básicas de diseño son genéricas y ampliamente aplicables a todas las aplicaciones de amplificación de banda ancha, no solo al audio.

Tras 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 menor coste y de terminación simple, como las válvulas de potencia 6BQ5/EL84, pero aún existen, en pequeñas cantidades, productos especializados que utilizan la topología DH-SET e incluso topologías sin transformador de salida.

Históricamente, los tubos transmisores anteriores a la Segunda Guerra Mundial se encontraban entre los más potentes disponibles. Estos solían tener cátodos de filamento toriado de calentamiento directo que brillaban como bombillas. Algunos tubos podían alcanzar temperaturas tan elevadas que el ánodo se ponía al rojo vivo; los ánodos se mecanizaban a partir de material sólido (en lugar de fabricarse con láminas delgadas) para soportar el calor sin deformarse. Entre los tubos más destacados de este tipo se encuentran el 845 y el 211. Posteriormente, se utilizaron en gran cantidad tetrodos y pentodos como el 817 y el 813 (de calentamiento directo) 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 de circuito subsiguiente generalmente contiene 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 la válvula y la carga sobre ella, lo que se conoce como un "circuito sintonizado".

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

Actualmente, la gran mayoría de los transmisores de radio se basan en silicio, incluso en frecuencias de microondas. Sin embargo, una minoría cada vez menor de amplificadores de radiofrecuencia de alta potencia sigue utilizando válvulas.