Amplificador de audio de válvulas

La guitarra eléctrica tiene su origen en Rickenbacker en la década de 1930, pero su forma moderna fue popularizada por Fender y Gibson (en particular la Fender Telecaster (1951) y la Stratocaster (1954) y la Gibson Les Paul (1952) durante la década de 1950). Los primeros amplificadores de guitarra probablemente fueron amplificadores de audio fabricados para otros fines y adaptados para este uso, pero la guitarra eléctrica y su amplificación rápidamente desarrollaron vida propia, con el apoyo de fabricantes especializados.

Los amplificadores de guitarra suelen diseñarse para que, cuando el guitarrista lo desee, puedan distorsionar y crear un tono rico en armónicos y sobretonos. Las características de la válvula y del circuito influyen directamente en la naturaleza del sonido producido. Incluso la fuente de alimentación puede influir en la forma tonal, ya que los condensadores de la fuente de alimentación relativamente pequeños producen una caída característica en los instantes de máxima salida y consumo de energía, y la posterior recuperación, que a menudo se considera musicalmente atractiva. ^{[ 1 ]} Además, los guitarristas pueden emplear retroalimentación acústica, modificando aún más el sonido resultante (teniendo en cuenta que la señal de retroalimentación tiene un ligero retardo con respecto a la señal original).

Los amplificadores de guitarra suelen estar diseñados para soportar un uso intensivo, tanto eléctrico como físico (ya que los guitarristas a menudo viajan para tocar en conciertos, etc.). En sistemas grandes, el amplificador está separado de la caja de altavoces, pero en sistemas más pequeños suele estar integrado, formando un "combo". Dado que el amplificador generalmente se ubica en la parte superior del combo, las válvulas suelen quedar boca abajo, apuntando hacia el cuerpo de la caja. Pueden sujetarse con pinzas.

La mayoría de los amplificadores de guitarra de válvulas modernos utilizan un circuito push-pull de clase AB1 con un par de pentodos de potencia o tetrodos de haz, 6L6 o EL34 , pero ocasionalmente KT88 , 6550 o el EL84 de menor potencia en conexión ultralineal . La etapa de salida está precedida por una etapa de amplificación de voltaje (pentodo o triodo doble) y un divisor de fase (triodo doble). Se utilizan triodos dobles con dos secciones idénticas en una misma envoltura, generalmente los tipos noval 12AT7 , 12AU7 o 12AX7 o equivalentes, y menos comúnmente el octal 6SN7 .

El primer uso masivo de amplificadores de audio de válvulas se dio en la telefonía. Estos amplificadores fueron fundamentales para el desarrollo de los circuitos telefónicos de larga distancia y los cables telefónicos submarinos . Poco después surgieron las aplicaciones de radio, donde las válvulas se utilizaron tanto para los circuitos de audio (AF) como de radiofrecuencia (RF). (La RF queda fuera del alcance de este artículo; véase amplificador de válvulas ).

Entre las primeras aplicaciones de la grabación y reproducción electrónica de sonido, alrededor de la década de 1920, se encontraba su uso en muchos cines que se equipaban para exhibir las nuevas películas sonoras . Los sistemas de sonido de los cines de esta época eran suministrados principalmente por "Westrex", empresa vinculada a Western Electric, proveedora de telecomunicaciones, que también fabricaba la válvula 300B DHT, fundamental en la producción actual de amplificadores de audio de alta fidelidad DH-SET .

Los amplificadores de esta época solían utilizar tubos de calentamiento directo en un circuito de triodo de un solo extremo de clase A. La potencia de salida oscilaba entre unos pocos vatios y quizás 20 vatios para un amplificador excepcionalmente potente (los amplificadores semiconductores modernos producen mucha más potencia). Hoy en día, este tipo de circuito conserva un nicho de seguidores en el extremo más audiófilo de la alta fidelidad, donde a menudo se le denomina DH-SET.

Antes de la Segunda Guerra Mundial, casi todos los amplificadores electrónicos eran triodos que se utilizaban sin retroalimentación. La linealidad inherente, aunque imperfecta, de las válvulas permite obtener un rendimiento de distorsión aceptable sin corrección. La distorsión de amplitud en una etapa de triodo de clase A puede ser pequeña si se tiene cuidado de evitar que la corriente del ánodo sea demasiado baja y de asegurar que no circule corriente de rejilla en ningún punto. En este caso, la distorsión es principalmente un segundo armónico relativamente aceptable, cuyo porcentaje es directamente proporcional a la amplitud de salida. Añadir una retroalimentación negativa moderada mejora aún más la linealidad. Los pentodos con la misma disipación de potencia son capaces de ofrecer mayor potencia de salida que los triodos, pero la distorsión es mayor y más molesta.

