AMPLIFICADOR



Antes de empezar hacer cálculos, me gustaría explicaros;  qué es una válvula termoiónica, cómo funciona y un poco de su historia.

Consiste en la irradiación de electrones cuando un metal es calentado.Su  principio se basa en el fenómeno Edison. Se trata de un descubrimiento del señor Thomas Alva Edison.

Todos conocemos el gran invento de Edison. ¡La Bombilla! El efecto fué descubierto por Thomas Edison el 13 de febrero en 1880, mientras trataba de descubrir la razón por cual, se rompían los filamentos de sus bombillas y por qué se oscurecía el cristal. La bombilla se ahumaba cerca de uno de los terminales del filamento.

Edison construyó muchas bombillas experimentales, para solventar el problema. Añadió  un filamento adicional; una lámina metálica dentro de la lámpara.(eléctricamente aislada del filamento). Cuando la lámina tenía una carga negativa superior a la del filamento, no fluía corriente entre el filamento y la misma ya que al estar en frío, emitía muy pocos electrones. Sin embargo, cuando  cargó la lámina positivamente, la mayoría de electrones emitidos desde el filamento caliente fueron atraídos hacia ella; causando un flujo de electrones estable. Esta forma de fluido, es el efecto Edison. (Parrafo fuente: Wikipedia)

Había descubierto el principio de los tubos de rayos Catódicos, El principio de funcionamiento de la Televisión. Pero Edison no supo ver la utilidad del "efecto edison". Un tubo de imagen de TRC es en realidad parecido una válvula termoiónica.

Por lo tanto una "válvula" es como una bombilla pero con ciertas diferencias. La Valvula original se comportaba sólo como un diodo. Es decir constaba de dos electródos.

         1. Ánodo. Es el que recibe los electrones.
         2. Cátodo. Es el emisor de Electrones. Los hay de dos tipos; de caldeo directo. Es el mismo Cátodo el elemento que emite electrones (Cómo la bombilla) y de Caldeo indirecto. Es un filamento independiente el que calienta el cátodo.

Hay un  fenómeno de suma importancia en el campo de la electromedicina. Los R.X. Los electrones al chocar contra un metal (el ánodo) emiten una radiación electromagnética en forma de rayos X. Por lo tanto nuestros amplificadores  sirven para hacerse radiografías Jejeje.

Cuando tenía unos 10 años hice un experimento con mi tele. ¡Claro aún no había hecho ningún amplificador a válvulas!. El tubo de TV TRC es una pequeña máquina emisora de R.X. En las Televisiones antiguas de TRC hay un pequeño circuito de control de emisión de Rayos X para que no excedan de niveles insalubres al usuario. ¡La de problemas que  he tenido reparando esta sección en mi carrera profesional de Técnico Electrónico! El experimento en cuestión consistía en pegar en la pantalla con cinta adhesiva, un sobre oscuro con una película fotográfica y sobre ella puse pegado un reloj  de pulsera. Al velar la película se veía perfectamente el mecanismo interior. La tele le hizo una radiografia.

Como decía antes (perdón que me enrollo mas que una persiana,jejeje) disponemos de dos electrodos. Cátodo que emite electrones y Ánodo que los recibe. Por lo tanto no podemos hablar todavía de una "válvula". Hay que añadirle otro electrodo más, que sirva de llave reguladora: A ese electrodo le llamamos grilla, reja o rejilla. ¡Y ya hemos parido el TRIODO! Este electrodo permite controlar, regular, abrir y cortar el flujo de electrones de cátodo a ánodo. ¡Ya tenemos una  válvula!

La Grilla o reja; es eso en realidad, ¡una rejilla metálica!. Cómo todos Uds saben los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. Pues en eso consiste el funcionamiento de  la llave reguladora de la válvula termoiónica. Se carga la rejilla negativamente y los electrones del catodo (negativos también) son repelidos y les cuesta trabajo atravesar la rejilla para llegar atraidos al Anodo + positivo. Cuanto más negativo es la rejilla respecto del cátodo menos electrones llegaran al Anodo.Con muy poca variación de carga negativa de rejilla respecto a cátodo; se produce otra variacion de catodo a anodo pero con proporciones mas grandes.

Lo que sucede es que con una pequeña señal de entrada se puede manejar el flujo de electrones de otra señal mas grande. Es decir desde la fuente de alimentación. Podemos imaginarnos como una presa de agua.Se puede ver en el dibujo de la derecha.

