Un amplificador de RF de válvula ( Reino Unido y Australia ) o un amplificador de válvulas ( EE. UU . ) es un dispositivo para amplificar eléctricamente la potencia de una señal de radiofrecuencia eléctrica.
Los amplificadores de válvulas de potencia baja a media para frecuencias por debajo de las microondas fueron reemplazados en gran medida por amplificadores de estado sólido durante las décadas de 1960 y 1970, inicialmente para receptores y etapas de transmisores de baja potencia, y las etapas de salida del transmisor cambiaron a transistores algo más tarde. Todavía se utilizan válvulas especialmente construidas para transmisores de muy alta potencia, aunque rara vez en diseños nuevos. [1] [ cita necesaria ]
Las válvulas son dispositivos de alto voltaje y baja corriente en comparación con los transistores . Las válvulas tetrodo y pentodo tienen una corriente de ánodo muy plana frente a un voltaje de ánodo, lo que indica altas impedancias de salida del ánodo . Los triodos muestran una relación más fuerte entre el voltaje del ánodo y la corriente del ánodo.
El alto voltaje de trabajo los hace muy adecuados para transmisores de radio y las válvulas siguen utilizándose hoy en día para transmisores de radio de onda corta de muy alta potencia, donde las técnicas de estado sólido requerirían muchos dispositivos en paralelo y corrientes de suministro de CC muy altas . Los transmisores de estado sólido de alta potencia también requieren una combinación compleja de transformadores y redes de sintonización, mientras que un transmisor basado en válvulas usaría una única red sintonizada relativamente simple.
Así, si bien los transmisores de onda corta de alta potencia y estado sólido son técnicamente posibles, las consideraciones económicas siguen favoreciendo las válvulas por encima de 3 MHz y 10.000 vatios. Los radioaficionados también utilizan amplificadores de válvulas en el rango de 500 a 1500 vatios principalmente por razones económicas.
Los amplificadores de audio de válvulas suelen amplificar todo el rango de audio entre 20 Hz y 20 kHz o más. Utilizan un transformador con núcleo de hierro para proporcionar una carga adecuada de alta impedancia a las válvulas mientras accionan un altavoz, que normalmente es de 8 ohmios. Los amplificadores de audio normalmente utilizan una sola válvula en clase A , o un par en clase B o clase AB .
Un amplificador de potencia de RF está sintonizado a una única frecuencia tan baja como 18 kHz y tan alta como el rango de frecuencias UHF , para fines de transmisión de radio o calefacción industrial. Utilizan un circuito sintonizado estrecho para proporcionar a la válvula una impedancia de carga suficientemente alta y alimentar una carga que normalmente es de 50 o 75 ohmios. Los amplificadores de RF normalmente funcionan en clase C o clase AB .
Aunque los rangos de frecuencia para amplificadores de audio y amplificadores de RF se superponen, la clase de operación, el método de acoplamiento de salida y el porcentaje de ancho de banda operativo diferirán. Las válvulas de potencia son capaces de ofrecer una respuesta de alta frecuencia, hasta al menos 30 MHz. De hecho, muchos de los amplificadores de audio de triodo de extremo único ( DH-SET ) calentados directamente utilizan válvulas transmisoras de radio diseñadas originalmente para funcionar como amplificadores de RF en el rango de alta frecuencia. [ cita necesaria ]
Los amplificadores de RF basados en válvulas más eficientes funcionan en clase C. Si se usa sin un circuito sintonizado en la salida, esto distorsionaría la señal de entrada, produciendo armónicos. Sin embargo, los amplificadores de clase C normalmente utilizan una red de salida de alta Q que elimina los armónicos, dejando una onda sinusoidal sin distorsión idéntica a la forma de onda de entrada. La clase C es adecuada sólo para amplificar señales con una amplitud constante, como FM , FSK y algunas señales CW ( código Morse ). Cuando la amplitud de la señal de entrada al amplificador varía, como ocurre con la modulación de banda lateral única , la modulación de amplitud , el video y las señales digitales complejas, el amplificador debe operar en clase A o AB, para preservar la envolvente de la señal de conducción sin distorsión. Estos amplificadores se denominan amplificadores lineales .
También es común modificar la ganancia de un amplificador que funciona en clase C para producir una modulación de amplitud . Si se hace de forma lineal, este amplificador modulado es capaz de producir una baja distorsión. La señal de salida puede verse como un producto de la señal de RF de entrada y la señal moduladora.