Durante el período inmediatamente posterior a la guerra, el diseño de amplificadores de válvulas de alta fidelidad avanzó rápidamente gracias a la mejora de los transformadores de salida y la aplicación sistemática de la retroalimentación negativa en la topología push-pull. Un hito importante fue la publicación en 1947 del amplificador Williamson por DTN Williamson en Wireless World . ^{[ 2 ]} El diseño empleaba tetrodos de haz conectados en triodo en configuración push-pull, un transformador de salida de banda ancha y una retroalimentación negativa global sustancial, estableciendo objetivos de rendimiento como una distorsión armónica total de aproximadamente el 0,1 % a la salida nominal. ^{[ 2 ]}

La adopción generalizada de la configuración push-pull permitió el uso de transformadores más pequeños (y por lo tanto más baratos), ^{[ 3 ]} combinados con mayor potencia (normalmente de 10 a 20 vatios) para manejar los picos de corriente. Así nació la industria de la alta fidelidad .

En Estados Unidos, Frank H. McIntosh y Gordon J. Gow introdujeron la etapa de salida de acoplamiento unitario en 1949. ^{[ 4 ]} En esta configuración, el primario del transformador de salida se dividió de manera que la mitad de la impedancia de carga apareciera en los circuitos de placa de las válvulas de salida y la otra mitad en sus circuitos de cátodo. El transformador tenía un bobinado bifilar , y las rejillas de pantalla obtenían su voltaje instantáneo del bobinado de placa complementario. ^{[ 4 ]} Las descripciones contemporáneas señalaron que, por lo tanto, las válvulas de salida operaban parcialmente como seguidores de cátodo, introduciendo una retroalimentación inversa local dentro de la etapa de salida. ^{[ 5 ]} Se informó que esta configuración reducía la impedancia de salida y la distorsión de muesca de alta frecuencia asociada con la inductancia de fuga en las etapas push-pull convencionales de clase AB₁. ^{[ 4 ]}

Descripciones posteriores y divulgaciones de patentes generalizaron el concepto de acoplamiento unitario. ^{[ 6 ]} Si bien el transformador bifilar conservaba una simetría de CA estrecha entre los devanados de placa y cátodo, limitaba los voltajes de operación de CC de placa y pantalla a ser similares. Una implementación alternativa empleaba un transformador trifilar que incluía un devanado de pantalla separado y estrechamente acoplado, conservando las características de CA de la disposición de carga distribuida a la vez que permitía una alimentación de CC independiente para la pantalla. ^{[ 5 ]}

Otro desarrollo influyente fue la operación ultralineal , en la que las rejillas de pantalla de los tetrodos de haz se conectaban a tomas en el primario del transformador de salida. Aunque patentada anteriormente por Alan D. Blumlein, ^{[ 7 ]} la configuración fue popularizada en Estados Unidos por David Hafler y Herbert I. Keroes a partir de 1951. ^{[ 8 ]} En esta disposición, la conexión de pantalla introducía una fracción controlada de la tensión de placa en el circuito de pantalla y se describía como una forma de retroalimentación aplicada dentro de la etapa de salida. ^{[ 9 ]} La operación ultralineal proporcionaba características intermedias entre la conexión de triodo y pentodo, combinando una linealidad mejorada y una impedancia de salida reducida con una mayor eficiencia que la operación con conexión de triodo. ^{[ 8 ]}

Durante la década de 1950, los equipos de alta fidelidad se expandieron rápidamente más allá de los fabricantes especializados a medida que surgía un mercado de consumo más amplio para sistemas de alta fidelidad domésticos. ^{[ 10 ]} Las variantes de las topologías Williamson, Ultra-Linear y de carga distribuida se hicieron comunes en los amplificadores de alta fidelidad domésticos. El Dynaco ST-70, presentado en 1959 con una etapa de salida Ultra-Linear, se convirtió en uno de los amplificadores de alta fidelidad a válvulas más producidos. ^{[ 11 ]}

La amplificación por válvulas alcanzó su apogeo como tecnología dominante durante las décadas de 1960 y 1970, con un alto grado de desarrollo de dispositivos y circuitos. Desde entonces, solo se han introducido mejoras menores.

La última generación de válvulas de potencia, representadas por las KT66 , EL34 y KT88 , constituye la cúspide de la tecnología y la calidad de producción. Los amplificadores de válvulas fabricados desde entonces suelen utilizar una de estas válvulas, que se han mantenido en producción continua (a excepción de la KT66) desde entonces. La potencia de salida era típicamente de 20 vatios, y excepcionalmente de 35 vatios.

Las válvulas de pequeña señal cambiaron drásticamente, pasando de las válvulas de base octal, especialmente la familia 6SN7 , la válvula de audio preferida, a las más pequeñas y económicas de base noval ECC81 , ECC82 y ECC83 (en el Reino Unido; en EE. UU., conocidas como 12AX7, 12AT7, etc.). El pentodo de potencia EL84 de base noval, de menor potencia, se utilizó ampliamente en amplificadores de potencia ultralineales de 10 vatios, más económicos y que aún ofrecían alta fidelidad.

