Amplificador de válvula

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

Historia

Orígenes

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

En 1906, Lee De Forest agregó 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 la placa y la red a menudo se representa como una serie de "curvas características" en un diagrama. Dependiendo de los otros componentes en el circuito, este flujo de corriente modulado puede usarse para proporcionar ganancia de corriente o voltaje.

La primera aplicación de la amplificación de válvulas fue en la regeneración de señales de telefonía de larga distancia. Más tarde, se aplicó la amplificación de válvulas al sistema 'inalámbrico' mercado que comenzó a principios de los años treinta. A su debido tiempo, también se construyeron amplificadores para música y más tarde para televisión utilizando válvulas.

La topología de circuito 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 un circuito extremadamente simple con muy pocos componentes: importante a la vez. cuando los componentes eran hechos a mano y extremadamente caros. Antes de la Segunda Guerra Mundial, casi todos los amplificadores de válvula eran de baja ganancia y su linealidad dependía por completo de la linealidad inherente de la propia válvula, normalmente un 5 % de distorsión a plena potencia.

La retroalimentación negativa (NFB) fue inventada por Harold Stephen Black en 1927, pero inicialmente se usó poco ya que en ese momento la ganancia era escasa. Esta técnica permite que los amplificadores cambien la 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 fue 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, operando un circuito de salida push-pull en clase AB1 para brindar un rendimiento superior a sus contemporáneos.

Desarrollos de posguerra

La Segunda Guerra Mundial estimuló un progreso técnico espectacular y economías de producción a escala industrial. El aumento de la 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 gramófonos electrónicos y, en última instancia, los comienzos de la alta fidelidad. Hifi pudo conducir 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 'edad de oro' en el desarrollo de válvulas (tubos) y también en el desarrollo del diseño de circuitos amplificadores de válvulas.

Rápidamente se generalizó una variedad de topologías con solo variaciones menores (en particular, diferentes arreglos de divisores de fase y la conexión de transformador 'ultralineal' para tetrodos). Esta familia de diseños sigue siendo la topología dominante de amplificadores de alta potencia hasta el día de hoy para aplicaciones musicales. Este período también vio un crecimiento continuo en la radio civil, con válvulas que se utilizan tanto para transmisores como para receptores.

Rechazar

Desde la década de 1970, el transistor de silicio se hizo cada vez más generalizado. La producción de válvulas se redujo drásticamente, con la notable excepción de los tubos de rayos catódicos (CRT) y una gama reducida de válvulas para aplicaciones de amplificación. Las válvulas populares de baja potencia eran los triodos duales (ECCnn, serie 12Ax7) más el pentodo EF86, y las válvulas de potencia eran en su mayoría tetrodos de haz y pentodos (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 mantuvieron las válvulas en una medida mucho mayor que Occidente durante la Guerra Fría, para la mayoría de sus requisitos de amplificación militar y de comunicaciones, en parte debido a las válvulas ' capacidad para soportar sobrecargas instantáneas (en particular debido a una detonación nuclear) que destruirían un transistor.

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

Uso de audio

En las aplicaciones de audio, las válvulas siguen siendo muy deseadas por la mayoría de los usuarios profesionales, especialmente en los estudios de grabación' equipos y amplificadores de guitarra. Hay 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 "calentador" o más "natural" sonido de válvula Las empresas de Asia y Europa del Este continúan produciendo válvulas para atender este mercado.

Muchos guitarristas profesionales utilizan 'amplificadores de válvulas' por su renombrado 'tono'. 'Tono' en este uso se refiere al timbre, o tono de color, y puede ser una cualidad muy subjetiva para cuantificar. La mayoría de los técnicos y científicos de audio teorizan que la 'distorsión armónica uniforme' producido por 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 la 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 áspera al comienzo del recorte. Por esta razón, algunos guitarristas prefieren el sonido de un amplificador 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.

Características

Las válvulas de potencia normalmente funcionan con voltajes más altos y corrientes más bajas que los transistores, aunque los voltajes operativos de estado sólido han aumentado constantemente con las tecnologías de dispositivos modernos. Los transmisores de radio de alta potencia que se usan hoy en día operan en el rango de kilovoltios, donde todavía no hay otra tecnología comparable disponible. ([potencia = voltaje × corriente], por lo que la 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 usan válvulas son capaces de rangos de respuesta de frecuencia muy altos, hasta radiofrecuencia y muchos de los amplificadores de audio de triodo de un solo extremo (DH-SET) de calentamiento directo usan válvulas de transmisión de radio diseñadas para operar en el rango de megahercios. En la práctica, sin embargo, los diseños de amplificadores de válvulas suelen ser 'pareja'. etapas ya sea capacitivamente, limitando el ancho de banda en el extremo inferior, o inductivamente con transformadores, limitando el ancho de banda en ambos extremos.