Lo que debemos de  hacer es regular la válvula para que se comporte como un amplificador. Es decir que amplifique las señales que le entran. ¡Esto realmente NO es magia!

En el ejemplo análogo del dibujo; una pequeña "corriente" de agua abre una compuerta con un caudal o "corriente mayor" No es que lo que entra salga amplificado como por arte de magia.Sino que con una pequeña señal (como la de un micrófono o aguja de un tocadiscos por ejemplo) deja pasar de la fuente de alimentación; otra señal en proporción a la variación de la entrada. Según  el dibujito de la presa  parece que está en saturación y corte. Jejejeje ¡Parece una presa de agua digital!

A nosotros no nos interesa esos cambios tan brutos. Lo que queremos hacer es, variar la circulación de la corriente de forma gradual o analógica. Es como si estuviéramos manejando un potenciometro y no un interruptor.

Por lo tanto debemos establecer un punto de trabajo. Es decir que estando en reposo no se abra o se cierre sin querer. A eso se llama polarización. Fijamos unas tensiones de trabajo para que esté estable, cuando se se trabaja o no; es decir con música o sin música.

TIPOS DE POLARIZACION

Para la polariacion del triodo y otras valvulas, se usan tres sistemas generalmente.

Bias fijo
Este método necesita una alimentación exterior, ya sea pila, o de la propia fuente de
alimentación mediante una tensión auxiliar. Este procedimiento es mas usado en los pentodos por ejemplo.



Polarización por cátodo (cátodo bias)


En este caso la polarización se efectúa mediante una resistencia entre cátodo y masa, y depende de la corriente de placa de la válvula que previamente calculemos, es el método mas usado en  los montajes de amplificación de tensión.


Polarización escape de reja

Es un tipo de montaje poco empleado en amplificadores de baja frecuencia, pero es conveniente tenerlo en cuenta por su interacción con el montaje de polarización por cátodo.
En la practica hay una pequeña corriente de reja, del orden de microvoltios , con una resistencia de elevado valor, del orden de 8 a 10 Mg, puede provocar una diferencia de potencial del orden de 1V, suficiente para polarizar la reja.
Por eso en datasheet suele indicarse que en la polarización de cátodo la resistencia Rg no supere cierto valor para que la intensidad Ig no afecte a los cálculos de polarización de la válvula.


EVOLUCION DE LAS VALVULAS

Los primeros  triodos tienen un problema para las aplicaciones exigentes  de HI-FI. Si vemos la estructura interna de un triodo vemos electrodos enfrentados uno frente a otro con diferencia de potencial. Eso en la practica es un condensador. Tenemos capacidades parasitarias no deseadas. Y es un gran problema;  ya que usamos tensiones y corrientes alternas. Y obtenemos atenuación a frecuencias altas ya que quedan bloqueadas como si fueran corrientes continuas comportándose ese "condensador" como de desacoplo.

 En total tenemos 3 condensadores NO DESEADOS.

  1. ANODO-REJILLA
  2. REJILLA-CATODO
  3. ANODO-CATODO

La capacidad no deseada total de la válvula triodo es igual a:

Al cociente entre el "condensador no deseado rejilla/cátodo" y el "condensador no deseado ánodo/cátodo"

Hago incapie en la palabra no deseado para ver la magnitud del problema y por qué han evolucionado las válvulas.

Por lo que el factor de amplificación de la válvula no depende de la potencia de emisión del cátodo sino a las distancias y formas geométricas de los electrodos de la propia válvula.

Sin embargo podemos encontrar triodos puros de caldeo directo y son los reyes de el audio High-End. Eso se consigue separando electrodos haciendo la válvula muy muy muy grande y usando tensiones de mas de 1000V . Un ejemplo abajo.



Pero tener una fuente de alimentación de corriente continua de más de 1000V pufff  que peligro y esas válvulas tan grandes....  no son precisamente baratas. Ni los transformadores de la fuente de alimentación ni los de salida.

Si buscas en youtube ferias High End audio (como la mas conocida anual de Munich en Alemania); se puede apreciar la tremenda calidad de audio de los amplificadores con estas válvulas.

Por eso los triodos tuvieron que progresar para solucionar el problema de la atenuación a frecuencias altas del Hi-Fi.

Se añadió un electrodo mas en forma de rejilla entre (la rejilla control y el ánodo) .

¡Y ya tenemos el Tetrodo!

