Un amplificador de válvulas o amplificador de válvulas es un tipo de amplificador electrónico que utiliza válvulas de vacío para aumentar la amplitud o potencia de una señal . Los amplificadores de válvulas de potencia baja a media para frecuencias por debajo de las microondas fueron reemplazados en gran medida por amplificadores de estado sólido en las décadas de 1960 y 1970. Los amplificadores de válvulas se pueden utilizar para aplicaciones como amplificadores de guitarra , transpondedores satelitales como DirecTV y GPS , amplificadores estéreo de alta calidad, aplicaciones militares (como radares ) y transmisores de radio y televisión UHF de muy alta potencia .
Hasta la invención del transistor en 1947, la mayoría de los amplificadores electrónicos de alta frecuencia prácticos se fabricaban utilizando válvulas termoiónicas . [1] La válvula más simple (llamada diodo porque tenía dos electrodos ) fue inventada por John Ambrose Fleming mientras trabajaba para la Marconi Company en Londres en 1904. El diodo conducía la electricidad en una sola dirección y se usaba como detector de radio y rectificador . .
En 1906 Lee De Forest añadió un tercer electrodo e inventó el primer dispositivo amplificador electrónico, el triodo , al que llamó Audion . Esta rejilla de control adicional modula la corriente que fluye entre el cátodo y el ánodo . La relación entre el flujo de corriente y el voltaje de la placa y la red a menudo se representa como una serie de "curvas características" en un diagrama. Dependiendo de los otros componentes del circuito, este flujo de corriente modulado se puede utilizar para proporcionar ganancia de corriente o voltaje .
La primera aplicación de la amplificación valvular fue en la regeneración de señales de telefonía de larga distancia . Posteriormente, la amplificación por válvulas se aplicó al mercado ' inalámbrico ' que comenzó a principios de los años treinta. Con el tiempo también se construyeron amplificadores para música y más tarde para televisión utilizando válvulas.
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La topología de circuito abrumadoramente dominante durante este período fue la etapa de ganancia de triodo de un solo extremo , que operaba en clase A, que daba muy buen sonido (y un rendimiento de distorsión medido razonable ) a pesar de un circuito extremadamente simple con muy pocos componentes: importante en un momento en que los componentes eran hecho a mano y extremadamente caro. Antes de la Segunda Guerra Mundial , casi todos los amplificadores de válvulas eran de baja ganancia y su linealidad dependía completamente de la linealidad inherente de la propia válvula, típicamente un 5% de distorsión a máxima potencia.
La retroalimentación negativa (NFB, por sus siglas en inglés) fue inventada por Harold Stephen Black en 1927, pero inicialmente se usó poco ya que en ese momento la ganancia era escasa. Esta técnica permite a los amplificadores intercambiar ganancia por niveles de distorsión reducidos (y también brinda otros beneficios, como una impedancia de salida reducida). La introducción del amplificador Williamson en 1947, que era extremadamente avanzado en muchos aspectos, incluido el uso muy exitoso del NFB, fue un punto de inflexión en el diseño de amplificadores de potencia de audio, operando un circuito de salida push-pull en clase AB1 para brindar un rendimiento que superaba a sus contemporáneos.
La Segunda Guerra Mundial estimuló un espectacular progreso técnico y economías de producción a escala industrial. La creciente riqueza después de la guerra condujo a un mercado de consumo sustancial y en expansión. Esto permitió a los fabricantes de productos electrónicos construir y comercializar diseños de válvulas (tubo) más avanzados a precios asequibles, con el resultado de que en la década de 1960 se produjo la creciente difusión de los reproductores de gramófonos electrónicos y, en última instancia, los inicios de la alta fidelidad . La alta fidelidad pudo llevar altavoces de rango de frecuencia completo (por primera vez, a menudo con múltiples controladores para diferentes bandas de frecuencia) a niveles de volumen significativos. Esto, combinado con la difusión de la televisión, produjo una "edad de oro" en el desarrollo de válvulas (válvulas) y también en el desarrollo del diseño de circuitos amplificadores de válvulas.
Rápidamente se generalizó una gama de topologías con sólo variaciones menores (en particular, diferentes disposiciones de divisores de fase y la conexión de transformador " ultralineal " para tetrodos). Esta familia de diseños sigue siendo la topología de amplificador de alta potencia dominante hasta el día de hoy para aplicaciones musicales. Este período también vio un crecimiento continuo en la radio civil, con válvulas que se utilizan tanto para transmisores como para receptores.
A partir de la década de 1970, el transistor de silicio se volvió cada vez más generalizado. La producción de válvulas disminuyó drásticamente, con la notable excepción de los tubos de rayos catódicos (CRT) y una gama reducida de válvulas para aplicaciones de amplificador. Las válvulas de baja potencia populares eran triodos duales (ECCnn, serie 12Ax7) más el pentodo EF86, y las válvulas de potencia eran en su mayoría tetrodos y pentodos de haz (EL84, EL34, KT88/6550, 6L6), en ambos casos con calentamiento indirecto. Este conjunto reducido de tipos sigue siendo el núcleo de la producción de válvulas en la actualidad.