Ventajas

• Ideal para circuitos de alta tensión.
• Se puede construir en una escala que puede disipar grandes cantidades de calor (algunos dispositivos extremos incluso siendo refrigerado el agua). Por esta razón, las válvulas seguían siendo la única tecnología viable para aplicaciones de muy alta potencia, como los transmisores de radio y televisión de larga data cuando los transistores habían desplazado válvulas en la mayoría de otras aplicaciones.
• Electricmente muy robustos, pueden tolerar sobrecargas durante minutos, lo que destruiría sistemas de transistores bipolares en milisegundos
• Soporta voltajes de pico transitorio muy altos sin daños, adaptándolos a ciertas aplicaciones militares e industriales
• Generalmente operan a voltajes aplicados muy por debajo de su capacidad máxima, proporcionando larga vida y fiabilidad
• Más suave al sobrecargar el circuito, que muchos audiofilos y músicos creen subjetivamente da un sonido más agradable y más musicalmente satisfactorio.

Desventajas

• Mala linearidad, especialmente con modestos factores de retroalimentación.
• Los tubos requieren un calentador de cátodo. El poder del calentamiento representa una pérdida de calor significativa y el uso de energía.
• Los tubos requieren mayores voltajes para los ánodos en comparación con los amplificadores de estado sólido de una potencia similar.
• Los tubos son significativamente mayores que los dispositivos de estado sólido equivalentes
• La alta impedancia y la baja corriente de salida es inadecuado para la unidad directa de muchas cargas del mundo real, especialmente diversas formas de motores eléctricos.
• Las válvulas tienen una vida laboral más corta que las partes del estado sólido debido a diversos mecanismos de falla (como calor, envenenamiento de 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), haciendo posible muchas configuraciones de circuito que no se pueden realizar directamente.
• Los circuitos de válvula deben evitar la introducción del ruido de los suministros de calentador AC.
• Microfonía – las válvulas pueden a veces ser sensibles al sonido o la vibración, actuando inadvertidamente como un micrófono.

Operación

Todos los circuitos amplificadores están clasificados 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 cuadrícula (donde se presenta la señal de entrada) debe ser parcialmente negativa con respecto a la catodo. Esto hace que sea extremadamente difícil combinar directamente la salida de una válvula a la entrada de una válvula siguiente como se hace normalmente en los diseños de transistor.
• Las etapas de válvula se unen con componentes clasificados para soportar varios cientos de voltios, típicamente un condensador, ocasionalmente un transformador de acoplamiento. Los cambios de fase introducidos por redes de acoplamiento pueden ser problemáticos en circuitos que tienen retroalimentación.
• No hay analógico de válvulas de los dispositivos complementarios ampliamente utilizados en las etapas de salida de los circuitos de silicio "totem pole". Por lo tanto, las topologías de la válvula push-pull requieren un separador de fase.
• La impedancia de salida muy alta de las válvulas (comparadas con transistores) generalmente requiere transformadores iguales para conducir cargas de baja impedancia como altavoces o cortando cabezas de torno. El transformador se utiliza como la carga, en lugar del resistor generalmente utilizado en pequeñas etapas de señalización y conductor. La impedancia reflejada del transformador primario en las frecuencias de uso es mucho más alta que la resistencia DC de los vientos, a menudo kilohms. Sin embargo, los transformadores de alto rendimiento son compromisos de ingeniería graves, son costosos y, en funcionamiento, están lejos de ser ideales. Los transformadores de salida aumentan drásticamente el costo de un circuito amplificador de válvula en comparación con una alternativa transistor de coacción directa. Sin embargo, en los amplificadores de tubo y estado sólido, se necesitan transformadores de salida para aplicaciones de dirección pública donde se utilizan líneas de baja pérdida de alta impedancia / alta tensión para conectar múltiples altavoces distantes.
• La linealidad abierta de válvulas, especialmente triodes, permite utilizar poca o ninguna retroalimentación negativa en circuitos, manteniendo un rendimiento aceptable o incluso excelente de distorsión (especialmente para pequeños circuitos).