Esta rejilla se le añade un potencial positivo respecto al cátodo; consiguiendo una "pantalla electroestática" entre el ánodo y la rejilla control.

Este nuevo electrodo se llama reja pantalla. Y la capacidad (reja control/ánodo) prácticamente desaparece. Ya se pueden amplificar bien los agudos.

Peeero encontramos otro problema.

Ahora los electrones emitidos por el cátodo son atraídos con más fuerza por el conjunto (reja pantalla-ánodo). 

La mayoría de los electrones atraviesan la reja pantalla,  chocando violentamente contra el ánodo  formando una nube. Al estar libres; los mas cercanos a la reja pantalla son atraídos por esta misma y entonces obtenemos  una  corriente no deseada Ig2; dentro de la propia válvula.  Por lo que  disminuye la corriente total del ánodo.

Por lo  que los tétrodos no consiguen grandes potencias. Y tuvieron que progresar para solucionar ese problema. Tenemos una emisión secundaria interna  NO DESEADA.

Antes teníamos "condensadores no deseados" y ahora tenemos "corrientes no deseadas" dentro de la propia válvula.

¿Y cómo se solucionó este problema?

Pues podéis adivinarlo. ¡Añadiendo otro electrodo más! Ya tenemos el Pentodo.

Este electródo añadido se llama reja supresora. El nombre nos indica que es lo que hace.

Esta nueva rejilla se coloca entre la reja pantalla y el ánodo. Se instala al mismo potencial del cátodo. Entonces los electrones secundarios procedentes del ánodo retornan de nuevo al ánodo  al ser repelidos por la reja supresora al estar en tensión negativa como el cátodo.

No son capaces de atravesar de nuevo  la reja supresora. La atravesaron antes al viajar al ánodo pero ahora no retornan a  la reja pantalla como antes sucedía en el tetrodo.

Conseguimos así evitar la disminución de la corriente anódica total y con ello la perdida de potencia. Por eso los amplificadores de potencia  a válvulas normalmente están construidos con Pentodos de potencia.

CALCULOS DE UN AMPLIFICADOR A VALVULAS.

Voy a utilizar un doble triodo pentodo PCL86. Su tensión de filamento es 13,7V (12V) / 0.5A y la tensión de placa del pentodo 250V / 0,075A. Su zócalo es tipo noval y es fácil de localizar.

Primero el tríodo será usado como amplificador de tensión (preamplificador) y después usaré una válvula péntodo  como amplificador de corriente (para mover el cono del altavóz)
CALCULO DEL PREAMPLIFICADOR TRIODO

El triodo de la PCL86 es de baja potencia y alta ganancia y se obtienen sus mejores respuestas en clase A. Para calcular su polarización en continua se trabaja sobre la gráfica que da las curvas de la corriente anódica en relación con la tensión anódica y la tensión de polarización de reja (ver figura de la derecha).


Escogemos un punto en la zona mas lineal de la curva de polarización de reja. como podemos observar en la gráfica pertenece a la curva de -0.5V. 

Buscamos también que esté lejos lejos de la curva de máxima disipación y trazamos un punto que una, éste punto con la tensión de alimentación que hemos elegido (220V) en el eje X, (luego veremos el por qué). 

Prolongamos esta recta (recta roja) hasta el eje Y obtenemos la corriente de placa (2,5 mA). Utilizando la ley de ohm obtenemos: 220V / 2.5 mA = 88 k
Ω. Y conseguimos el valor de la resistencia de placa (Rp). Como no es un valor estándar utilizo dos resistencias en serie para acercarme prácticamente a esos 88KΩ. Una resistencia de 82 KΩ en serie con una de 5,6 kΩ, total: 87.6Ω.

En la gráfica también hacemos unas rectas perpendiculales al eje X e Y (Rectas azules) y obtenemos que en reposo la tensión de placa es de 105 V y su corriente de 1,3 mA (corriente de reposo). Es decir ¡sin música!. También observamos el efecto que tendrá una señal de 1V (+/- 0.5V) sobre la reja. Vemos que la tensión en la placa de la válvula varía entre 80 y 140 voltios. Valores totalmente tolerados para la tensión de alimentación que hemos elegido(de 220V)

Para calcular la resistencia de cátodo (Rk) del triodo aplicamos de nuevo la ley de Ohm y dividimos la caída de tensión negativa de polarización de reja que deseamos, (en nuestro caso 0.5V), por la corriente de reposo de placa, que es 1,3 mA, según puede leerse en el gráfico. El resultado es 0,5V / 1,3 mA = 0,38 k
Ω , osea 390Ω redondeando. Una resistencia de 1/2W es mas que suficiente.

