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l AMPLIFICADOR DE VÁLVULAS: Estudio de los modelos de la tecnología de válvulas de vacío en amplificación Aplicación al sistema Hiwatt DR504 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial Técnica Especialidad Electrónica Autor: Alejandro Almazán Román Director: D. José María López Pérez Co-director: Dr. Abelardo Martínez Iturbe Zaragoza, Mayo 2013 Resumen El presente proyecto propone una revisión de la tecnología basada en válvulas mediante el estudio concreto de un modelo representativo dentro del campo de la amplificación. El punto de partida es retomar la tecnología de válvulas de vacío, y configurar modelos que permitan analizar circuitos basados en éstas, con sencillez y eficacia, así como el diseño de otros nuevos o mejora de los ya existentes. Esta memoria recoge el análisis del sistema seleccionado, un amplificador de válvulas, y el posterior contraste con la simulación en entorno SPICE realizada. A partir de ésta se ha puesto a prueba la fidelidad de los modelos existentes de válvulas para simulación y ha permitido extraer información relacionada con su respuesta frecuencial y la incidencia de cada parámetro modificable en la respuesta global del circuito. Finalmente, se deja constancia del montaje de un modelo real con el cual se ha podido contrastar los resultados obtenidos por simulación frente a los obtenidos en el laboratorio, completando así los pasos del proceso de diseño dentro del campo de la amplificación acústica desarrollada mediante válvulas de vacío. AMPLIFICADOR DE VÁLVULAS: Estudio de los modelos de la tecnología de válvulas de vacío en amplificación Aplicación al sistema Hiwatt DR504 ...............................................................................Resumen!3 ....................................................Capítulo 1. Introducción!12 !.................................................1.1. Ambito de desarrollo!12 ...!1.2. Audio. Transformar una señal eléctrica en sonido!13 ................!! 1.2.1. Transductor mecánico-eléctrico!14 ..................!! 1.2.2. Transductor eléctrico-acústico!16 !! ! ...............................................1.2.2.1. Diafragma!17 !! ! ...........................................1.2.2.2. Bobina móvil!17 !! ! ........................................................1.2.2.3. Imán!18 ..............................................................!1.3. Antecedentes!19 ....................................................................!1.4. Objetivos!22 ..................................................!1.5. Alcance del proyecto!22 ...........................................!1.6. Contenido de la memoria!23 ..................................Capítulo 2. Amplificador a válvulas!24 ...............................................................!2.1. Introducción!24 .........................................................!2.2. Topología básica!25 ..............................................!! 2.2.1. Alimentación!25 !! ! 2.2.1.1. Transformador de alimentación ..........!26 !! ! 2.2.1.2. Rectificación ....................................!28 !! ! .....................2.2.1.3. Condensadores de filtrado!30 ........................................!! 2.2.2. Preamplificación!30 !! ! .....................................2.2.2.1. Etapa 1. Canales!32 ........................!! ! 2.2.2.2. Etapa 2. EQ de 3 bandas!33 .....................!! ! 2.2.2.3. Etapa 3. Volumen maestro!34 ......................!! ! 2.2.2.4. Etapa 4. Etapa diferencial!34 ......................................!! 2.2.3. Etapa de Potencia!34 !! ! 2.2.3.1. Etapa Push-Pull con pentodos de potencia .............................................................................................!! ! 35 !! ! .........................2.2.3.2. Transformador de salida!36 ...........................................!! 2.2.4. Realimentación!36 Índice de contenidos Memoria ! ! !! ! ................2.2.4.1. Objetivo de la realimentación!36 ......................................!! ! 2.2.4.2. Funcionamiento!37 .............................................Capítulo 3. Bases del análisis!40 ...............................................................3.1. Introducción!40 ..3.2. Análisis de las etapas excitadas con pequeña señal!41 .............................!3.2.1. Metodología de análisis!41 ......!3.2.2. Etapa amplificadora básica con triodo!41 !! .............................................3.2.2.1. Polarización!41 ............................!!3.2.2.2. Respuesta a baja señal!43 ..!!3.2.2.3. Introducción de condesador de bypass!45 !.......3.2.3. Etapa seguidora de cátodo con triodo!47 !! .............................................3.2.3.1. Polarización!48 ............................!!3.2.3.2. Respuesta a baja señal!49 .....................!3.2.4. Etapa diferencial con triodos!59 !!“Long-tail” acoplado en DC !! .............................................3.2.4.1. Polarización!50 ............................!!3.2.4.2. Respuesta a baja señal!51 !.........3.2.5. Modelo de baja señal para pentodos!54 .....................................3.3. Modelo SPICE de la válvula!54 ....................!3.2.1. Curvas características en DC!54 !! ............3.2.1.1. Triodo de baja potencia: 12AX7!55 .............!!3.2.1.2. Triodo de baja potencia: 12AT7!59 ....................!!3.2.1.3. Pentodo de potencia: EL34!61 ...................Capítulo 4. Análisis de las etapas del DR504!66 ...............................................................4.1. Introducción!66 ..................................................4.2. Metodología a seguir!66 .......................................................................4.3. Etapa 1!67 .............................!4.3.1. Válvula 1. Canal Bright!67 .............................!!4.3.1.1. Punto de polarización!68 !!4.3.1.2. Factores derivados del punto de .........................................................................!! polarización!69 .................!!4.3.1.3. Factores que definen la etapa!69 ...........................!4.3.2. Válvula 1. Canal Normal!71 .............................!!4.3.2.1. Punto de polarización!71 !!4.3.2.2. Factores derivados del punto de ! ! .........................................................................!polarización!71 .................!!4.3.2.3. Factores que definen la etapa!71 !Simulación SPICE ................!4.3.3. Canal Normal Hi-Gain. SPICE!72 !.................!4.3.3.1. Modelado SPICE de la etapa!73 !!4.3.3.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .........................................................................de la etapa polarizada!73 ...........................!!4.3.3.3. Impedancia de entrada!73 ..............................!!4.3.3.4. Impedancia de salida!74 .................................................!!4.3.3.5. Ganancia!75 !..............4.3.4. Canal Normal Low-Gain SPICE!76 !! .................4.3.4.1. Modelado SPICE de la etapa!76 !!4.3.4.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .........................................................................de la etapa polarizada!76 ...........................!!4.3.4.3. Impedancia de entrada!76 ..............................!!4.3.4.4. Impedancia de salida!77 .................................................!!4.3.4.5. Ganancia!78 !...................4.3.5. Canal Bright Hi-Gain SPICE!79 !.................!4.3.5.1. Modelado SPICE de la etapa!79 !!4.3.5.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .........................................................................de la etapa polarizada!79 ...........................!!4.3.5.3. Impedancia de entrada!79 ..............................!!4.3.5.4. Impedancia de salida!80 .................................................!!4.3.5.5. Ganancia!81 !................4.3.6. Canal Bright Low-Gain SPICE!81 !! .................4.3.6.1. Modelado SPICE de la etapa!81 !!4.3.6.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .........................................................................de la etapa polarizada!82 ...........................!!4.3.6.3. Impedancia de entrada!82 ..............................!!4.3.6.4. Impedancia de salida!83 .................................................!!4.3.6.5. Ganancia!84 ........................................................................4.4. Etapa 2!84 !4.4.1. Válvula 2. Etapa amplificadora pre-Tone ..............................................................................Stack!! 84 .............................!!4.4.1.1. Punto de polarización!85 !!4.4.1.2. Factores derivados del punto de .........................................................................!polarización!86 .................!!4.4.1.3. Factores que definen la etapa!86 !Simulación SPICE !4.4.2. Etapa amplificadora pre-Tone Stack. ! ! . ................................................................!SPICE!! ! 87 !! .................4.4.2.1. Modelado SPICE de la etapa!87 !!4.4.2.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .........................................................................de la etapa polarizada!87 ...........................!!4.4.2.3. Impedancia de entrada!88 ..............................!!4.4.2.4. Impedancia de salida!88 .................................................!!4.4.2.5. Ganancia!90 !...................................4.4.3. Tone Stack. SPICE.!90 !! .................4.4.3.1. Modelado SPICE de la etapa!90 ...........................!!4.4.3.2. Impedancia de entrada!91 ..............................!!4.4.3.3. Impedancia de salida!92 .............................!!4.4.3.4. Respuesta frecuencial!93 .......................................................................4.5. Etapa 3!98 .................!4.5.1. Válvula 3. Etapa amplificadora!98 .............................!!4.5.1.1. Punto de polarización!98 !!4.5.1.2. Factores derivados del punto de .......................................................................!polarización!100 ...............!!4.5.1.3. Factores que definen la etapa!100 ......!4.5.2. Válvula 3. Etapa seguidor de cátodo!100 ...........................!!4.5.2.1. Punto de polarización!101 !!4.5.2.2. Factores derivados del punto de .......................................................................................polarización!102 ...............!!4.5.2.3. Factores que definen la etapa!102 !Simulación SPICE !4.5.3. Etapa amplificadora de Volumen Maestro . ..............................................................!SPICE!! ! 102 !! ...............4.5.3.1. Modelado SPICE de la etapa!103 !!4.5.3.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .......................................................................de la etapa polarizada!103 .........................!!4.5.3.3. Impedancia de entrada!104 ............................!!4.5.3.4. Impedancia de salida!104 ...............................................!!4.5.4.5. Ganancia!105 !........................4.5.4. Etapa seguidor de cátodo!106 !! ...............3.5.2.1. Modelado SPICE de la etapa!106 !!3.5.2.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .......................................................................de la etapa polarizada!106 .........................!!3.5.2.3. Impedancia de entrada!106 ............................!!3.5.2.4. Impedancia de salida!107 ...............................................!!3.5.2.5. Ganancia!107 ...... ..............................................................4.6. Etapa 4!! ! 108 ! ! .....................!4.6.4. Válvula 4. Etapa diferencial!108 ...........................!!4.6.4.1. Punto de polarización!108 !!4.6.4.2. Factores derivados del punto de .......................................................................!polarización!111 ...............!!4.6.4.3. Factores que definen la etapa!111 !4.6.5. Etapa diferencial “long tail” acoplada en ....... ..............................................................!DC!! ! 112 !! ...............4.6.5.1. Modelado SPICE de la etapa!112 !!4.6.5.