Los soviéticos conservaron válvulas en mucha mayor medida que Occidente durante la Guerra Fría , para la mayoría de sus comunicaciones y necesidades de amplificación militar, en parte debido a la capacidad de las válvulas para soportar sobrecargas instantáneas (en particular, debido a una detonación nuclear ) que destruirían un transistor. [2]
La drástica reducción del tamaño, el consumo de energía, los menores niveles de distorsión y, sobre todo, el coste de los productos electrónicos basados en transistores han hecho que las válvulas queden obsoletas para los productos convencionales desde los años 1970. Las válvulas permanecieron en ciertas aplicaciones, como transmisores de RF de alta potencia y hornos microondas , y equipos de amplificación de audio, particularmente para guitarras eléctricas, estudios de grabación y equipos de sonido domésticos de alta gama.
En aplicaciones de audio, las válvulas siguen siendo muy deseadas por la mayoría de los usuarios profesionales, particularmente en equipos de estudios de grabación y amplificadores de guitarra. Hay un subgrupo de entusiastas del audio que abogan por el uso de amplificadores de válvulas para escuchar en casa. Sostienen que los amplificadores de válvulas producen un sonido de válvulas "más cálido" o más "natural" . Empresas de Asia y Europa del Este siguen produciendo válvulas para atender a este mercado.
Muchos guitarristas profesionales utilizan "amplificadores de válvulas" debido a su famoso "tono". "Tono" en este uso se refiere al timbre o color de tono, y puede ser una cualidad muy subjetiva de cuantificar. La mayoría de los técnicos y científicos de audio teorizan que la "distorsión armónica uniforme" producida por los tubos de válvulas suena más agradable al oído que los transistores, independientemente del estilo. Son las características tonales de las válvulas las que las han mantenido como el estándar de la industria para guitarras y preamplificación de micrófonos de estudio.
Los amplificadores de válvulas responden de manera diferente a los amplificadores de transistores cuando los niveles de señal se acercan y alcanzan el punto de saturación . En un amplificador de válvulas, la transición de la amplificación lineal a la limitación es menos abrupta que en una unidad de estado sólido, lo que resulta en una forma de distorsión menos chirriante al inicio del recorte. Por esta razón, algunos guitarristas prefieren el sonido de un amplificador totalmente a válvulas; Sin embargo, las propiedades estéticas de los amplificadores de válvulas frente a las de estado sólido son un tema de debate en la comunidad de guitarristas. [3]
Las válvulas de potencia suelen funcionar a voltajes más altos y corrientes más bajas que los transistores, aunque los voltajes operativos de estado sólido han aumentado constantemente con las tecnologías de dispositivos modernos. Los transmisores de radio de alta potencia que se utilizan hoy en día funcionan en el rango de kilovoltios, donde todavía no existe otra tecnología comparable disponible. ([potencia = voltaje × corriente], por lo que una alta potencia requiere alto voltaje, alta corriente o ambos)
Muchas válvulas de potencia tienen buena linealidad pero ganancia o transconductancia modesta . Los amplificadores de señal que utilizan válvulas son capaces de alcanzar rangos de respuesta de frecuencia muy altos, hasta radiofrecuencia , y muchos de los amplificadores de audio de triodo de un solo extremo (DH-SET) calentados directamente utilizan válvulas transmisoras de radio diseñadas para funcionar en el rango de megahercios. En la práctica, sin embargo, los diseños de amplificadores de válvulas suelen "acoplar" etapas ya sea de forma capacitiva, limitando el ancho de banda en el extremo inferior, o de forma inductiva con transformadores, limitando el ancho de banda en ambos extremos.
Todos los circuitos amplificadores están clasificados por "clase de operación" como A, B, AB y C, etc. Consulte las clases de amplificadores de potencia . Existen algunas topologías de circuitos significativamente diferentes en comparación con los diseños de transistores.
La alta impedancia de salida de los circuitos de placas de tubos no se adapta bien a cargas de baja impedancia, como altavoces o antenas. Se requiere una red coincidente para una transferencia de energía eficiente; Puede ser un transformador en frecuencias de audio o varias redes sintonizadas en frecuencias de radio.
En una configuración de seguidor de cátodo o de placa común , la salida se toma de la resistencia del cátodo. Debido a la retroalimentación negativa (el voltaje de tierra del cátodo cancela el voltaje de tierra de la red), la ganancia de voltaje es cercana a la unidad y el voltaje de salida sigue el voltaje de la red. Aunque la resistencia del cátodo puede ser de muchos kiloohmios (dependiendo de los requisitos de polarización), la impedancia de salida de señal pequeña es muy baja (consulte amplificador operacional ).
Las válvulas siguen siendo de uso generalizado en guitarras y amplificadores de audio de alta gama debido a la calidad de sonido percibida que producen. Están en gran medida obsoletos en otros lugares debido a su mayor consumo de energía, distorsión, costos, confiabilidad y peso en comparación con los transistores.