Topologías

• Los circuitos lineales de señales pequeñas utilizan casi invariablemente un triodo en la topología de la etapa de ganancia única terminada (en la clase A), incluyendo la etapa de salida.
• Los amplificadores de válvula de banda ancha suelen utilizar la clase A1 o AB1.
• Las etapas de salida de alta potencia modernas suelen empujar el tirón, a menudo necesitando alguna forma de separador de fase para obtener una señal de unidad diferencial/balanceada de una sola entrada finalizada, típicamente seguida de una etapa de ganancia adicional (el "driver") antes de los tubos de salida. Por ejemplo, un amplificador regulado push-pull)
• Las etapas de potencia únicas terminadas utilizando válvulas muy grandes existen y dominan en aplicaciones de transmisor de radio. Una barra lateral es la observación de que la topología de nicho "DH-SET" favorecida por algunos audiofilos son extremadamente simples y típicamente construidas utilizando tipos de válvulas originalmente diseñados para su uso en transmisores de radio
• topologías más complejas (sobre todo el uso de cargas activas) pueden mejorar la linearidad y la respuesta de frecuencia (extrayendo efectos de capacitancia de Miller).

Impedancia de salida

La alta impedancia de salida de los circuitos de placa de tubo no se adapta bien a las cargas de baja impedancia, como altavoces o antenas. Se requiere una red coincidente para una transferencia de energía eficiente; esto puede ser un transformador en frecuencias de audio, o varias redes sintonizadas en frecuencias de radio.

En una configuración de seguidor de cátodo o placa común, la salida se toma de la resistencia del cátodo. Debido a la retroalimentación negativa (el voltaje del cátodo a tierra cancela el voltaje de la red a tierra), la ganancia de voltaje es cercana a la unidad y el voltaje de salida sigue al voltaje de la red. Aunque la resistencia del cátodo puede tener muchos kilohmios (dependiendo de los requisitos de polarización), la impedancia de salida de señal pequeña es muy baja (ver amplificador operacional).

Aplicaciones

Amplificadores de audiofrecuencia (AF) y de banda ancha

Las válvulas siguen siendo de uso generalizado en guitarras y amplificadores de audio de gama alta debido a la calidad de sonido percibida que producen. Son en gran parte obsoletos en otros lugares debido al mayor consumo de energía, distorsión, costos, confiabilidad y peso en comparación con los transistores.

Telefonía

La telefonía fue la original y durante muchos años fue una aplicación impulsora para la amplificación de audio. Un problema específico para la industria de las telecomunicaciones era la técnica de multiplexación de muchas (hasta mil) líneas de voz en un solo cable, en diferentes frecuencias.

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

Sonido

Hoy en día, la aplicación principal de las válvulas son los amplificadores de audio para alta fidelidad de alta fidelidad y uso en actuaciones musicales con guitarras eléctricas, bajos eléctricos y órganos Hammond, aunque estas aplicaciones tienen diferentes requisitos en cuanto a la distorsión que dan como resultado 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 de audio.

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

Amplificadores de instrumentación

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

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

En los últimos años de la era de las válvulas, las válvulas se usaban incluso para fabricar "amplificadores operativos" – 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. Una serie de "paquetes" se produjeron que integraron tales circuitos (generalmente usando dos o más sobres de vidrio) en un solo módulo que podría conectarse a un circuito más grande (como una computadora analógica). Dichos amplificadores operacionales de válvula estaban muy lejos de ser ideales y rápidamente se volvieron obsoletos, siendo reemplazados por tipos de estado sólido.

Amplificadores sintonizados de banda estrecha y radiofrecuencia

Históricamente, antes de la Segunda Guerra Mundial, los "tubos transmisores" estaban entre los tubos más potentes disponibles. Por lo general, estos tenían cátodos de filamentos toriados calentados directamente que brillaban como bombillas. Algunos tubos podían ser conducidos con tanta fuerza que el ánodo mismo brillaba de color rojo cereza; los ánodos se mecanizaron a partir de material sólido (en lugar de fabricarse a partir de láminas delgadas) para resistir 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 (de calentamiento directo) también se usaron 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 siguiente etapa del circuito 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 energía y la carga en la válvula, un llamado "circuito sintonizado".

Los circuitos de banda ancha requieren una respuesta plana en una amplia gama de frecuencias. Los circuitos de RF, por el contrario, generalmente se requieren para operar a altas frecuencias, pero a menudo en un rango de frecuencia muy estrecho. Por ejemplo, es posible que se requiera un dispositivo de RF para operar en el rango de 144 a 146 MHz (solo 1,4 %).

Hoy en día, los transmisores de radio están abrumadoramente basados en silicio, incluso en frecuencias de microondas. Sin embargo, una minoría cada vez menor de amplificadores de radiofrecuencia de alta potencia sigue teniendo una construcción de válvula.