Aquí pongo el esquema obtenido hasta ahora:
El condenador de desacoplo de cátodo (Ck) tiene que tener un valor lógico para  que no atenúe las señales mas graves. Sirve para fijar la tensión ante cortes abruptos en la tensión de reja En muchos montajes no aparece ese condensador. Auqnue aconsejom ponerlo por su utilidad. Se escoge un condensador electrolítico de 100 a 200 uF.  Aunque hay una fórmula para calcularlo todos los amplificadores que he reparado tienen un valor similar. Además en en diseño de la etapa con el simulador electronico que uso (PROTEUS) se puede ir cambiandolo y ver los resultados para que no atenue demasiado los graves. 

La resistencia  (Rr) también llamada resistencia de escape o de reja, sirve para que  circule una micro corriente, que se genera por el paso de electrones secundarios de la placa a la reja.¡Acordaros de lo que le pasaba a Edison con sus bombillas! que se les oscurecia el cristal; por la emisión de electrones secundaria. Mas adelante veremos el ajuste de bias o tensión negativa de Rejilla.

En los datasheet de cada fabricante suelen aconsejar un valor determinado, que en nuestro caso es de 1MΩ . La tolerancia es muy alta y puede ser cualquier valor por encima de 100 kΩ . En otras válvulas se añade un electrodo llamado reja supresora y sirve para eliminar esa corriente no deseada. En esas válvulas esta resistencia no se pone.

El condensador de entrada de reja y de salida de placa deben de ser de buena calidad (MKP) que aguanten 500V. Un valor  100nF es normal. Al igual que antes; hay una fórmula para calcularlo pero la lógica ensayo error para mí es mejor. También se podría quitar si en la etapa anterior lo tenemos ya. Sirve para bloquear la posible componente continua en la etapa.

El condensador electrolítico que desacopla la resistencia de placa (Filtra y da estabilidad) puede ser de 33 a 100 uF / 350V. Es mejor  situarlo entre la resistencia de 82kΩ y la de 5k6, que forman Rp. Los triodos tienen una muy alta impedancia de entrada por lo para  para reducir deberíamos emplear un transformador de audio especial, diseñado para mantener plana la curva de respuesta.
CALCULO DE LA ETAPA PENTODO


Vamos a trabajar en  este esquema. 



Trabajamos en Clase A. Viendo el terminar de masa en el altavoz (single end).

En la etapa pentodo (etapa final de potencia) la resistencia de carga de placa es el propio transformador de salida. Esto es así ya que las grandes tensiones que manejan las válvulas finales no pueden atacar directamente a los altavoces (a no ser que nos guste verlos reventar☺) La impedancia de salida es muy alta y cualquier altavoz sería un cortocircuito. 

En la hoja de características del fabricante aconsejan la resistencia de carga para su máximo rendimiento sin peligro. En el pentodo PCL86 que hemos elegido, tiene su máximo rendimiento con una resistencia de carga de 7k. Por lo que vamos a intentar respetarlo

La parte más crítica de un amplificador a válvulas es el transformador de salida. Su calidad va a definir el sonido final. Hasta hace poco tiempo era difícil encontrarlos, por lo que se usaba transformadores de alimentación normales dando buen resultado (dependiendo de lo sibaritas que seamos jejeje)

Vamos a ver cómo usar uno normal de alimentación, teniendo en cuenta la relación (espiras/tensión) es proporcional. Vamos a tomar la relación con la formula:


(V1 / V2)^2 = Z1 / Z2

(220/6)=36.6
(36.6) ^2= 1344
1344/1=X/8
1344*8=10752 Ω

Obtenemos una impedancia de 10,7kΩ, que será la resistencia de carga (Rcarga). Que está por encima de los 7k mínimo que nos dice el fabricante.

Al igual que el cálculo del previo aplicamos la técnica de la recta de carga. Necesitamos el gráfico del fabricante con la corriente de placa; respecto de la intensidad de placa.