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .......................................................................de la etapa polarizada!112 .........................!!4.6.5.3. Impedancia de entrada!113 ............................!!4.6.5.4. Impedancia de salida!114 ...............................................!!4.6.5.5. Ganancia!114 ...... ..............................................................4.7. Etapa 5!! ! 116 ..............!4.7.1. Válvulas 5 y 6. Etapa Push Pull!116 !! ..................................4.7.1.1. EL34’s .Pentodos!116 ...........................!!4.7.1.2. Punto de polarización!118 !!4.7.1.3. Factores derivados del punto de .......................................................................!polarización!118 ...............!!4.7.1.4. Factores que definen la etapa!120 !Simulación SPICE !4.7.2. Etapa Push-Pull desarrollada por 2 EL’s34 ............. ..............................................................!!!! 120 !! ...............4.7.2.1. Modelado SPICE de la etapa!120 !!4.7.2.2. Extracción de parámetros de pequeña señal .......................................................................de la etapa polarizada!120 .........................!!4.7.2.3. Impedancia de entrada!121 ............................!!4.7.2.4. Impedancia de salida!121 ...............................................!!4.7.2.5. Ganancia!122 ............................Capítulo 5. Resultados experimentales!124 ................5.1. Introducción: Características de modelo!124 5.2. Niveles de alimentación y tensión de polarización de ..............................................................los componentes!125 ........................................5.3. Señal de excitación inicial!126 ..........5.4. Primera experiencia. Entradas Hi/Low gain!128 .....................................5.5. Análisis de la primera etapa!129 ....................................5.6. Análisis de la segunda etapa!131 ......5.7. Modificaciones en la etapa de EQ de 3 bandas!133 ! ! ................................................5.8. Análisis de la etapa 3!136 ................................................5.9. Análisis de la etapa 4!137 ...............5.10. Análisis de etapa de potencia Push-Pull!139 .................................5.11. Análisis de la realimentación!140 ..............................................Capítulo 6. Conclusiones!! 143 .............................................................6.1. Introducción!143 .............................................................6.2. Conclusiones!143 ............................6.3.Posibles líneas de continuación!....144 .............................................Anexo A. Válvulas de vacío!147 .........................................................A.1. Diodo de vacío!147 ........................................................A.2. Triodo de vacío!150 .............................A.3. Tetrodos y pentodos de vacío!....151 ..........................Anexo B. Polarización del componente!153 Polarización en las válvulas de vacío ......................................................................B.1. Triodo!153 ..............................................!B.1.1. Modo corte!154 .............................................!B.1.2. Modo activo!154 !! .......................B.1.2.1. Polarización por cátodo!155 ....................................................................B.1. Pentodo!156 .......................................!B.2.1. Polarización fija!157 ................................Anexo C. Modelo de pequeña señal!158 ................................C.1. Circuito equivalente dinámico!158 .............................................!C.1.1. Polarización!158 !C.1.2. Acoplamiento de la señal de excitación alterna ............................................................................!! ! 159 !C.1.3. Trayectoria de las componentes incrementales ............................................................................!! ! 160 .......................................!C.1.4. Dipolo de salida!160 ...................................!! C.1.5. Dipolo de entrada!161 Anexos ! ! El campo propio del imán magnetiza las cuerdas de metal ferromagnético y atraviesa perpendicularmente las espiras del bobinado. La vibración de las cuerdas magnetizadas, en conjunto con el campo, provoca variaciones de flujo magnético de forma transversal sobre el conductor. Estas variaciones producen una FEM, de acuerdo con la ley de Lenz, dentro del conductor. La variación de la dirección del flujo está en función de la proximidad de la cuerda al imán desde su punto de reposo, lo que implica también, por tanto, la dirección de la corriente inducida. Finalmente, en bornes de la bobina obtendremos una señal de tensión alterna proporcional a la vibración de la cuerda. •1.2.2. Transductor eléctrico-acústico. El altavoz dinámico de bobina móvil es el transductor electroacústico más generalizado y popular. Existe una gran variedad de chasis, imanes y bobinas, así como geometrías de diafragma y materiales a escoger. Por este motivo, se han desarrollado diversas clases de altavoces dinámicos de bobina móvil que cubren bandas de frecuencia y niveles de potencia específicos para cada aplicación. Fig.1.5. Sección de un altavoz dinámico móvil de 8’’. 1: bobina móvil, 2: imán, 3: yugo o culata, 4: entrehierro, 5: pieza polar, 6: diafragma, 7: araña, 8: carcasa, 9: tapa de retención de polvo, 10:anillo elástico. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 16 Los elementos más importantes se detallan a continuación. ‣1.2.2.1 Diafragma La superficie móvil que radia el sonido y está unida a la bobina es el diafragma, también llamado “cono”, su forma cónica le otorga mayor rigidez que los planos. Como contrapartida, para frecuencias por encima del rango del pistón, la geometría cónica presenta direcciones preferentes de radiación que lo alejan de la teórica onmidireccional. El material utilizado, sobre todo en altavoces grandes, es cartón fibroso recubierto de una capa de resina que le da mayor rigidez. La parte central tiene una tapa que protege al entrehierro de polvo y otras partículas que con el tiempo podrían provocar fricción. Esta tapa antipolvo suele ser de mayor tamaño que la bobina móvil lo que hace que ésta parezca más grande de lo que realmente es. El diafragma está suspendido con un sistema centrador constituido por un anillo elástico periférico que sujeta la carcasa y otro inferior, también llamado “araña”, que sujeta la parte central. La función de ambos es absorber las ondulaciones del diafragma, evitando todo movimiento que no sea axial. ‣1.2.2.2 Bobina móvil La señal eléctrica se aplica a la bobina móvil del altavoz, que está constituida por varias espiras de hilo devanadas sobre un cilindro rígido que va unido al diafragma, esta bobina se mueve por la fuerza de Lorenz. El cilindro está fabricado en papel en modelos sencillos o en aluminio en altavoces de gran potencia para disipar el calor producido. El material del que está fabricado el hilo es cobre esmaltado o aluminio para reducir peso, característica fundamental en el comportamiento del altavoz. Fig 1.6. Las dimensiones del cilindro deben ser tales que le permitan moverse dentro del entrehierro sin peligro de rozamiento. Un problema muy importante es la dilatación del bobinado debido al calentamiento que tiende, que tiende a desplegarlo del soporte cilíndrico al cual está arrollado. Existen dos soluciones a este problema: un doble bobinado, es decir, un bobinado interior y otro exterior sobre el soporte cilíndrico, lo que Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 17 proporciona una buena disipación térmica; o bobinas autosoportadas, que no poseen soporte cilíndrico porque están pegadas con un material aglutina de poco peso y gran capacidad de disipación de calor. Fig.1.6. Bobina móvil de un altavoz dinámico. ‣1.2.2.3 Imán Los altavoces actuales están construidos por imanes permanentes de ferrita con forma anular. El campo magnético se cierra a través de la pieza polar, el núcleo cilíndrico concéntrico con el imán y la culata. Entre el núcleo central y el imán queda un pequeño espacio denominado entrehierro, donde se inserta al bobina. El entrehierro debe ser de dimensiones reducidas para aprovechar al máximo la inducción magnética entre bobina e imán. La pieza polar, que está fabricada de un metal de alta permeabilidad, forma un camino de baja reluctancia para dirigir el campo magnético a través del entrehierro. La bobina debe construirse de modo que el número de espiras dentro del entrehierro sea constante, de no ser así se produciría falta de linealidad y ocasionaría distorsión. En esencia, el funcionamiento del altavoz es el siguiente. La señal de salida del amplificador, de tipo alterna, se hace fluir por la bobina del altavoz generando así un electroimán. La bobina se encuentra permanentemente bajo Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 18 la acción del campo magnético del imán permanente, de tal manera que la polarización del electroimán debido a la corriente que fluye por éste, determinará la repulsión o atracción de la bobina por el imán permanente. Al encontrarse el diafragma pegado al soporte cilíndrico de la bobina, todo movimiento realizado por la bobina estará seguido por el movimiento del diafragma realizando un desplazamiento de tipo pistón que generará la onda de sonido. 1.3. Antecedentes de la válvula de vacío. El nacimiento de la amplificación acústica va ligada al de la electrónica y se desarrolla enormemente durante todo el siglo XX. El punto de partida podría situarse en 1906, cuando Lee De Forest patentó una válvula que posteriormente sería conocida como triodo. Fig.1.7. Fig.1.7. Audion de De Forest (1906), posteriormente conocido como triodo. La válvula de Fleming, patentada en 1904, fue la primera válvula de vacío. Ésta estaba basada en el principio de emisión termoiónica estudiado por Edison, contaba con un filamento y dos electrodos. Era útil para rectificar oscilaciones de alta frecuencia y así poder medirlas posteriormente con un galvanómetro durante el desarrollo del telégrafo inalámbrico. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 19 En un intento de mejorar dicha función, De Forest introdujo un tercer electrodo dando como resultado un componente que no solo captaba y rectificaba oscilaciones de alta frecuencia si no que, además, era capaz de amplificarlas. La introducción del triodo y su posterior evolución supuso la apertura de un amplio abanico de posibilidades en el modelado de señales eléctricas. Explotó el mundo de la electrónica y de las comunicaciones y fue el centro de inventos como la telefonía a larga distancia, la comunicación por radio, el sistema de radar y los primeros elementos digitales en ordenadores. El transistor bipolar (BJT), patentado en 1947, fue el sustituto del triodo. Era capaz de desarrollar las mismas funciones como amplificador e interruptor pero de una manera más eficiente y con un volumen mucho menor. El desarrollo de los componentes electrónicos tomó un nuevo rumbo a partir del descubrimiento del silicio como material semiconductor. Posteriormente llegaron los transistores de efecto campo (FET) que, aunque llevaban un largo tiempo de estudio desde que el descubrimiento fue patentado en 1925 por Julius Lilienfeld, no se dio una correcta explicación a su funcionamiento hasta 1947 en los laboratorios Bell. El primer JFET eficiente se crearía años más tarde y no sería hasta 1960 cuando se produjo otro gran salto en la tecnología de los componentes electrónicos con la introducción del MOSFET por Dawon Kahng y Martin Atalla. Pese a la ya existencia de circuitos integrados, la disipación de calor de estos presentaba su mayor problema, el avance más significativo vino gracias a la combinación de un transistor tipo-n y otro tipo-p (MOSFETs) dando lugar a la tecnología CMOS en 1967. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 20 Fig.1.8. Tetrodos 6550 de alta potencia fabricados por Tung-Sol. La válvula de vacío como componente electrónico no tiene cabida en prácticamente ningún campo salvo en la amplificación musical. Donde el objetivo no reside en la eficiencia si no en la riqueza y calidad de la reproducción. Dentro de esta parcela de mercado, en la industria de la música, existen un gran número de empresas dedicadas al diseño y fabricación de equipos de alta fidelidad para uso profesional, como Manley Labs, Inc.