La telefonía fue la original y durante muchos años fue una aplicación impulsora de la amplificación de audio. Un problema específico para la industria de las telecomunicaciones fue la técnica de multiplexar muchas (hasta mil) líneas de voz en un solo cable, en diferentes frecuencias.
La ventaja de esto es que un amplificador "repetidor" de una sola válvula puede amplificar muchas llamadas a la vez, lo que resulta muy rentable. El problema es que los amplificadores deben ser extremadamente lineales; de lo contrario, la " distorsión de intermodulación " (IMD) provocará una "diafonía" entre los canales multiplexados. Esto estimuló el énfasis en el desarrollo hacia una baja distorsión mucho más allá de las necesidades nominales de un solo canal de voz.
Hoy en día, la aplicación principal de las válvulas son los amplificadores de audio para alta fidelidad de alta fidelidad y uso en actuaciones musicales con guitarras eléctricas , bajos eléctricos y órganos Hammond , aunque estas aplicaciones tienen diferentes requisitos con respecto a la distorsión que resultan en diferentes compromisos de diseño, aunque los mismos Las técnicas de diseño básicas son genéricas y ampliamente aplicables a todas las aplicaciones de amplificación de banda ancha, no solo al audio.
Después de la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los amplificadores de potencia de válvulas son de topología ultralineal "push pull" Clase AB-1, o válvulas de potencia de un solo extremo de menor costo, es decir, válvulas de potencia 6BQ5/EL84, pero todavía hay productos de nicho que utilizan topologías DH-SET e incluso OTL. existen en pequeñas cantidades.
El voltímetro y amperímetro de bobina móvil básico toma una pequeña corriente y, por lo tanto, carga el circuito al que está conectado. Esto puede alterar significativamente las condiciones de funcionamiento en el circuito que se está midiendo. El voltímetro de tubo de vacío (VTVM) utiliza la alta impedancia de entrada de una válvula para amortiguar el circuito que se mide desde la carga del amperímetro.
Los osciloscopios de válvula comparten esta impedancia de entrada muy alta y, por lo tanto, pueden usarse para medir voltajes incluso en circuitos de impedancia muy alta. Normalmente puede haber 3 o 4 etapas de amplificación por canal de visualización. En osciloscopios posteriores, se empleó un tipo de amplificador que utilizaba una serie de tubos conectados a distancias iguales a lo largo de líneas de transmisión , conocido como amplificador distribuido, para amplificar señales verticales de muy alta frecuencia antes de su aplicación al tubo de visualización. Los osciloscopios de válvulas ya están obsoletos.
En los últimos años de la era de las válvulas, éstas se utilizaban incluso para fabricar " amplificadores operacionales ", los componentes básicos de gran parte de la electrónica lineal moderna. Un amplificador operacional normalmente tiene una etapa de entrada diferencial y una salida tótem, y el circuito suele tener un mínimo de cinco dispositivos activos. Se produjeron varios "paquetes" que integraban dichos circuitos (normalmente usando dos o más sobres de vidrio) en un solo módulo que podía conectarse a un circuito más grande (como una computadora analógica). Estos amplificadores operacionales de válvulas estaban muy lejos de ser ideales y rápidamente quedaron obsoletos, siendo reemplazados por tipos de estado sólido.
Históricamente, los "tubos transmisores" anteriores a la Segunda Guerra Mundial se encontraban entre los tubos más potentes disponibles. Por lo general, estos tenían cátodos de filamentos toriados calentados directamente que brillaban como bombillas. Algunos tubos podían impulsarse con tanta fuerza que el ánodo brillaba de color rojo cereza; los ánodos se mecanizaron a partir de material sólido (en lugar de fabricarse a partir de láminas delgadas) para resistir el calor sin deformarse. Los tubos notables de este tipo son el 845 y el 211. Los tetrodos y pentodos posteriores, como el 817 y el 813 (calentado directamente) también se utilizaron en grandes cantidades en transmisores de radio (especialmente militares).
Los circuitos de RF son significativamente diferentes de los circuitos amplificadores de banda ancha. La antena o etapa del circuito siguiente normalmente contiene uno o más componentes capacitivos o inductivos ajustables que permiten que la resonancia de la etapa coincida con precisión con la frecuencia portadora en uso, para optimizar la transferencia de energía desde y la carga en la válvula, un llamado "circuito sintonizado". ".
Los circuitos de banda ancha requieren una respuesta plana en una amplia gama de frecuencias. Por el contrario, los circuitos de RF normalmente deben funcionar a altas frecuencias, pero a menudo en un rango de frecuencia muy estrecho. Por ejemplo, es posible que sea necesario que un dispositivo de RF funcione en el rango de 144 a 146 MHz (solo el 1,4%)
Hoy en día, los transmisores de radio se basan abrumadoramente en silicio, incluso en frecuencias de microondas. Sin embargo, una minoría cada vez menor de amplificadores de radiofrecuencia de alta potencia siguen teniendo una construcción de válvulas.