El desarrollo de la radiodifusión de FM mejoró la fidelidad al utilizar un mayor ancho de banda que estaba disponible en el rango VHF y donde el ruido atmosférico estaba ausente. FM también tiene una capacidad inherente para rechazar el ruido, que en su mayor parte está modulado en amplitud. La tecnología de válvulas sufre limitaciones de alta frecuencia debido al tiempo de tránsito cátodo-ánodo. Sin embargo, los tetrodos se utilizan con éxito en el rango VHF y los triodos en el rango bajo de GHz. Los transmisores de transmisión de FM modernos utilizan dispositivos de válvulas y de estado sólido, y las válvulas tienden a usarse más en los niveles de potencia más altos. Los transmisores de FM funcionan en clase C con muy baja distorsión.
La radio digital actual que transporta datos codificados a través de varias modulaciones de fase (como GMSK , QPSK , etc.) y también la creciente demanda de espectro han obligado a un cambio dramático en la forma en que se utiliza la radio, por ejemplo, el concepto de radio celular. Los estándares actuales de radio celular y transmisión digital son extremadamente exigentes en términos de envolvente espectral y emisiones fuera de banda que son aceptables (en el caso de GSM , por ejemplo, −70 dB o mejor, a sólo unos cientos de kilohercios de la frecuencia central). Por lo tanto, los transmisores digitales deben funcionar en modos lineales, prestando mucha atención a lograr una baja distorsión.
(Alto voltaje/alta potencia) Se utilizaron etapas de válvulas para amplificar las señales de radiofrecuencia recibidas, las frecuencias intermedias, la señal de vídeo y las señales de audio en los distintos puntos del receptor. Históricamente (antes de la Segunda Guerra Mundial), los "tubos transmisores" se encontraban entre los tubos más potentes disponibles y, por lo general, se calentaban directamente mediante filamentos toriados que brillaban como bombillas. Algunos tubos se construyeron para ser muy resistentes, capaces de ser impulsados con tanta fuerza que el ánodo brillaría de color rojo cereza, y los ánodos se mecanizaron a partir de material sólido (en lugar de fabricarse con láminas delgadas) para poder resistir esto sin distorsionarse cuando se calientan. Los tubos notables de este tipo son el 845 y el 211. Los tubos de potencia de haz posteriores, como el 807 y el 813 (calentado directamente) también se utilizaron en gran número en transmisores de radio (especialmente militares).
Hoy en día, los transmisores de radio son abrumadoramente de estado sólido, incluso en frecuencias de microondas (estaciones base de radio celulares). Dependiendo de la aplicación, un buen número de amplificadores de radiofrecuencia siguen teniendo una construcción de válvula, debido a su simplicidad, mientras que se necesitan varios transistores de salida con circuitos complejos de división y combinación para igualar la misma cantidad de potencia de salida de una sola válvula.
Los circuitos amplificadores de válvulas son significativamente diferentes de los circuitos de estado sólido de banda ancha. Los dispositivos de estado sólido tienen una impedancia de salida muy baja que permite la adaptación mediante un transformador de banda ancha que cubre una amplia gama de frecuencias, por ejemplo de 1,8 a 30 MHz. Ya sea con operación clase C o AB, estos deben incluir filtros de paso bajo para eliminar armónicos. Si bien se debe seleccionar el filtro de paso bajo adecuado para el rango de frecuencia de interés, el resultado se considera un diseño "sin sintonización". Los amplificadores de válvulas tienen una red sintonizada que sirve como filtro de armónicos de paso bajo y adaptación de impedancia a la carga de salida. En cualquier caso, tanto los dispositivos de estado sólido como los de válvulas necesitan dichas redes de filtrado antes de que la señal de RF llegue a la carga.
A diferencia de los amplificadores de audio, en los que la señal de salida analógica tiene la misma forma y frecuencia que la señal de entrada, los circuitos de RF pueden modular información de baja frecuencia (audio, vídeo o datos) en una portadora (a una frecuencia mucho más alta), y la señal de salida analógica tiene la misma forma y frecuencia que la señal de entrada. El circuito comprende varias etapas distintas. Por ejemplo, un transmisor de radio puede contener:
El circuito de ánodo más común es un circuito LC sintonizado donde los ánodos están conectados a un nodo de voltaje . Este circuito se conoce a menudo como circuito de tanque de ánodo .