Los fabricantes de tubos comerciales desarrollaron diseños basados ​​en sus propios productos, sobre todo el circuito Mullard 5-10 . Este diseño y el de Williamson fueron ampliamente adoptados e imitados, con o sin reconocimiento al creador original.

Las radios y amplificadores de válvulas se utilizaron en los automóviles hasta que fueron reemplazados por las radios transistorizadas . Los transistores tenían la gran ventaja de funcionar con el voltaje proporcionado por la batería del automóvil. Las primeras radios requerían una unidad de potencia para convertir el voltaje de la batería a un valor suficientemente alto para las válvulas. Las radios posteriores utilizaron válvulas especiales diseñadas para funcionar directamente con una fuente de alimentación de 12 voltios. ^{[ 12 ]} Estas radios posteriores eran diseños híbridos que utilizaban transistores solo para las etapas de salida de audio, ya que una válvula amplificadora de potencia de 12 voltios no era práctica. Para esta y otras aplicaciones, los transistores son más pequeños, más baratos, más duraderos, consumen menos energía, se calientan menos y no necesitan calentarse.

Algunos aficionados prefieren los amplificadores de válvulas, por lo que aún se fabrican algunos autorradios con válvulas. Entre los fabricantes se encuentran Milbert Amplifiers, Blade, Manley y Sear Sound. Algunos son diseños híbridos que combinan transistores y válvulas.

Debido al pésimo rendimiento técnico de los primeros gramófonos, la falta de ecualizaciones estandarizadas, la mala calidad de los componentes y accesorios (incluidos los altavoces), los preamplificadores históricamente contenían circuitos de ecualización , tono y filtro extensos y muy flexibles , diseñados para ajustar la respuesta de frecuencia del amplificador y, por lo tanto, el sonido producido por el sistema.

Los preamplificadores de válvulas utilizan triodos o pentodos de bajo ruido ( EF86 ). El zumbido de la red eléctrica proveniente de los filamentos de los calentadores es un problema potencial en las etapas de válvulas de bajo nivel. Los amplificadores modernos se alimentan invariablemente de la red eléctrica; dado que en los amplificadores de válvulas de alta gama no es necesario minimizar los costos, la alimentación de los calentadores suele rectificarse e incluso regularse para reducir el zumbido al mínimo absoluto.

Un preamplificador de válvulas representativo de la década de 1950 es la serie de preamplificadores "varislope" de Leak, que incluía un filtro de ruido de fondo conmutable, un filtro de ruido de corte conmutable con pendientes y frecuencia de corte seleccionables, controles de tono de agudos y graves de variación continua y una selección de 4 ecualizaciones de gramófono diferentes (RIAA, orto, RCA, 78).

Los amplificadores de este período y anteriores suelen tener un sonido distintivo que hoy en día se conoce comúnmente como "sonido de válvulas" y "cálido". Este tono no se debe estrictamente al uso de válvulas en lugar de transistores; simplemente es un sonido que originalmente se asociaba con los amplificadores construidos con válvulas, simplemente porque era lo que estaba disponible en ese momento. Los orígenes de ese sonido en particular se deben en parte a:

• los diseños de circuitos típicos de la época (clase A o AB1), combinados con
  • circuitos simples con relativamente poca retroalimentación, que producen principalmente distorsión armónica baja (la retroalimentación que se podía aplicar estaba limitada por el desfase en el transformador de salida);
  • etapas de salida con bajo factor de amortiguación (alta impedancia de salida);
  • El uso de grandes cantidades de retroalimentación en circuitos semiconductores sin transformador de señal produce una distorsión pequeña, pero con una proporción mucho mayor de armónicos superiores que en los circuitos de válvulas.

Factores relevantes para los equipos de válvulas no diseñados según estándares de alta fidelidad:

• Los amplificadores de guitarra específicos tenían una respuesta de frecuencia y una distorsión adecuadas a su propósito.
• fuentes de alimentación subdimensionadas y no reguladas en amplificadores donde la potencia consumida variaba significativamente con la potencia de salida instantánea (la clase A no se veía afectada, las clases AB1, AB2, B, cada vez más),
• Transformadores de salida de baja calidad en equipos económicos.

• Jones, Morgan (2003). Amplificadores de válvulas (3.ª  ed.). Elsevier Science. ISBN 0-7506-5694-8.– sobre el diseño y la construcción de amplificadores de audio de válvulas
• Langford-Smith, F.; et  al. (1967) [1934]. Manual del diseñador de radiotrones (  Edición clásica). ISBN 0750636351.– Compendio de artículos de interés histórico para las personas en este campo.
• Trauenstein, Magnus. Röhrenverstärker [ Amplificadores de válvulas ] (en alemán). Viena: Allegro Verlag. ISBN 3-901462-00-7.– Contiene una breve introducción; el resto del libro son numerosas fotografías de amplificadores de válvulas.