(http://www.manley.com) o la empresa sueca Nagra(http://www.nagraaudio.com/highend/); así como equipos de alta gama para uso doméstico, donde el diseño cobra igualmente importancia, un ejemplo representativo está en los productos de la empresa de Chicago, Specimen(http://www.specimenproducts.com); además de la cantidad de marcas de larga trayectoria destinadas exclusivamente a la construcción de amplificadores para instrumentos para uso tanto profesional como aficionados, como pueden ser la americana Fender(http://www.fender.com/es-ES/) y las británicas Marshall(http://www.marshallamps.com) u Orange(http://www.orangeamps.com), entre otras. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 21 1.4. Objetivos del proyecto. Ante la ausencia de información de base para el diseño, el presente proyecto pretende reproducir el desarrollo de los métodos de análisis y síntesis de diseño de las etapas implicadas en amplificación mediante válvulas. Como ejemplo particular de la aplicación de la metodología se ha seleccionado un modelo concreto de amplificador de guitarra eléctrica sobre el cual centrar el estudio, el Hiwatt DR504. Los conocimientos adquiridos permitirán el diseño y el criterio para la reparación y modificación de etapas centradas en la tecnología valvular dentro del campo de la amplificación. 1.5. Alcance del proyecto. El desarrollo del proyecto se ha desarrollado en varias fases, cumplimentando los siguientes objetivos: •selección de un modelo sencillo que contenga diversas etapas tipo realizadas con válvulas y una configuración de potencia de tipo Push-Pull, valido para extrapolar el estudio a otros modelos de características semejantes. •estudio de la tecnología de válvulas de vacío para llevar a cabo el análisis del esquema seleccionado. •análisis mediante simulación en entorno SPICE. •montaje del modelo. •validación experimental de los resultado en contraste con el modelo en simulación. •conclusiones en base a los resultados. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 22 1.6. Contenido de la memoria. El trabajo realizado está dividido en dos grandes bloques: memoria y anexos. La memoria la conforman seis capítulos. El primer capítulo presenta el proyecto, lo sitúa en el marco de estudio desde el cual se aborda y establece el alcance del proyecto y los objetivos a cumplimentar. El segundo capítulo sitúa el amplificador dentro de su contexto, dónde se genera la señal de entrada y qué pasa con ella a la salida del amplificador. Una vez determinada la función del amplificador en el entorno global, se desglosa en una serie de bloques y se hace una breve descripción de cada uno de ellos. El tercer capítulo sienta las bases necesarias sobre las cuales se cimentará el análisis de las etapas parciales que conforman el amplificador. Se presentará el modelo de las etapas en pequeña señal y la metodología de análisis. Además, se determinará la validez del modelo de las válvulas para el análisis en entorno SPICE mediante la comparación de su funcionamiento con los datos ofrecidos en la hojas de características. El cuarto capítulo constituye el núcleo de la memoria. En él, se analizan las etapas del amplificador con los valores del resto de componentes del diseño, estableciendo el modo de operación y los parámetro más relevantes derivados de éste. El mismo análisis se realiza en el entorno de simulación, se contrastan los datos, y se extrae información adicional, como la respuesta frecuencial de la etapa y las impedancias dinámicas de entrada y de salida. El quinto capítulo es una revisión de los datos extraídos del modelo real en el laboratorio y los contrasta con los obtenidos en la simulación. El sexto capítulo establece las conclusiones a las que se ha llegado y proponen una serie de líneas de continuación del proyecto. Toda información adicional de la que se ha hecho uso durante la elaboración de este proyecto está recopilada en los anexos. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 1: Introducción 23 2.1. Introducción. En el presente proyecto nos centramos en el modelo de Hiwatt DR504 Custom 50 como amplificador de válvulas, mostrado en la Fig. 2.1. Fig.2.1. Imagen del amplificador Hiwatt DR504 Custom 50. Capítulo 2: Amplificador de válvulas El segundo capítulo sitúa el amplificador dentro de su contexto, dónde se genera la señal de entrada y qué pasa con ella a la salida del amplificador. Una vez determinada la función del amplificador en el entorno global, se desglosa en una serie de bloques y se hace una breve descripción de cada uno de ellos. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 24 Sin embargo, las partes que conforman el diseño no difieren de centenares de modelos que han sido comercializados desde finales de los 50, cuando Fender desarrolló y popularizó amplificadores de mayor potencia donde se optaba por la etapa push-pull desarrollada con válvulas como la más habitual para alcanzar un rango mayor de potencia de salida. En esta sección se detallan puntos clave que se tienen en cuenta a la hora de seleccionar los componentes de cada uno de bloques. Éstas son: alimentación, preamplificación, etapa de potencia y realimentación. 2.2. Topología básica. El diagrama básico, que da una idea de la estructura que conforma todo amplificador, está reflejado en la Fig. 2.2. Acto seguido se detalla cada bloque haciendo hincapié en sus componentes más sensibles y cómo se ha abordado su selección. Fig.2.2. Diagrama de bloques habitual que contiene un amplificador. •2.2.1. Alimentación. Se parte de la toma de corriente habitual de 230V a una frecuencia de 50 Hz como fuente de suministro. Un cable universal de 3 polos “CEE 7/7- Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 25 ‣2.2.2.1. Etapa 1. Canales. El modelo de amplificador de válvulas del presente proyecto cuenta con dos canales: a) Canal Normal. b) Canal Bright. A su vez, estos dos canales cuentas con dos entradas: una de alta ganancia y otra de baja. Estas dos entradas se distinguen en su impedancia, consecuentemente, la entrada “Low” atenuará la amplitud de la señal, mientras que la “Hi” mantendrá prácticamente en su totalidad la amplitud hasta la entrada en la primera etapa. Cada uno de los canales cuenta con volumen independiente. A medida que incrementemos estos, más señal dejaremos pasar con la correspondiente distorsión que vendrá asociada. Fig.2.9. Canales Bright (Brilliant) y Canal Normal. ‣2.2.2.2. Etapa 2. EQ de 3 bandas. Es común en los amplificadores de instrumentos tener la posibilidad de retocar el sonido mediante una pequeña etapa de ecualización. En este caso cuenta con tres potenciómetros: Treble, Middle y Bass. Fig. 2.10. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 32 Fig.2.10. Etapa de EQ de 3 bandas. El circuito que lo conforma recibe el nombre de Tone Stack. El triodo que lo precede es una etapa amplificadora. ‣2.2.2.3. Etapa 3. Volumen maestro. La etapa final habitual, antes de pasar a la última etapa de la preamplificación es un volumen maestro (Fig. 2.11.) que permite aumentar la amplitud de la onda una vez ya “moldeada” en las etapas anteriores. En el caso de las válvulas, éste incremento de volumen lleva asociado también una distorsión llegado a un nivel. Esto es algo que en el caso de trabajar con transistores es fácil de evitar. Fig.2.11. Etapa de Volumen Maestro seguida de un seguidor de cátodo. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 33 ‣2.2.2.4. Etapa 4. Etapa diferencial. Siempre que se trate de un amplificador con una etapa de potencia push-pull, la última etapa de la preamplificación consistirá en una etapa diferencial (Fig. 2.12). Esas dos salidas desfasadas 180º serán las entradas de la etapa de potencia. Hay varias topología que se pueden adoptar para desarrollar una etapa diferencial mediante válvulas, siempre en función de la necesidad y la disponibilidad de material. Es habitual integrar en esta etapa la realimentación proveniente del secundario del transformador de salida. Fig.2.12. Etapa Diferencial del amplificador Hiwatt DR504. •2.2.3. Etapa de potencia. ‣2.2.3.1.Etapa Push-Pull con pentodos de potencia La topología para el desarrollo de potencia más habitual a partir de los 15W, en válvulas, es la de la etapa push-pull. El circuito lo conforman dos pentodos trabajando en contrafase (Fig. 2.13). La señal de entrada se aplica a las rejas de control de los pentodos. En el caso del circuito del Hiwatt DR504, la etapa previa en la etapa diferencial, lo que implica que el desfase de 180º ya existe entre las dos señales de excitación. Si los pentodos estuviesen polarizados para trabajar en clase B (corriente de polarización = 0), cuando decrece la Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 34 señal en la entrada de la válvula 1, en la válvula 2 la señal de entrada crece, lo que implica que la válvula 2 pasa a estar en corte durante ese medio ciclo, mientras la válvula 1 amplifica e invierte la señal recibida en ánodo. En semiciclo subsiguiente, ocurre lo contrario. Encargándose así de trabajar solo medio ciclo cada válvula , permaneciendo el otro medio en reposo. Una de las ventajas del amplificador en contrafase es que los armónicos de ambos péntodos están en concordancia de fase y por tanto se destruyen en el transformador de salida. Sin embargo la presencia del tercer armónico es muy intenso y la distorsión termina no resultando pequeña. Una manera de evitarlo es hacer trabajar las válvulas en Clase AB polarizándolas ligeramente. Fig.2.13. Esquema de la parte de potencia del circuito del amplificador Hiwatt Custom 50. En él se aprecia la etapa Push-Pull y el modo de conexionado con el transformador de salida. ‣2.2.3.2. Transformador de salida El transformador de salida (Fig.2.13) es el último elemento por el cual pasa la señal hasta llegar al altavoz. El escogido en el modelo, es el transformador de salida habitual utilizado como reemplazo del diseño original. Al ser un transformador para conformar la salida de una etapa pushpull, éste cuenta con una toma central en el primario. La impedancia AC del devanado según las especificaciones es de 3.9 kΩ cuando en el secundario está Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 35 la carga establecida. En el caso del secundario cuenta con 2 posiciones para dos posibles impedancias en la carga: 8Ω y 16Ω. Esta diseñado para desarrollar una potencia de 75W, por tanto es una elección segura frente a lo 50W máximos que puede aportar la pareja de El34’s trabajando conjuntamente. •2.2.4. Realimentación. ‣2.2.4.1. Objetivo de la realimentación La introducción de un lazo de realimentación desde el secundario del transformador a una etapa anterior, normalmente de un terminal de selector de impedancia de transformador a la etapa diferencia, tiene como función: homogeneizar la ganancia en el rango frecuencial, aumentar el ancho de banda en la amplificación y reducir la distorsión generada en las etapas que abarcan el lazo. ‣2.2.4.2. Funcionamiento La ganancia en la realimentación determina la cantidad de reducción de la ganancia en lazo abierto y de la distorsión. Así mismo, reduce la impedancia de salida. Los valores típicos para un amplificador de guitarra oscila entre los 6 y 10 dB’s. La cantidad de realimentación también determina el rango de influencia de control de “Presence”, ya que este atenuará la realimentación a altas frecuencias, lo que aumentará esas frecuencias en la salida. Un divisor mediante dos resistencias determina la cantidad de realimentación que llegará desde el secundario del transformador. Fig. 2.14. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 36 Fig.2.14. Detalle de la entrada del lazo de realimentación desde el secundario del transformador de salida. Normalmente, la cantidad está subordinada a la amplitud de la salida de la etapa donde se esté inyectando y, por tanto, al diseño global de la misma. En el caso del Hiwatt, las resistencias son 10KΩ y 470Ω provocando un factor atenuante de 0.0449 con respecto de la señal del transformador. La señal que provenga del transformador tendrá un valor máximo de: (2.1) Por tanto, si Pmax= 50 W y R= 16 Ω (por el selector del cual proviene la señal),V_RMS= 28.28. La amplitud de la señal seria de 40V, mientras que la que finalmente llegase sería de 40x0.0449 = 1.796 V. ‣2.2.4.3. Implicaciones del diseño La manera más sencilla de abordar la realimentación es observar el paralelismo entre el comportamiento de una etapa amplificadora no inversora hecha con un A.O. y la acción global de la etapa diferencial, la etapa push-pull y el transformador de salida, Fig.2.15. La ganancia en lazo abierto vendrá representada por “A”, Fig .2.16. La ganancia del lazo de alimentación es: (2.2) Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 37 Fig.2.15. Etapa diferencial, etapa push pull y lazo de realimentación cerrado desde el secundario del transformador de salida. En el Anexo F se detallan los pasos que llevan a la traducción de nuestro sistema en un diagrama de bloques tomando como partida la etapa no inversora. Finalmente, la ganancia en lazo cerrado al despreciar Ro es: (2.3) Habitualmente, en el caso de amplificadores de guitarra, Ro es posible despreciarlo por ser muy pequeño en comparación con Rf. Fig.2.16. A.O. en un circuito que simula el mismo comportamiento que el de la etapa diferencial, la etapa Push-Pull y el transformador de salida, para analizar la realimentación del sistema. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 38 Una vez conocida la ganancia en lazo abierto desde la entrada diferencial hasta el terminal de 16 Ω del transformador y las resistencias implicadas, es directo el cálculo de la ganancia en lazo cerrado aplicando la fórmula (2.3). Una vez calculada esta se puede calcular la reducción de ganancia debida a la realimentación mediante: (2.4) De una manera inversa se puede calcular el valor de las resistencias para lograr la atenuación deseada mediante la realimentación. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 2: Amplificador de válvulas 39 3.1. Introducción. En el capítulo 3 se establece una metodología de análisis de las etapas parciales cimentado en el modelo de pequeña señal del triodo, Fig .3.1. Fig. 3.1. En la imagen, válvula triodo (izquierda) y modelo de pequeña señal (derecha). Capítulo 3: Bases del análisis El tercer capítulo sienta las bases necesarias sobre las cuales se cimentará el análisis de las etapas parciales que conforman el amplificador. Se presentará el modelo de las etapas en pequeña señal y la metodología de análisis. Además, se determinará la validez del modelo de las válvulas para el análisis en entorno SPICE mediante la comparación de su funcionamiento con los datos ofrecidos en la hojas de características. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 40 El Anexo C expone paso a paso el comportamiento que desemboca al establecimiento del triodo como un generador de corriente dependiente de la tensión Vgk. En el apartado 3.2, se establecen una serie de pautas para determinar los parámetros característicos a partir de las etapas que integran el circuito del amplificador, presentadas de forma genérica. En el apartado 3.3, se observa con detenimiento los modelos de las válvulas que intervienen en el diseño con el simulador SPICE. Se pretende comprobar de esta manera la fidelidad del comportamiento del modelo con respecto al descrito en la curvas características. 3.2. Análisis de las etapas excitadas con pequeña señal. •3.2.1. Metodología del análisis El análisis consistirá en: a) polarización. b) sustitución por el modelo de pequeña señal. Al inyectar una pequeña señal sobre el circuito, podremos extraer la ganancia de la etapa y ver los parámetros que influyen en el resultado. En este punto del proyecto se pretende orientar los conocimientos adquiridos hacia el modelo en concreto estudiado. Sin embargo, con el fin de no perder un punto de vista global, la sustitución de los valores se llevará a cabo en última instancia. •3.2.2. Etapa amplificadora básica con triodo ‣3.2.2.1. Polarización La etapa amplificadora más simple realizada con una triodo la conforman: el propio triodo, la resistencia de carga R_L, la resistencia de cátodo R_k y la fuente de continua, HT, que alimenta el sistema. La resistencia R_g es habitual para evitar la caída de tensión continua en el circuito de grilla. C1 por su parte, cumple la función de condensador de acoplo a de la siguiente etapa. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 41 (aprox.). La intersección de la línea de carga con la corriente de placa muestra el punto de polarización Q(Vak, Ia). (3.13) Siendo HT conocida y Vg fruto de la salida de la etapa anterior, se puede obtener gráficamente sobre las curvas características, Fig.3.7. Fig.3.7. Polarización del triodo 12AX7 como seguidor de cátodo sobre las curvas características, HT= 290, R_k = 100K, Vg=72V. ‣3.2.3.2. Respuesta a baja señal El análisis de la ganancia vendrá dado por la resolución del circuito tras la sustitución del triodo por el circuito modelado para baja señal, Fig.3.8. Fig.3.8. Circuito de la etapa seguidora sustituyendo el triodo por su modelo para baja señal. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 48 Aplicando Kirchoff a la malla de entrada. (3.14) Se aplica Kirchoff a la malla de salida. (3.15) Al conocer directamente la relación entre la corriente i_a y v_gk: (3.16) (3.17) Despejando i_2: (3.18) Extraer la ganancia de la etapa a partir de este resultado: (3.19) Las consideraciones más relevantes que se pueden extraer de este resultado son dos. La primera, observar el carácter no inversor de la etapa como era de esperar. La segunda, al despejar el valor resultante será muy próximo a la unidad siempre que se cumpla: (3.20) Estas dos consideraciones no hacen más que reafirmar la características más relevantes de la etapa seguidora. •3.2.4. Etapa diferencial con triodos Una etapa diferencial tiene como salida, como su nombre indica, una diferencia entre dos tensiones. En el caso del diseño del Hiwatt se optó por la etapa “long-tail” acoplada en DC (Fig. 3.9), la cual se analiza a continuación. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 49 Long-tail pair acoplada en DC. ‣3.2.4.1 Polarización Esta etapa presenta dependencia de la señal que proviene de la etapa anterior. La tensión de polarización vendrá definida por la diferencia entre la componente de continua de la entrada y la tensión que exista en los cátodos, unidos en el mismo punto eléctrico (Fig. 3.9.). Como la corriente de grilla se considera nula y el cátodo es común, ambos triodos tendrán la misma Vgk. Si las resistencias de carga son iguales, la intensidad de polarización será la misma. El proceso de cálculo de R_L_1, Rt_2’ y Rt_3’ se hace como si la el triodo estuviese solo. Una vez establecida la corriente de polarización, R_L_2 se eligen del mismo valor o similar a R_L_1 y las resistencias de “tail” quedan definidas como: (3.20) (3.22) Fig.3.9. Esquema de una etapa diferencial “long tail pair” acoplado en DC. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 50 ‣3.2.4.2. Respuesta a baja señal Sustituimos los triodos por su circuito equivalente. C_G2 junto con Rg hace que G2 esté cortocircuitada con el punto intermedio entre Rt_2 y Rt_3. En consecuencia, el triodo b (el de la derecha en la Fig.3.9) esta excitada por grilla con vf_in, de valor pequeño, que produce una señal pequeña invertida en la salida vo_b. Además, el triodo b está excitado con una señal de v_k mucho mayor por cátodo. A este le corresponde una tensión no invertida de ganacia en vo_b. Fig.3.10. Modelo para determinar la salida al excitar el triodo por cátodo y mantener la v_g constante. La tensión en grilla se mantiene constante: (3.23) Aplicando Kirchoff: (3.24) (3.25) Despejamos en la ecuación 3.24: (3.26) El resultado es una salida en fase con v_k y, por tanto, en fase con respecto a v_in. La ganancia vendrá dada por la ecuación 3.27. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 51 (3.27) Para sacar la ganancia de la etapa, se lleva a cabo un análisis por superposición. Las situaciones que se presentan son dos: a) Excitación del sistema con dos entradas iguales. b) Estableciendo un valor doble de i_k de lo obtenido, excitar solo una de ellas. Situación a) Fig.3.11. Modelo para determinar la ganancia de la etapa diferencial frente a una excitación v_in. Se establece una acción simétrica por parte de los dos triodos haciendo: (3.28) Al excitar con v_in por G1, el triodo b va a ser excitado indirectamente a través de cátodo debido a la misma señal v_in. La ganancia resultante es: (3.29) Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 52 Situación b) Fig.3.12. Modelo para determinar la variación de i_1 con respecto la entrada v_in. Para establecer la corriente de la etapa cuando están funcionando los dos triodos y ver la respuesta al excitar solo un triodo, el valor de las resistencias de cátodo se ha doblado, ya que lo dos suministran la misma corriente. Esto sitúa Vk a al tensión necesaria. De éste modelo obtenemos la relación existente entre i_1 que circula por la carga y la tensión v_in: (3.30) Siendo R_T la suma en serie de las resistencias de cátodo: (3.31) Solución Por superposición, las dos situaciones anteriores modelan el sistema como se representa en la Fig. 3.12. en forma de diagrama de bloques. La relación entre las entradas es: (3.32) La ganancia total se determina a partir del diagrama. (3.33) Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 53 Fig.3.13. Modelo en diagrama de bloques de la etapa diferencial “long tail pair”. •3.2.5. Modelo de baja señal para pentodos El circuito equivalente del modelo de pequeña señal para pentodos es el mismo que para triodos dado que se basa en los mismos principios. El análisis, por tanto, de una etapa desarrollada con un pentodo será análogo al del caso de un triodo. Fig. 3.14. En la imagen, válvula pentodo (izquierda) y modelo de pequeña señal (derecha). Los terminales son: G1= grilla de control; G2 = grilla de pantalla; A=ánodo; K =cátodo; S =grilla supresosa. 3.3. Modelo SPICE de las válvulas: 12AX7, 12AT7, EL34. •3.3.1. Curvas características en DC. En este apartado muestro los modelos utilizados durante la simulación. Estos modelos han sido diseñados por particulares y colgados en diversas webs orientadas exclusivamente al modelado de válvulas. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 54 Para la elección de un modelo en concreto se ha adoptado, en esencia, dos criterios en el siguiente orden de prioridad: el que más se aproximaba al comportamiento representado por las curvas características aportadas por el fabricante y el que, por cómo estaba desarrollado el código, más legible y comprensible resultaba. Los autores de los modelos advierten de los propósitos no comerciales de los modelos y que, en según que casos, son sólo un comienzo para el posterior desarrollo, más exacto, de los modelos con los que trabajar. En este caso concreto, dado que no es un objetivo en este proyecto, no se ha desarrollado nada al respecto, es decir, no se ha modificado los modelos en pro de ajustarlos, en mayor grado, a la realidad. ‣3.3.1.1. Triodo de baja potencia: 12AX7. Utilizando las herramientas de SPICE, el análisis de barrido en DC (DC Sweep) ofrece un primer acercamiento al modelo, muy rápido y eficaz, para determinar la precisión de su comportamiento. Se observa que las curvas generadas por el modelo ponen en relación la corriente ánodo-cátodo en función de la tensión de ánodo-cátodo y la tensión de grilla-cátodo. El circuito implementado para el análisis es el de la Fig.3.15. Fig.3.15. Circuito para el análisis DC de un triodo. Las fuentes V1 y V2 serán las que realizarán el barrido. V1, la tensión de grilla-cátodo, va desde 0 a -5 V, con un paso de 0.5 V. V2, tensión de ánodo-cátodo, va desde 0 a 350 V, con un paso de 5 V. La salida se obtiene en Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 55 la corriente de ánodo-cátodo del triodo. El comando utilizado para el análisis han es el siguiente: Se han obtenido las siguientes curvas características, Fig.3.16: Fig.3.16. Curvas características I(Va,Vg) obtenidas en simulación utilizando el modelo de triodo ECC83/ 12AX7 . En esencia el modelo lo constituye una fuente de corriente , situada entre ánodo y cátodo dependiente de una tensión. La tensión de la que depende es una serie de fuentes de tensión dependientes a su vez de otras. En este caso concreto, la proximidad con las curvas proporcionadas por el fabricante y la contención de los diversos modelos de triodos a utilizar en el mismo archivo de librería han sido determinantes para trabajar con este modelo. La curva característica de transferencia, que pone en relación la corriente de ánodo en función de la tensión de grilla-cátodo para unos valores de tensión de ánodo, queda según el modelo simulado, con el aspecto de la Fig.3.17. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 56 Fig.3.17. Curvas características de transferencia I(Vg,Va) obtenidas en simulación por el modelo de triodo ECC83/ 12AX7 . Todo modelo de triodo en el archivo “dmtriodep.inc” parte del subcircuito “TRIODENH”, mostrado en la Fig.3.18, que presenta en sus primeras líneas una serie de parámetros constantes que serán redefinidos para cada modelo concreto de triodo. La “NH” del nombre hace referencia a “non-heater” en el cual no se hace referencia a los filamentos ni su proceso de calentamiento. Sin embargo, el archivo sí contiene la posibilidad de seleccionar un modelo donde dicha característica no se obvia, de ahí la pertinente distinción. La utilización de este modelo, “TRIODE”, más completo, sería útil para un estudio del comportamiento de la válvula en su transitorio inicial, cuando se produce el calentamien- to del filamento y el fenómeno de la termoionización. En el presente proyecto, se ha escogido el modelo “NH” para desarrollar la simulación del amplificador dado que el comportamiento de la válvula cuando ha alcanzado su régimen permanente, en términos de la temperatura del filamento, es el de interés a la hora analizar el circuito: Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 57 gráficas con valores de tensión de pantalla diferentes. Para contrastar, en el caso de simulación, las curvas para una tensión de pantalla de 360 V son las Fig.3.26. y Fig.3.27. Fig.3.26.Curvas características obtenidas por el modelo de EL34 del archivo “Tube.lib” para una tensión de pantalla de 360V. En el modelo de “Tube.lib” sigue habiendo un error máximo de aproximadamente 25 mA sobre el valor expuesto en las curvas del fabricante; mientras que en el caso del archivo “6ca7.lib” un error anterior máximo de 25 mA por debajo del valor indicado por las curvas del fabricante se ha doblado a 50 mA por debajo del valor indicado. Ambos modelos presentan imprecisión. Al servirnos del modelo “Tube.lib” la llegada a la disipación de potencia máxima de 25 Watios se producirá antes, lo que nos hará trabajar con valores inferiores y, por tanto, más seguros a la hora de realizar el paso a los componentes reales. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 64 Fig.3.27.Curvas características obtenidas por el modelo de EL34 del archivo “6ca7.lib” para una tensión de pantalla de 360V. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 3: Bases del análisis 65 4.1. Introducción En capítulo 4 abarca el análisis de las etapas en base al modelo equivalente desarrollado de pequeña señal y el análisis de las mismas en el entorno de simulación SPICE. 4.2. Metodología a seguir. Los siguientes puntos establecen la sucesión de pasos que se llevarán a cabo para la determinación de los valores necesarios para obtener la ganancia de las etapas: Capítulo 4: Análisis de las etapas del DR504 /Modelado de las etapas parciales En este capítulo se analizan las etapas del amplificador por separado usando el valor de los componentes del diseño, estableciendo el punto de operación y los parámetro más relevantes derivados de éste. El mismo análisis se realiza en el simulador SPICE obteniendo la respuesta frecuencial de la etapa y las impedancias dinámicas de entrada y de salida. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 66 a) Válvula utilizada. b) Punto de polarización. c) Factores de transconductancia, resistencia interna y factor amplificador en función de lo anterior. d) Solución numérica de los factores que definan la etapa. Comenzaremos el recorrido en la primera válvula de la etapa preamplificadora e iremos avanzando hasta las válvulas de la etapa de potencia. Siguiendo de esta manera la señal de entrada en su paso por cada válvula hasta llegar a la carga. Una vez hallados los valores de los factores característicos derivados del punto de polarización, se procederá a contrastar lo hallado con lo obtenido en la simulación. Además, el análisis se completará con la respuesta frecuencial de la etapa, las impedancias de entrada y la de salida. 4.3. Etapa 1. •4.3.1. Válvula 1. Canal Bright. La válvula utilizada es una 12AX7, también designada por el fabricante Mullard-Phillips en Europa como ECC83. En el interior de la cápsula se encuentran dos triodos completamente independientes el uno del otro. La etapa que se desarrolla se muestra en la Fig.4.3es una etapa de ganancia con condensador de bypass. Es la primera etapa del amplificador y viene designada por “Canal Bright”. El condensador de bypass, al potenciar los agudos, es el responsable de ésta distinción. En la entrada hay dos conectores TS hembra para cada canal. El superior tiene la designación “Low gain” mientras que el de abajo viene nombrado como “Higain”, ofreciendo una diferente impedancia de entrada cada una de ellas. De esta manera la entrada “Low gain”, atenúa la onda de entrada en el caso de necesidad. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 67 ‣4.3.1.1. Punto de polarización Tabla.4.1. Exhibe el valor de la tensión de alimentación, al resistencia de carga y la resistencia de cátodo. HT [V] R_L [Ω] R_K [Ω] 290 220K 2K2 El punto de polarización se establece sobre las curvas características (Fig.4.1) mediante la recta de carga y sobre la curva de transferencia (Fig.4.2). Los extremos serán los puntos A,B,C,D de la Tabla 4.2.: Tabla.4.2. Muestras los valores de los puntos situados en la curva característica de salida de la Fig. 4.1. y Fig. 4.2. Ia [mA] Va [V] A B C D 0 290 1.32 0 0.2 -0.5 0.9 -2 Fig.4.1. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características de salida del triodo(Válvula 1, canal Bright). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 68 Fig.4.2. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características de transferencia (válvula 1, canal Bright). El punto de operación Q es (Va=155V; Ia= 0.6 mA; Vg=-1.4V) ‣4.3.1.2. Factores derivados del punto de operación ‣4.3.1.4. Factores que definen la etapa La etapa (Fig.4.3),cuenta con un condensador en el cátodo lo que hace que potencie la salida eliminando el factor de realimentación producido por la incidencia de la resistencia R_k a partir de un determinado rango de frecuencias (paso alto). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 69 Fig.4.3. Circuito de la etapa de ganancia incluye el condensador de “bypass” y el condensador de acoplo con los valores de diseño. La ganancia de tensión de la etapa es: (4.1) La ecuación 4.1. representa un sistema con un zero y un polo. Sin embargo, normalmente no es necesaria tanta precisión en este comportamiento, siendo además predecible la respuesta por ser un simple filtro de primer orden. Hay una conocida fórmula derivada de esta que expresa la ganancia a medio camino entre el nivel máximo y el mínimo. La frecuencia la llamamos de “half boost” y vendrá expresada por: (4.2) Se puede reducir aún más considerando : (4.3) A esta frecuencia la ganancia se ha reducido en un factor 0.707. La ganancia máxima de la etapa es de: (4.4) Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 70 Av= 36.88 dB’s. El signo menos en la expresión indica que la etapa es inversora. •4.3.2. Válvula 1. Canal Normal. La primera etapa del “Canal Normal” se muestra en la Fig. 4.4. Es una etapa de ganancia sin condensador de bypass. Cuenta con dos conectores TS hembra de entrada como en el caso anterior. La resistencia de 68k-Ω presente en ambas entradas, es una resistencia que tradicionalmente se ha puesto para reducir posibles perturbaciones en la señal de entrada. La proximidad entre la reja de control y ésta es vital para optimizar el efecto. ‣4.3.2.1. Punto de polarización Las características son las mismas que en el triodo A, por tanto. El punto de polarización es el mismo (Tabla.4.1). ‣4.3.2.2. Factores derivados del punto de polarización Por el mismo razonamiento, son los mismos que en el triodo del canal Bright: ‣4.3.2.3. Factores que definen la etapa La ganancia de la etapa vendrá dada por: (4.5) Av = 32.24 dB’s. Es una etapa inversora. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 71 Fig.4.4. Circuito de la etapa de ganancia con los valores del diseño. Válvula 1, canal Normal. Simulación SPICE. Debido a las 4 entradas del amplificador, 2 correspondientes al canal Normal y otras dos correspondientes al canal Brillante, dividiremos la primera etapa desarrollada por los dos triodos que conforman la válvula en: canal “Normal Hi-gain”, canal “Normal Low-gain”, canal “Bright Hi-gain” y canal “Bright Low-gain”. •4.3.3. Canal Bright Hi-gain. SPICE. La configuración de la Fig. 4.5, correspondiente al canal “brillante” , muestra un circuito con una determinada respuesta frecuencial que favorece a un rango de altas frecuencias. Esta respuesta se traduce en un timbre más agudo que el aportado por el canal “normal”. Como se ha comentado con anterioridad, este canal también cuenta con una entrada de “alta-ganancia” y otra de “baja-ganancia”. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 72 ‣4.3.3.1. Modelado SPICE de la etapa. Fig.4.5.Esquema en SPICE del circuito correspondiente al canal Bright y entrada de Hi-gain. ‣4.3.3.2. Extracción de parámetros de pequeña señal de la etapa polarizada. Se obtienen en simulación al variar los parámetros una vez situado el triodo en el punto de polarización. ‣4.3.3.3. Impedancia de entrada. Según la simulación la impedancia de entrada mostrada en la Fig. 4.6, tiene la forma de un polo -zero (red de retraso - adelanto): Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 73 a adoptar un valor menor por efectos de la capacidad parásita de puerta cátodo, se reduce al valor R1 + R3. Fig.4.14. Diagrama de la impedancia dinámica de entrada. ‣4.3.5.4. Impedancia de salida. Fig.4.15. Diagrama de la impedancia dinámica de salida. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 80 La impedancia dinámica de salida tiene un valor próximo a 220KΩ en el rango de interés, se debe a R2. ‣4.3.5.5. Ganancia. Av = 30.5 dB’s. Es prácticamente constante. Fig.4.16. Diagrama de Bode de la etapa 1 del canal Normal entrada Hi-Gain. •4.3.6. Canal Normal Low-gain. SPICE. ‣4.3.6.1. Modelado SPICE de la etapa. El circuito resultante de la etapa con entrada de “bajaganancia” . Se muestra en la Fig. 4.17. La entrada se aplica a través de un divisor resistivo. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 81 Fig.4.17.Esquema en SPICE del circuito correspondiente al canal Normal y entrada de Low-gain. ‣4.3.6.2. Extracción de parámetros de pequeña señal de la etapa polarizada. ‣4.3.6.3. Impedancia de entrada. La Fig. 4. 18 muestra la impedancia dinámica de entrad. Ésta se mantiene en 135 KΩ, es debida a R3 + R31.Una impedancia menor que la de la entrada “Hi-gain”, próxima a 1MΩ. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 82 Fig.4.18. Diagrama de la impedancia dinámica de entrada. ‣4.3.6.4. Impedancia de salida. Fig.4.19. Diagrama de la impedancia dinámica de salida. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 83 Se establece entorno a 220KΩ durante el rango frecuencial de interés. Se debe a R2. ‣4.3.6.5. Ganancia. Av = 24.7 dB’s. Presenta un comportamiento plano en rango de interés. Fig.4.20. Diagrama de Bode de la etapa 1 del canal Normal entrada Low-Gain. 4.4. Etapa 2. •4.4.1. Válvula 2. Etapa amplificadora “pre-Tone Stack”. En la segunda válvula, una 12AX7, uno de los triodos no es utilizado. Según el cableado del original el triodo utilizado es el B coincidente con los Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 84 pines 6, 7 y 8 de la válvula (ánodo, reja de control y cátodo respectivamente). La utilización de un triodo u otro no tiene especial relevancia. ‣4.4.1.1. Punto de polarización Tabla.4.3. Muestra el valor de la tensión de alimentación, al resistencia de carga y la resistencia de cátodo. HT [V] R_L [Ω] R_K [Ω] 330 100K 1K El punto de polarización lo establecemos sobre las curvas características mediante la recta de carga, también indicado en la curva de transferencia. Los extremos serán: Tabla.4.4. Muestras los valores de los puntos situados en la curva característica de salida de la Fig. 4.21. y 4.22. Ia [mA] Va [V] A B C D 0 330 3.3 0 0.5 -0.5 2 -2 Fig.4.21. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características del triodo. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 85 Fig.4.22. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características de transferencia. El punto de operación Q es (Va=187V; Ia= 1.32 mA; Vg=-1.3V). ‣4.4.1.2. Factores derivados del punto de operación ‣4.4.1.3. Factores que definen la etapa La ganancia de la etapa viene dada por la expresión: (4.6) Av = 31.81 dB’s. Etapa inversora. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 86 Simulación SPICE. La simulación en SPICE nos permite explorar esta segunda etapa con mayor profundidad. En el apartado anterior, el análisis sólo contempla el funcionamiento del triodo que interviene, sin embargo, es interesante destacar la implicación de la parte central de la etapa, el EQ de 3 bandas y a cuyo circuito nos referiremos como Tone Stack. •4.4.2. Etapa amplificadora pre-Tone Stack. SPICE. ‣4.4.2.1. Modelado SPICE de la etapa. Fig.4.23. Esquema en SPICE del triodo que precede al filtro ecualizador de 3 bandas y el circuito de Tone Stack. ‣4.4.2.2. Extracción de parámetros de pequeña señal de la etapa polarizada. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 87 ‣4.4.2.3. Impedancia de entrada. Fig.4.24. Diagrama de la impedancia dinámica de entrada. Va decreciendo desde 20MΩ a 80Hz (bajas frecuencias) hasta 470KΩ en 20KHz donde permanece constante, sin embargo, ya pertenece a un margen frecuencial que carece de interés para nuestro propósito. ‣4.4.2.4. Impedancia de salida. Esta etapa resulta sensible a la impedancia de entrada de la siguiente etapa. Habitualmente, el circuito que conforma el Tone-Stack no tiene una impedancia de entrada tal alta como la que pueda tener una etapa amplificadora. Esto supone que esta influirá en la impedancia de salida de la etapa. En el supuesto de una impedancia mucho mayor, la impedancia dinámica de salida permanece estable en unos 100KΩ, debido a R12( Fig.4.25). La experiencia de colocar el Tone-Stack produce una caída en la impedancia de salida de la etapa reflejada en la Fig.4.26. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 88 Fig.4.25. Diagrama de la impedancia dinámica de salida. Fig.4.26. Diagrama de la impedancia dinámica de salida con Tone Stack como carga. Se puede apreciar la variación de la impedancia dinámica a lo largo del rango frecuencial cuando al etapa de ganancia le sucede una etapa con una impedancia de entrada de valor no muy alto. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 89 e) En esta posición, los graves están recortados. Fig.4.36. Treble: max; Mids: max; Bass: min. f) Con el potenciómetro de Mids en mínimo, se observa una abrupta caída en los rangos centrales. Fig.4.37. Treble: max; Mids: min; Bass: max. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 96 g) En esta posición hay un aumento en forma de dos picos atenuando las frecuencias más agudas. Fig.4.38. Treble: min; Mids: max; Bass: max. h) En esta posición hay un aumento en forma de dos montes atenuando las frecuencias más agudas. Fig.4.39. Treble: max; Mids: max; Bass: max. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 97 4.5. Etapa 3. •4.5.1. Válvula 3. Etapa amplificadora. Tercera válvula de la etapa de preamplificación (Fig.4.43), la válvula es una 12AX7. El primer triodo conforma una etapa amplificadora con condensador de “bypass” parcial. El potenciómetro que llega a la reja de control es el encargado de control de volumen maestro del amplificador. ‣4.5.1.1. Punto de polarización Tabla.4.6. Tensión de alimentación y resistencias de carga y de cátodo de la etapa. HT [V] R_L [Ω] R_K [Ω] 290 100K 2K2 El punto de polarización se ha establecido sobre las curvas características mediante la recta de carga y sobre la curva de transferencia. Los extremos son: Tabla.4.7. Valores de los puntos señalados en la Fig.4.40. y 4.41. Ia [mA] Va [V] A B C D 0 290 2.9 0 0.22 -0.5 0.91 -2 Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 98 Fig.4.40. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características del triodo. Fig.4.41. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características de transferencia. El punto de operación Q es (Va=210V; Ia= 0.8 mA; Vg=-1.8V). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 99 ‣4.5.1.2. Factores derivados del punto de operación ‣4.5.1.3. Factores que definen la etapa La ganancia de la etapa a bajas frecuencias vendrá dada por: (4.7) Av = 27.84 dB’s. Etapa inversora. La frecuencia de ganancia media desde un extremo al otro por la acción del condensador de cátodo viene dada por: (4.8) La ganancia máxima será: (4.9) Av= 34.74 dB’s. Etapa inversora. ‣4.5.2. Válvula 3. Etapa seguidora de cátodo. Segundo triodo de la tercera válvula,12AX7. Este triodo desarrolla una etapa conocida como seguidor de cátodo, suministra corriente en función de la Rk directamente desde la fuente de alimentación. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 100 ‣4.5.2.1. Punto de polarización Tabla.4.8. Tensión de alimentación y resistencias de carga y de cátodo de la etapa. HT [V] R_L [Ω] R_K [Ω] 330 0 100K El punto de polarización lo establecemos sobre las curvas características mediante la recta de carga y sobre la curva de transferencia. Los extremos serán: Tabla.4.9. Valores de los puntos señalados en la Fig.4.42. Ia [mA] Va [V] A B C D 0 330 3.3 0 0.73 0 0.73 252.5 Fig.4.42. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características del triodo. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 101 El punto de polarización se encuentra en Q (Va=252.5V; Ia= 0.733 mA; Vg=-2.25V). Al tomar la consideración de Vg=Vk, ésto sirve de aproximación, en punto de polarización real se encontrará en torno a Vgk=-2.1V. ‣4.5.2.2. Factores derivados del punto de operación ‣4.5.2.3. Factores que definen la etapa La ganancia de la etapa viene dada por: (4.10) Av = -0.188 dB’s . Esta etapa atenúa mínimamente. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 102 Simulación SPICE. Siguiendo con el procedimiento, el análisis mediante simulación nos aporta información adicional inmediata. •4.5.3. Etapa de ganancia Volumen Maestro. SPICE. ‣4.5.3.1. Modelado SPICE de la etapa. Fig.4.43. Esquema en SPICE de la etapa un etapa amplificadora seguida de una seguidor de cátodo. ‣4.5.3.2. Extracción de parámetros de pequeña señal de la etapa polarizada. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 103 ‣4.5.3.3. Impedancia de entrada. La posición del potenciómetro de volumen maestro regula lo que llega al siguiente triodo y afectará en una pequeña porción la respuesta frecuencial por su interacción con la capacidad equivalente de entrada. Fig.4.44. Diagrama de la impedancia dinámica de entrada. La impedancia dinámica de entrada permanece en un valor alto en el rango frecuencial de la señal de excitación. A medida que se van llegando a frecuencias mayores (ej. 5KHz) la impedancia se va reduciendo hasta el orden de centenas de KΩ. ‣4.5.3.4. Impedancia de salida. Mantiene un valor de unos 80KΩ hasta su aumento en las proximidades de 1KHz donde se encuentra a 200KΩ, según muestra la Fig. 4.45. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 104 Fig.4.45. Diagrama de la impedancia dinámica de salida. ‣4.5.3.5. Ganancia. Av(f=400Hz)= 26.7 dB’s. Se observa la ausencia del condensador de “bypass” a altas frecuencias provocando una ganancia mayor, Fig.4.46. Fig.4.46. Diagrama de la impedancia dinámica de salida. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 105 complejidad de la etapa hace que la herramienta de SPICE sea de gran valor a la hora de entender qué ocurre en todo momento. Las dos señales resultantes (inv y non_inv) serán las ondas de entrada de la etapa push-pull. •4.6.2. Etapa diferencial long-tail acoplada en DC. SPICE. ‣4.6.2.1. Modelado SPICE de la etapa. Fig.4.55. Diagrama en SPICE del inversor long tail acoplado en DC. ‣4.6.2.2. Extracción de parámetros de pequeña señal de la etapa polarizada. Triodo A Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 112 Triodo B ‣4.6.2.3. Impedancia de entrada. La impedancia dinámica de entrada se establece en 1MΩ en un rango amplio. Próxima a la frecuencia de 1KHz, la impedancia empieza a descender en valor hasta prácticamente un 1MHz donde parece empezar a mantenerse nuevamente. Fig.4.56. Diagrama de la impedancia dinámica de entrada. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 113 ‣4.6.2.4. Impedancia de salida. Ante una posible siguiente etapa de alta impedancia, las impedancias de salida presentan unos valores altos. Sería de esperar, como en las etapas anteriores, impedancias de salida de menor valor. En este casos, se establecen prácticamente constantes en 825KΩ. Fig.4.57. Diagrama de la impedancia dinámica de salida. En azul, Zout Inv; en rojo, Zout Non Inv. ‣4.6.2.5. Ganancia. Av_inv (f= 400 Hz) = 25 dB’s [Azul] en la Fig.4.58. Av_non inv (f= 400 Hz) = 24.46 dB’s [Rojo] en la Fig.4.58. La ganancia diferencial es muestra en la Fig.4.59. Av (f =400 Hz) = 29.3 dB’s. Coincide con lo analizado anteriormente extraído del modelo de pequeña señal. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 114 Fig.4.58. Diagrama de Bode de la etapa diferencial. En el caso de la etapa diferencial, la función de transferencia obtenida a través del modelo de pequeña señal establece una dependencia lineal con al resistencia de carga de cada triodo. Fig.4.59. Diagrama de Bode de la salida diferencial (v_inv+. - v_inv-) frente a la señal de entrada v_in. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 115 4.7. Etapa 5. Etapa de potencia. •4.7.1. Válvula 5 y 6. Etapa Push-Pull. Los pentodos utilizado son dos válvulas EL34 de 25W de disipación máxima (Fig. 4.62), éstos se encargan de la parte de amplificación de potencia. En el caso del amplificador a estudio, las dos válvulas están configuradas a modo de etapa push-pull en clase AB. El punto de operación será el mismo para los dos pentodos, simplemente trabajarán con un desfase de 180º. ‣4.7.1.1. Punto de polarización Tabla.4.11. Muestra los valores de la tensión de alimentación de la etapa y la tensión de polarización. HT1 [V] HT2 [V] Vgk [V] 430 425 -36 La impedancia dinámica del primario del transformador de salida es 3.8 kΩ cuando tenemos conectada la carga establecida en el secundario. La impedancia estática será nula, situando la tensión de ánodo en HT1. Implica que: La corriente de ánodo, Ia = 60 mA. La corriente por la reja de pantalla, Ig2 = Ia/ 7 = 8.57 mA. La corriente resultante por cátodo, Ik = 68.57 mA. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 116 Fig.4.60. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas de transferencia del pentodo. Fig.4.61. Situación del punto de polarización Q sobre las curvas características del pentodo extraídas por simulación. Q (Va= 430V; Ia = 60mA; Vgk= -36V). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 117 ‣4.7.1.2. Factores derivados del punto de operación ‣4.7.1.3. Factores que definen la etapa El modelo en pequeña señal del pentodo deriva del triodo. Los dos electrodos con los que cuenta, la grilla de pantalla y la supresora, tienen su mayor influencia a nivel frecuencial. Por tanto, el modelo en pequeña señal utilizado con anterioridad para triodos será igualmente válido para pentodos, Fig.4.62, cambiando el valor de sus parámetros característicos permitiendo de esta manera al componente, suministrar una mayor corriente. Fig.4.62. Modelo de circuito equivalente de pentodo para una excitación con pequeña señal. De esta manera, la ganancia sale de manera análoga y vendrá dada por la expresión: Av = 16 dB’s. Etapa inversora. La potencia disipada por cada válvula viene dada por: Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 118 Nueva situación de polarización. La tensión de polarización del circuito original fuerza a trabajar a las válvulas de potencia al límite de su capacidad. Esto se traduce en un acortamiento de la vida del componente y a posibles distorsiones indeseadas. Sería recomendable reducirlo. Si Ia = 40mA y Va = 430V: El punto Q se establecería en (Vgk= -40 V) como un punto de polarización más aceptable. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 119 Simulación SPICE. El modelo de los péntodos en SPICE, como se apreciaba en el capítulo 3, es menos próximo al comportamiento real que en caso de los triodos. Aún en el caos de la pérdida de precisión, el análisis se puede realizar de la misma manera observando el modo de trabajo de los dos pentodos de manera conjunta. •4.7.2 Etapa 5. Etapa Push-Pull. SPICE. ‣4.7.2.1. Modelado SPICE de la etapa. Fig.4.63. Diagrama en SPICE de la etapa de potencia. ‣4.8.2.2. Extracción de parámetros de pequeña señal de la etapa polarizada. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 120 El coeficiente de ganancia µ, presenta un valor excesivamente alto poniendo en evidencia un modelado no preciso de la válvula. ‣4.7.2.3. Impedancia de entrada. Fig.4.64. Diagrama de la impedancia dinámica de entrada coincidente para las dos entradas de la etapa de potencia. Presenta una impedancia dinámica de entrada de 100KΩ constante en una banda plana hasta aproximadamente los 10KHz, donde empieza a descender debido a las capacidades parásitas de la grilla de control. Ambos pentodos trabajan del mismo modos, por tanto, la impedancia será similar en los casos. ‣4.7.2.4. Impedancia de salida. El modelo simulado presenta una impedancia dinámica de salida ba- ja en todo rango, prácticamente constante en todo el rango. El valor que se muestra en la Fig.4.65. de 58Ω. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 4: Análisis de la etapas del DR504 121 5.4. Primera experiencia. Entradas Hi / Low gain. La primera comprobación realizada ha sido la de comprobar la atenuación de la entrada de “low-gain” frente a la de “high-gain” del canal Bright. Situando directamente la sonda en el terminal de grilla del primer triodo del canal la diferencia es evidente. En la Fig.5.3. se puede observar la atenuación resultante de la señal tras la entrada “low-gain”. Fig.5.3. Señal que llega al terminal de grilla del primer triodo desde la entrada “low-gain”. T1 (max=120mV; min=-216mV). Fig.5.4. Señal que llega al terminal de grilla del primer triodo desde la entrada “hi-gain”. T1 (max=224mV; min=-416mV). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 128 En contra punto, en la Fig.5.4., la señal permanece prácticamente invariable con la inyectada desde el exterior. De aquí en adelante, la experimentación se realizará inyectando por el terminal de “hi-gain”. 5.5. Análisis de la etapa 1. El comportamiento de la primera válvula es correcto. La primera etapa consiste en una etapa amplificadora simple. Cada uno de los triodos dentro de la válvula supone la primera etapa de su correspondiente canal: el “normal” y el “bright”. La diferencia entre ambas etapas reside en su respuesta frecuencial. Fig.5.5. Medición mediante las sondas diferenciales sobre el amplificador. Desde la entrada del canal Bright, el potenciómetro de volumen de canal se encuentra a las diez aproximadamente. En la sonda 1 tenemos la señal de entrada sin atenuar; mientras que en la sonda 2, la señal de salida tras la primera etapa del canal Bright, en la entrada del triodo de la siguiente etapa. La lectura en el osciloscopio de la amplitud pico-pico de la etapa inicial es de 640mV; la salida resultante de la etapa es de 798 mVp-p a la entrada del siguiente triodo. En la Fig.5.6. se puede apreciar el carácter inversor de la etapa. La baja ganancia entre entrada y salida es debido a que la medida se realiza tras el potenciómetro de salida de la etapa. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 129 Fig.5.6.Señal de salida frente a señal de entrada en el osciloscopio. Se pueden apreciar los valores en pantalla: Trace 1 (Max:320 mV; Min: -320mV), Trace 2 (Max:72mV; Min: -726mV). Si tomamos las salida tras el condensador de acoplo de la etapa, se puede comprobar si la ganancia coincide con el valor teórico. En la Fig.5.7. se ponen una frente a la otra. La lectura en el osciloscopio de la amplitud pico-pico de la etapa inicial es de 880mV; la salida resultante de la etapa es de 10.24 Vp-p. La ganancia resultante es de |Vo/Vin| = 11.64, equivale a 21.32 dB’s. Fig.5.7.Señal de salida frente a señal de entrada en el osciloscopio. Se pueden apreciar los valores en pantalla: Trace 1 (Max:440 mV; Min: -440mV), Trace 2 (Max:4.080V; Min: -6.160V). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 130 5.6. Análisis de la etapa 2. La siguiente medida se ha tomado tras la etapa de ecualización de tres bandas, de tal manera que esta engloba una etapa amplificadora desarrollada con un triodo y las resistencias y condensadores que conforman la etapa de ecualización. La Fig.5.9. muestra la lectura del osciloscopio cuando la sonda 2 permanece en la misma posición que ante, en la grilla del triodo de la segunda etapa, mientras que la sonda 1 está en el extremo superior del potenciómetro de “Master Vol”, tras la resistencia de 22KΩ. Fig.5.8. Sección del esquema correspondiente a la etapa 2. En rojo aparece señalizado el punto de análisis de la salida de la etapa 2,sonda 1; en verde el punto de análisis de la entrada de la etapa 2, sonda2. Fig.5.9. Sonda 2 en la entrada de la etapa 2 y sonda 1 en la salida de la etapa 2. La lectura es: Trace2 (Max= 260mV; Min=-1.020V), Trace1(Max=580mV; Min= -680mV). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 131 En la Fig.5.9. se ha aumentado la salida de la etapa 1 a la siguiente mediante el cambio del potenciómetro de volumen del canal desde la posición de las diez a las doce. De ahí que la sonda 2 marque un valor mayor estando en el mismo punto. La siguiente imagen, Fig.5.10, aumenta el potenciómetro del canal Bright hasta la posición de las tres, causando la distorsión de la señal. Fig.5.10. Sonda 2 en la entrada de la etapa 2 y sonda 1 en la salida de la etapa 2. La lectura es: Trace2 (Max= 1.200V; Min=-2.680V), Trace1(Max=1.920V; Min= -2.000V). Hay un aumento de la amplitud hasta un límite, acto seguido, llega la deformación de la onda. El recorte en el ciclo positivo indica que la distorsión ha sido provocada por poner la tensión Vgk en las proximidades de 0V. En estas dos últimas medidas hay incidencia de la etapa de ecualización, en ambos casos, los tres potenciómetros (Bass,Middle,Treble) han permanecido al mínimo. De aquí hasta el final del análisis, su posición es al mínimo excepto que se especifique lo contrario. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 132 5.7. Modificaciones en la etapa de ecualización de 3 bandas. En las siguiente imágenes, el potenciómetro de volumen del canal “Bright” permanece a las doce. Fig.5.11. Bass= Max; Middle= Min; Treble= Min. Fig.5.12. Bass= Min; Middle= Max; Treble= Min. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 133 Fig.5.13. Bass= Min; Middle= Min; Treble= Max. Fig.5.14. Bass= Max; Middle= Min; Treble= Max. Fig.5.15. Bass= Max; Middle= Max; Treble= Min. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 134 Fig.5.16. Bass= Min; Middle= Max; Treble= Max. En la Fig. 5.17. se observa una oscilación anómala al aumentar el potenciómetro de “Master Vol”. Al bajar el potenciómetro de Treble (agudos), la perturbación desaparece. Fig.5.17. Bass= Min; Middle= Max; Treble= Max. Comportamiento anómalo al incrementar la señal de salida y tener el potenciómetro de Treble al máximo. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 135 5.8. Análisis de la etapa 3. Fig. 5.18. Sección del esquema correspondiente a la etapa 3. En rojo aparece señalizado el punto de análisis de la salida de la etapa 2, sonda 1; en verde el punto de análisis de la salida de la etapa 3, sonda 2. La sonda 1 permanece en el mismo punto mientras que la sonda 2 la desplazamos a la salida del seguidor de cátodo. En este caso, debido a la presencia de un nivel de continua que no es de interés, pasamos a modo AC en la sonda 2 para observar solo la componente de alterna. En la Fig.5.19. se puede observa la lectura. Fig.5.19. Sonda 2 en la salida de la etapa 3 y sonda 1 en la salida de la etapa 2. La lectura es: Trace2 (Max= 600mV; Min=-600mV), Trace1(Max=360mV; Min= -400mV). Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 136 En la Fig.5.20. la respuesta al colocar el potenciómetro de “Master Vol”a las nueve. Se observa un cambio importante en un rango pequeño. Fig.5.20. Sonda 2 en la salida de la etapa 3 y sonda 1 en la salida de la etapa 2. La lectura es: Trace2 (Max= 1.760V; Min=-1.760V), Trace1(Max=360mV; Min= -400mV). 5.9. Análisis de la etapa 4. La entrada de la etapa 4, la etapa diferencial, coincide con la salida de la etapa 3, de tal manera que la sonda 2 permanecerá en el mismo lugar. En las Fig. 5.21 y 5.22. se observa la salida por separado de cada una de las salida de la etapa diferencial. De esta manera comprobamos la simetría de los dos triodos y el desfase de 180º entre las salidas. En la Fig.5.23. se observa la salida de la etapa diferencial mediante la sonda 1. En ambos casos es necesaria la posición AC para facilitar la observación de la componente de alterna. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 5: Resultados experimentales 137 extraer también la respuesta frecuencial de las etapas, así como su impedancia equivalente de entrada y de salida. Finalmente, la construcción del modelo y posterior análisis en el laboratorio, ha permitido comprobar la operación real de las etapas y la fidelidad del comportamiento de la simulación. El modelado de los pentodos ha resultado ser el menos fiel con respecto a la realidad, presentando divergencias de importancia en los valores de los parámetros característicos extraídos del punto de operación en el cual están polarizados. No obstante, aunque su comportamiento en simulación no era preciso, la tendencia de las curvas características del modelo desarrollado para simulación eran similares a las observadas en las curvas características, de tal manera que, aunque no hayan sido útiles para simular un comportamiento próximo al real, si han sido útiles para la profundización y entendimiento de la etapa en la que intervienen. 6.3. Posibles líneas de continuación. •Modelado en Spice. El desarrollo de un modelo más fiel en caso de los pentodos sería esencial. Un buen modelado de válvulas permitiría poder desarrollar nuevos diseños con la certeza de que el comportamiento reproducido en simulación va a corresponder en gran medida con el prototipo construido. •Mejoras en el diseño. Observar la incidencia del ruido debido al cableado, la estrategia utilizada para conectar las masas, el ruido electromagnético producido por aparatos colindantes, cambios en el sonido debido a los transformadores... En definitiva establecer una serie de pautas analizadas y fundamentadas para mejorar aspectos relacionados con el diseño en la electrónica. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 6: Conclusiones 144 •Análisis de la eficiencia de la etapa. Se debe realizar un análisis del consumo estático y dinámico de las etapas en situaciones extremas. Análisis de amplificador a válvulas!Capítulo 6: Conclusiones 145 ANEXOS A.1. Diodo de vacío El diodo en estado sólido tiene su origen en su homólogo de vacío y, al igual que éste, consta de dos electrodos: el cátodo y el ánodo. Dichos electrodos se encuentran en el interior de un recinto en el que se ha practicado el vacío, normalmente una ampolla de vidrio. Para su funcionamiento se incluyen también dos terminales más que corresponden al filamento calefactor. El filamento, puede colocarse o muy próximo al cátodo o formar parte de él. El cátodo es metálico o de otro material que emita fácilmente electrones al calentarlo. Los materiales utilizados para lograr dicho efecto son el wolframio (también utilizado en las lámparas de incandescencia), el wolframio toriado y los óxidos de bario y de estroncio. El ánodo, al que también se le conoce como placa, es un electrodo metálico que rodea el cátodo con el fin de recoger todos los electrones emitidos por el cátodo que sea posible. Así, el funcionamiento del diodo de vacío se basa en el caldeo del cátodo para conseguir la emisión de electrones al vacío existente entre el cátodo y la placa. Entre es- Anexo A: Válvulas de vacío En el siguiente anexo se introduce la válvula como componente electrónico dando unas nociones básicas de qué partes lo conforman, cual es su función y en qué ha derivado esta tecnología tras la aparición de los componentes en estado sólido. Análisis de amplificador a válvulas!Anexo A: Válvulas de vacío 147 tos dos electrodos se aplica una diferencia de potencial que hace llegar a la placa los electrones emitidos por el cátodo. Esta circulación de electrones del cátodo a la paca constituye la llamada corriente de placa. Cuando el filamento forma parte del cátodo, se dice que se trata de un cátodo de caldeo directo y cuando, por el contrario, este se encuentra separado del cátodo, recibe el nombre de caldeo indirecto. Para conseguir una calefacción adecuado del cátodo, se aplica a los terminales del filamento una diferencia de potencial relativamente baja que se obtiene de un secundario aparte existente en el transformador de alimentación( llamado devanado de filamentos). Según cúal sea la válvula, dicha diferencia de potencial puede tener valores comprendidos entre 1V y 12V eficaces. Las tensiones más comunes son las de 6,3V ó 12,6V eficaces. El filamento no es más que un hilo conductor que se calienta por efecto Joule a causa de la corriente que lo recorre suministrada por el devanado del transformador anteriormente mencionado. Al entregar energía al filamento, la temperatura del cátodo se eleva y, según la válvula de la que se trate, dicha temperatura puede variar entre 1000K y 2500K. El material catódico, una vez caliente, emite con facilidad grandes cantidades de electrones. El vacío practicado evita que se queme el cátodo. Una tensión que haga la placa positiva respecto del cátodo hará que los electrones emitidos por éste mediante el proceso de emisión termoiónica sean acelerados hacia la placa y pueda ésta capturarlos. Consideremos las características en terminales de un diodo de vacío. Primeramente , se aplica tensión calefactora sin haber aplicado en placa ningún potencial exterior. Al alcanzar cierta temperatura, el cátodo se emitirá electrones a la región comprendida entre cátodo y placa. Llegará un momento en que se alcance un equilibrio tal que el número de electrones que emita el cátodo por unidad de tiempo sea igual al número de los que regresan a él. Nótese que los electrones liberados no se mueven hacia la placa porque no existe ninguna fuerza exterior. Sin embargo, encontraremos en las proximidades de la superficie del cátodo una región de carga espacial constituida por electrones libre. En estas condiciones, la corriente de placa tiene una intensidad prácticamente nula, puesto que muy pocos de los electrones emitidos por el cátodo tienen la energía suficiente para alcanzar la placa y la corriente que constituyan tendrá Análisis de amplificador a válvulas!Anexo A: Válvulas de vacío 148 una intensidad que como máximo será del orden del micro Ampère, por lo que puede despreciarse. Al aplica exteriormente una diferencia de potencial entre cátodo y placa, algunos de los electrones se verán atraídos por la placa y constituirán un transporte de cargas (electrones) del cátodo a la placa. Este fenómeno se manifiesta en el circuito exterior en forma de una corriente de placa que penetra en ésta y sale por cátodo. Cuanto mayor sea la tensión aplicada en ánodo respecto a cátodo, más intensa es la corriente que se observa. La intensidad de placa crece exponencialmente con la tensión aplicada, como evidencian las curvas características del componente, hasta que todos los electrones emitidos se pongan en movimiento hacia la placa y contribuyan a la corriente, pues todos los electrones disponibles contribuyen ya a la corriente de placa. Esta condición se conoce con el nombre de saturación y supone las proximidades del límite de suministro de corriente del diodo. Si en estas condiciones la tensión en bornes sigue aumentando sin límite, puede alcanzarse el punto de la destrucción del componente por la imposibilidad de disipar la potencia generada. Si la tensión entre placa y cátodo fuese negativa, contraria al caso anterior (+ en el cátodo y - en la placa), el campo que se creo entre los dos electrodos impide que los electrones alcancen la placa. En estas condiciones de polarización inversa, el diodo de vacío es esencialmente un circuito abierto, es decir, no circula corriente de placa. Debe quedar claro que el funcionamiento en un circuito del diodo de vacío es esencialmente el mismo que el de un diodo de estado sólido, siendo la principal diferencia la magnitud relativa de la tensión en sentido directo que hay que aplicar para establecer la conducción. La utilización, por tanto, de los diodos de vacío sigue una línea paralela a la de los diodos de estado sólido. De hecho, para determinar las resistencias y conductancias estática y dinámica de los diodos de vacío se pueden utilizar los mismos métodos que para determinar dichas magnitudes en los diodos de estado sólido. Análisis de amplificador a válvulas!Anexo A: Válvulas de vacío 149 A.2. Triodo de vacío El triodo es un dispositivo de vacío con tres terminales y que tiene la posibilidad de amplificar. Esta posibilidad se debe a la adicción de un tercer electrodo, llamado reja (grilla, en algunas traducciones), introducido entre la placa y el cátodo de un diodo de vacío. Para comprender su funcionamiento se toma como potencial nulo de referencia el cátodo. Cuando la placa se hace positiva, circula una corriente de ella al cátodo. Si no se aplica ninguna polarización al electrodo de mando, el funcionamiento de la reja es análogo al descrito en el caso del diodo. El calentamiento del cátodo da lugar a una emisión termoiónica y los electrones así liberados son atraídos por la placa, chocando muy pocos con la estructura de reja. En cambio, si en el terminal de reja se aplica un potencial ligeramente negativo, se obstaculiza la circulación de electrones que se alejan del cátodo. Si la tensión negativa de reja es pequeña, en valor absoluto, frente a la tensión positiva de la placa, el número de electrones que llegan a ésta será menor que el de los que llegarían si no hubiese tensión alguna aplicada en reja. Así pues, cuando la reja se polarice negativamente se tendrá, para una misma tensión de placa, una corriente de placa más débil que la que se tendría en ausencia de polarización de la reja. Manteniendo fija una polarización negativa en la reja, la aplicación de tensiones en placa cada vez mayores hace que se intensifique la corriente de placa de manera parecida a como sucede en el diodo de vacío. Si la reja se hiciese algo más negativa y se volviera a aumentar la tensión de placa, la intensidad de placa volvería a aumentar. No obstante, la reja ahora es más negativa; por tanto, dará origen a una corriente de placa más débil ( para la misma tensión de placa). Por tanto, queda de manifiesto que la reja “gobierna” la intensidad de la corriente de placa para una tensión de placa dada. Este efecto de mando de la reja es la clave de la amplificación llevada a cabo por un triodo. En el siguiente capítulo abordaremos con más detalle todo lo referente a polarizar el triodo de vacío para trabajar con él. Análisis de amplificador a válvulas!Anexo A: Válvulas de vacío 150 A.3. Tetrodos y pentodos de vacío Un tetrodo amplificador de potencia es similar a un pentodo de potencia de salida, excepto que el tetrodo no posee reja supresora. Los electrodos son el cátodo, la reja de control, la reja de pantalla y la placa. La construcción es tal que la emisión secundaria de la placa no pueda alcanzar a la reja de pantalla. Las curvas características de placa, que reflejan el comportamiento del dispositivo, son similares a las de los triodos con la diferencia de la inclusión de la influencia de la reja de pantalla que afecta directamente a la corriente que es capaz de suministrar el componente. Las condiciones de trabajo son similares tanto para pentodos como tetrodos. Los pentodos amplificadores de potencia son válvulas de potencia de salida de alto rendimiento. Son susceptibles de entregar mayor potencia de salida con menor tensión de placa, menos potencia de entrada y menos tensión de señal que los triodos destinados a potencia. Los electrodos, en el caso de los pentodos son: cátodo, reja de control, reja de pantalla, reja supresora y placa. La reja de control se hallará conectada a una fuente de alimentación negativa para determinar y fijar su punto de trabajo. La grilla auxiliar de pantalla se suele conectar al mismo potencial o a un potencial similar que el de placa. La reja de pantalla tendrá un papel fundamental a la hora de trabajar a altas frecuencias, ya que minimiza el valor de las capacidades equivalentes asociadas a la construcción del pentodo que influirán en el comportamiento dinámico del componente. Sin embargo, no todo son ventajas. Al ser la pantalla positiva respecto al cátodo, ésta conduce una pequeña corriente al capturar algunos electrones en su camino hacia la placa. Esos electrones que llegan a placa arrancan electrones de la su superficie, fenómeno, mencionado antes, denominado “emisión secundaria”. La pantalla también capta estos electrones secundarios procedentes de la placa, lo que lleva como consecuencia que las características de placa de los tetrodos presenten una región de resistencia dinámica negativa. Para aprovechar las ventajas que brinda la reja de pantalla, la inclusión del quinto electrodo es esencial. La reja supresora se halla conectada usualmente a potencial 0V, es decir, al mismo potencial que cátodo. En algunos casos, la conexión entre cátodo y reja supresora Análisis de amplificador a válvulas!Anexo A: Válvulas de vacío 151 está realizada en el interior de la válvula por construcción. Esta reja protege a la pantalla, impidiendo que la misma capte emisiones secundarias de la placa, eliminando, de esta manera, la depresión que se produce en las curvas características de placa en las válvulas que incluyen reja pantalla. Análisis de amplificador a válvulas!Anexo A: Válvulas de vacío 152 Polarización en las válvulas de vacío B.1. Triodo. La polarización de un componente electrónico supone la base del diseño de cualquier etapa de la que forme parte y una herramienta esencial para entender y lograr que el sistema desarrolle bien su propósito. Conocer el punto de trabajo y ser capaz de localizarlo sobre las curvas características nos proporcionará la información necesaria para saber qué está ocurriendo y si el componente está operando como debe. En el caso de las válvulas de vacío, y de los triodos en particular, existirán dos modos de operación estática: corte y activo. Estos dos modos de operación están claramente reflejados en las curvas características. Anexo B: Polarización del componente En el Anexo B se analizan las curvas características que definen el comportamiento estático de las válvulas de vacío, en concreto del triodo y del pentodo. Se trabaja el situar el punto de polarización en el que estará trabajando y la importancia de conocer dicho punto para lograr la respuesta deseada. Análisis de amplificador a válvulas!Anexo B: Polarización del componente 153