Un ejemplo de esto utilizado en VHF/ UHF incluye el 4CX250B, un ejemplo de un tetrodo gemelo es el QQV06/40A.
Neutralización es un término utilizado en los amplificadores TGTP (placa sintonizada de rejilla sintonizada) para los métodos y circuitos utilizados para la estabilización contra oscilaciones no deseadas en la frecuencia de funcionamiento causadas por la introducción inadvertida de parte de la señal de salida nuevamente en los circuitos de entrada. Esto ocurre principalmente a través de la capacidad de la red a la placa, pero también puede ocurrir a través de otras vías, lo que hace que el diseño del circuito sea importante. Para cancelar la señal de retroalimentación no deseada, una porción de la señal de salida se introduce deliberadamente en el circuito de entrada con la misma amplitud pero en fase opuesta.
Cuando se utiliza un circuito sintonizado en la entrada, la red debe hacer coincidir la fuente de conducción con la impedancia de entrada de la red. Esta impedancia estará determinada por la corriente de la red en operación Clase C o AB2. En la operación AB1, el circuito de red debe diseñarse para evitar un aumento excesivo de voltaje, que aunque podría proporcionar más ganancia de etapa, como en los diseños de audio, aumentará la inestabilidad y hará que la neutralización sea más crítica.
Al igual que los tres diseños básicos que se muestran aquí, el ánodo de la válvula está conectado a un circuito LC resonante que tiene otro enlace inductivo que permite que la señal de RF pase a la salida. El circuito mostrado ha sido reemplazado en gran medida por una red Pi que permite un ajuste más simple y agrega filtrado de paso bajo.
La corriente del ánodo está controlada por el potencial eléctrico (voltaje) de la primera red. Se aplica una polarización de CC a la válvula para garantizar que se utilice la parte de la ecuación de transferencia que sea más adecuada para la aplicación requerida. La señal de entrada es capaz de perturbar (cambiar) el potencial de la red, esto a su vez cambiará la corriente del ánodo (también conocida como corriente de placa).
En los diseños de RF que se muestran en esta página, hay un circuito sintonizado entre el ánodo y el suministro de alto voltaje. Este circuito sintonizado entra en resonancia presentando una carga inductiva que se adapta bien a la válvula y, por lo tanto, da como resultado una transferencia de energía eficiente.
Como la corriente que fluye a través de la conexión del ánodo está controlada por la red, la corriente que fluye a través de la carga también está controlada por la red.
Una de las desventajas de una red sintonizada en comparación con otros diseños de RF es que se requiere neutralización.
Un circuito de red pasivo utilizado en frecuencias VHF/UHF podría utilizar el tetrodo 4CX250B. Un ejemplo de tetrodo gemelo sería el QQV06/40A. El tetrodo tiene una rejilla de pantalla que se encuentra entre el ánodo y la primera rejilla, que al estar conectada a tierra para RF, actúa como un escudo para reducir la capacitancia efectiva entre la primera rejilla y el ánodo. La combinación de los efectos de la rejilla de pantalla y la resistencia de amortiguación de la rejilla a menudo permite el uso de este diseño sin neutralización. La pantalla que se encuentra en los tetrodos y pentodos aumenta en gran medida la ganancia de la válvula al reducir el efecto del voltaje del ánodo sobre la corriente del ánodo.
La señal de entrada se aplica a la primera rejilla de la válvula a través de un condensador. El valor de la resistencia de la red determina la ganancia de la etapa del amplificador. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será la ganancia, menor será el efecto de amortiguación y mayor será el riesgo de inestabilidad. En este tipo de escenario, una buena disposición es menos vital.
Este diseño normalmente utiliza un triodo, por lo que válvulas como la 4CX250B no son adecuadas para este circuito, a menos que la pantalla y las rejillas de control estén unidas, convirtiendo efectivamente el tetrodo en un triodo. Este diseño de circuito se ha utilizado a 1296 MHz utilizando válvulas triodo con sello de disco como la 2C39A.