Con la Ley de Ohm obtenemos la intensidad de placa usando la tensión máxima de placa que nos da el fabricante. En este caso según su datasheet 500V

Vmax / Rcarga = 500V / 10,7 kΩ = 46mA,
Marcamos esta cifra en el eje Y y hacemos una recta hasta los 500V (línea roja)



Seguidamente trazamos una linea perpendicular al eje X en el punto coincidente con la tensión de alimentación que elegimos por facilidad(220V) y en su intersección con la recta de carga establecemos el punto de trabajo. A partir de aquí podemos conocer la corriente de reposo (Ipr), que sera de 25mA.

El punto de trabajo, nos indicara también la tensión negativa (Vg) a la que hay que mantener la reja de mando del pentodo  Elegimos  -6V, para obtener valores óptimos. Podemos calcular el valor de la resistencia de cátodo (Rk) aplicando la formula:

Rk = I Vg I / Ipr = 6V / 25mA = 240Ω que redondeamos al valor comercial 220Ω.

Esto sería un cálculo básico de un amplificador a válvulas. Podemos ver en el esquema las conexiones de la reja pantalla y la reja supresora según su datasheet. 

Mas adelante calcularemos los condensadores.

PÁGINA EN COSTRUCCIÓN. DISCULPEN LAS MOLESTIAS.







7 comentarios:

  1. Hola
    Estupendo trabajo. Hoy he aprendido algo nuevo sobre las válvulas. Estoy estudiando electrónica y me gustaría saber si tambien podria poner un calculo de un amplificador a transistores Push-pull simetria complementaria. Me seria de ayuda. No encuentro nada en internet.

    Gracias

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  2. Muy buen trabajo...si señor. A ver si entre todos los amantes de las válvulas, amos enseñando algo a las nuevas generaciones . Muchas gracias. Yo ya entendía todo esto, pero usted le ha dado un "toque" de maestría y saber hacer. Muchas gracias.

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    1. ¡Muchas gracias por tu comentario!

      La verdad que tengo la página un poco olvidada pero tu comentario me ha animado a seguir con la etapa final Péntodo. A ver si la término.

      Un saludo
      Webmaster.Miguel Angel

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    2. Felicitaciones por tu página, haces que se vea más fácil todo el cálculo, sería bueno si pudieses subir los pasos para calcular la etapa péntodo, lo seguiré de cerca. Saludos!

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  3. Boa tarde senhor Miguem,meu nome é Júlio César da Silva Garavello, tenho 58 anos e lhe escrevo esse comentário aqui de Porto Alegre, R/S, Brasil. Sou um entusiasta da eletrônica antiga, onde tudo era analógico e valvulado. A pouco tempo montei um amplificador com uma única válvula PCL86, todas as peças novas e originais. Assim como o senhor gosto de saber o porquê de todas as coisas, fazendo uso de cálculos para o correto valor dos componentes. Desta forma, graças à sua brilhante e inteligente postagem,só hoje (07/072017) encontrei a sua postagem e as explicações que precisava para calcular o valor correto dos resistores de catodo bem como o valor de capacitores periféricos. Agora vou poder executar a montagem final em chassi de alumínio sabendo que é a melhor montagem possível. Gostaria de saber se o senhor desenvolveu o circuito de realimentação negativa, que é um detalhe bem explicado que ainda me falta. Peço, se lhe for possível, que me envie por e-mail estes detalhes que ainda me faltam. Meus e-mails são: juliosilvagaravello@gmail.com e juliocsilvagar@hotmail.com . Desde já lhe agradeço muito por postagem tão brilhante. Obrigado e um forte abraço...

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  4. Muchas Gracias por tu comentario. En cuanto a lo que te refieres en los valores de realimentación negativa es un tema que no he llegado a calcular. Me he encontrado la realimentación con un condensador y resienta en serie y también sólo con la resistencia. En lo amplificadores push pull a válvulas he encontrado siempre conectado en el secundario del transformador de impedancia sólo la resistencia. En un terminar del altavoz. Una vez lo conecté en el otro extremo y se acopló y podía oir solo el pitido muy fuerte en el altavoz. Conectándolo en su sitio y bajando el valor de la resistencia también se acopla aunque menos y se oía también la música . Lo del condensador solo lo he visto en transistorizados.
    Para calcular valores puedes verlo en los link que te dejo.
    http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/lic/el3212/Libro/Tema4.pdf
    http://www.uhu.es/dario.garcia/prorea2.pdf (transistores)
    Muchas gracias por tu aporte. Ahora estoy también interesado en calcular bien la RED DE REALIMENTACION NEGATIVA.
    SALUDOS.
    Miguel Angel

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  5. Uno de los mejores artículos de amplificador valvular que he leído

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