La rejilla está conectada a tierra y el accionamiento se aplica al cátodo a través de un condensador. El suministro del calentador debe estar aislado del cátodo ya que, a diferencia de otros diseños, el cátodo no está conectado a tierra de RF. Algunas válvulas, como la 811A, están diseñadas para funcionar con "polarización cero" y el cátodo puede estar en potencial de tierra para CC. Las válvulas que requieren una polarización negativa de la red se pueden utilizar poniendo un voltaje CC positivo en el cátodo. Esto se puede lograr colocando un diodo zener entre el cátodo y tierra o usando un suministro de polarización separado.
La capacitancia entre electrodos de válvula que existe entre la entrada y la salida del amplificador y otros acoplamientos parásitos puede permitir que se retroalimente suficiente energía a la entrada para provocar una autooscilación en una etapa del amplificador. Para los diseños de mayor ganancia, este efecto debe contrarrestarse. Existen varios métodos para introducir una señal desfasada desde la salida a la entrada de modo que se cancele el efecto. Incluso cuando la retroalimentación no es suficiente para causar oscilación, puede producir otros efectos, como una sintonización difícil. Por lo tanto, la neutralización puede resultar útil, incluso para un amplificador que no oscila. Muchos amplificadores de red conectados a tierra no utilizan neutralización, pero agregarla a 30 MHz puede suavizar la sintonización.
Una parte importante de la neutralización de un tetrodo o pentodo es el diseño del circuito de la rejilla de pantalla. Para proporcionar el mayor efecto de protección, la pantalla debe estar bien conectada a tierra en la frecuencia de operación. Muchas válvulas tendrán una frecuencia "autoneutralizante" en algún lugar del rango VHF. Esto resulta de una resonancia en serie que consta de la capacidad de la pantalla y la inductancia del cable de la pantalla, proporcionando así una ruta de muy baja impedancia a tierra.
Los efectos del tiempo de tránsito son importantes en estas frecuencias, por lo que normalmente no se puede utilizar la retroalimentación y, para aplicaciones críticas para el rendimiento, se deben utilizar técnicas de linealización alternativas, como la degeneración y la alimentación anticipada.
La cifra de ruido no suele ser un problema para las válvulas de los amplificadores de potencia; sin embargo, en receptores que utilizan válvulas puede ser importante. Si bien dichos usos son obsoletos, esta información se incluye por interés histórico.
Como cualquier dispositivo amplificador, las válvulas añaden ruido a la señal que se va a amplificar. Sin embargo, incluso con un amplificador hipotético perfecto, el ruido está inevitablemente presente debido a las fluctuaciones térmicas en la fuente de la señal (generalmente se supone que está a temperatura ambiente, T = 295 K). Tales fluctuaciones provocan una potencia de ruido eléctrico de , donde k B es la constante de Boltzmann y B el ancho de banda. En consecuencia, el ruido de voltaje de una resistencia R en un circuito abierto es y el ruido de corriente en un cortocircuito es .
La figura de ruido se define como la relación entre la potencia de ruido a la salida del amplificador y la potencia de ruido que estaría presente en la salida si el amplificador fuera silencioso (debido a la amplificación del ruido térmico de la fuente de señal). Una definición equivalente es: la figura de ruido es el factor por el cual la inserción del amplificador degrada la relación señal-ruido. A menudo se expresa en decibeles (dB). Un amplificador con un factor de ruido de 0 dB sería perfecto.
Las propiedades de ruido de los tubos en frecuencias de audio se pueden modelar bien mediante un tubo perfecto y silencioso que tenga una fuente de ruido de voltaje en serie con la rejilla. Para el tubo EF86, por ejemplo, este ruido de voltaje se especifica (ver, por ejemplo, las hojas de datos de Valvo, Telefunken o Philips) como 2 microvoltios integrados en un rango de frecuencia de aproximadamente 25 Hz a 10 kHz. (Esto se refiere al ruido integrado; consulte a continuación la dependencia de la frecuencia de la densidad espectral del ruido). Esto equivale al ruido de voltaje de una resistencia de 25 kΩ. Por tanto, si la fuente de señal tiene una impedancia de 25 kΩ o más, el ruido del tubo es en realidad menor que el ruido de la fuente. Para una fuente de 25 kΩ, el ruido generado por el tubo y la fuente es el mismo, por lo que la potencia de ruido total a la salida del amplificador es el doble de la potencia de ruido a la salida del amplificador perfecto. La figura de ruido es entonces de dos o 3 dB. Para impedancias más altas, como 250 kΩ, el ruido de voltaje del EF86 es menor que el ruido de la propia fuente. Por tanto, suma 1/10 de la potencia de ruido provocada por la fuente y el factor de ruido es 0,4 dB. Por otro lado, para una fuente de baja impedancia de 250 Ω, la contribución de voltaje de ruido del tubo es 10 veces mayor que la fuente de señal, de modo que la potencia de ruido es cien veces mayor que la causada por la fuente. El factor de ruido en este caso es de 20 dB.
Para obtener un factor de ruido bajo, la impedancia de la fuente se puede aumentar mediante un transformador. Esto eventualmente está limitado por la capacidad de entrada del tubo, que establece un límite sobre qué tan alta puede ser la impedancia de la señal si se desea un cierto ancho de banda.
La densidad de tensión de ruido de un tubo determinado es función de la frecuencia. En frecuencias superiores a 10 kHz aproximadamente, es básicamente constante ("ruido blanco"). El ruido blanco a menudo se expresa mediante una resistencia al ruido equivalente, que se define como la resistencia que produce el mismo ruido de voltaje que el presente en la entrada del tubo. Para triodos, es aproximadamente (2-4)/ g m , donde g m es la transconductividad. Para los pentodos, es mayor, aproximadamente (5-7)/ g m . Por lo tanto , los tubos con g m alto tienden a tener un ruido más bajo a altas frecuencias. Por ejemplo, es 300 Ω para la mitad del ECC88, 250 Ω para un E188CC (ambos tienen g m = 12,5 mA/V) y tan bajo como 65 Ω para un D3a conectado a tride ( g m = 40 mA/V ).
En el rango de frecuencia de audio (por debajo de 1–100 kHz), el ruido "1/ f " se vuelve dominante, y aumenta como 1/ f . (Esta es la razón de la resistencia al ruido relativamente alta del EF86 en el ejemplo anterior). Por lo tanto, los tubos con bajo ruido a alta frecuencia no necesariamente tienen bajo ruido en el rango de frecuencia de audio. Para tubos de audio especiales de bajo ruido, la frecuencia a la que el ruido 1/ f se hace cargo se reduce lo más posible, tal vez a aproximadamente un kilohercio. Se puede reducir eligiendo materiales muy puros para el níquel del cátodo y haciendo funcionar el tubo con una corriente anódica optimizada (generalmente baja).
En radiofrecuencias, las cosas son más complicadas: (i) La impedancia de entrada de un tubo tiene un componente real que disminuye como 1/ f ² (debido a la inductancia del cable del cátodo y a los efectos del tiempo de tránsito). Esto significa que la impedancia de entrada ya no se puede aumentar arbitrariamente para reducir la figura de ruido. (ii) Esta resistencia de entrada tiene su propio ruido térmico, como cualquier resistencia. (La "temperatura" de esta resistencia a efectos de ruido está más cerca de la temperatura del cátodo que de la temperatura ambiente). Por tanto, la figura de ruido de los amplificadores de válvulas aumenta con la frecuencia. A 200 MHz, se puede alcanzar una cifra de ruido de 2,5 (o 4 dB) con el tubo ECC2000 en un circuito "cascode" optimizado con una impedancia de fuente optimizada. A 800 MHz, los tubos como el EC8010 tienen cifras de ruido de unos 10 dB o más. Los triodos planos son mejores, pero muy pronto los transistores alcanzaron cifras de ruido sustancialmente más bajas que las válvulas en UHF. Así, los sintonizadores de televisores estuvieron entre los primeros componentes de la electrónica de consumo en los que se utilizaron transistores.
Los amplificadores semiconductores han desplazado abrumadoramente a los amplificadores de válvulas para aplicaciones de baja y media potencia en todas las frecuencias.
Las válvulas continúan utilizándose en algunos amplificadores de alta potencia y alta frecuencia utilizados para transmisiones de onda corta, TV VHF y UHF y radio FM (VHF), también en "equipos de radar, contramedidas o de comunicaciones" existentes [7] que utilizan válvulas diseñadas, como el klistrón , el girotrón , el tubo de ondas progresivas y el amplificador de campo cruzado ; sin embargo, los nuevos diseños de dichos productos ahora se basan invariablemente en semiconductores. [8]
