AMPLIFICADOR DE AUDIO A TRIODOS (V)

Bueno, en esta última parte voy a describir, a grandes rasgos, el resto de la elaboración del aparato, daré ciertas nociones generales para los menos familiarizados con estos dispositivos y expondré algunas inquietantes conclusiones...También, como ya había adelantado antes, adjuntaré algunos links que considero bastante ilustrativos sobre este tema.

El triodo es el dispositivo básico de vacío que permite modificar señales gracias a su elemento de control (rejilla), concretamente en este aparato es empleado para amplificar en potencia la señal de entrada.

El funcionamiento básico es simplísimo, atendiendo a sus tres electrodos básicos:

1. Cátodo. En este elemento está situado el filamento de caldeo, alojado en su interior (el cátodo suele ser un alargado y estrecho cilindro o de sección rectangular, en cuyo interior se ve brillar el filamento, de ahí que algunas personas las conozcan como "lámparas").
A veces el mismo filamento hace de cátodo (las más antiguas tienen esta topología, conocidas por el apellido de "caldeo directo"), como es el caso de la 300B, 2A3, etc...Al calentarse desprende los electones libres que hay en el metal del que está constituído para formar una "nube electrónica" a su alrededor, tanto más densa a mayor temperatura alcanzada en el filamento.

2. Ánodo (placa). Suele ser la parte más externa del conjunto, reconocible fácilmente por su color gris, gris oscuro o incluso negro, aunque hay algunos casos de ánodos atípicos a modo de finas mallas metálicas.
Si se polariza con un potencial positivo respecto al cátodo, y exixte temperatura suficiente en éste, se producirá un flujo de corriente eléctrica unidireccional, incrementándose si elevamos la diferencia de potencial entre estos dos electrodos. Ahora sabemos que la corriente establecida entre estos dos electrodos se puede incrementar, bien aumentando la temperatura del cátodo y/o elevando la ddp A-K.

3. Rejilla. Este es el elemento que nos va a permitir regular el flujo electrónico, introduciendo la facultad de poder amplificar las señales aplicadas aquí.

Si el potencial es negativo respecto al cátodo la corriente se va a ver disminuída o incluso prácticamente anulada, porque los electrones al tener carga negativa serán repelidos por este elemento, tanto más repulsión a mayor potencial negativo en este punto. Si es cero (mismo potencial que el cátodo) se comportará "casi" como un diodo, y si es ligeramente positivo, algunos de los electrones se verán desviados por aquí (este caso, de producirse, es de muy baja entidad debido a la poca superficie de la rejilla y a que el ánodo, normalmente, siempre será más positivo). En ocasiones, una tensión positiva de reja de cierta entidad puede llegar a incrementar bastante la corriente de ánodo, hasta llegar al punto de poner en riesgo su integridad, debido a la "preaceleración" que provocaría en los electrones.

Con lo expuesto hasta el momento nos quedamos con la idea de que se puede considerar como "una resistencia variable" en tiempo real, con todas las consecuencias derivadas de la Ley de Ohm, y con un valor dependiente directamente del potencial de rejilla (bajo condiciones constantes de temperatura de cátodo y tensión de ánodo). Esta "resistencia" transmitirá el flujo de corriente a la carga (otra resistencia o un transformador de impedancias, en el caso de este montaje).

Desde que publiqué la segunda parte ha pasado mucho tiempo, y los componentes que empleé finalmente han sido prácticamente los iniciales (casi todos muy alejados de lo ideal, como ya apunté en su día). Un cambio ha sido el potenciómetro de volumen, así como su botón de mando, sustituidos por otros de mayor calidad. El potenciómetro es un ALPS de 100K logarítmico (los normalmente empleados en audio) de cuatro patillas por canal en vez de las tres típicas, estos son los que pueden incorporar control de "loudness" ; decidí el cambio porque lo vi a un bajo precio, comparado con lo normal para uno de este tipo...solo le tuve que anular la patilla que no me hacía falta y listo. Todo esto lo he decidido así puesto que es posible que le haga un "upgrade" algún día, para que rinda dentro de sus modestas posibilidades y tenga un lugarcillo digno en alguna estancia...También he cambiado los LED de la iluminación decorativa por otros de 3mm (los iniciales eran de 5mm), y variado algún condensador electrolítico de la fuente de alimentación (todos proceden de "desguaces"). La válvula de previo inicial (12AU7/ECC82) la he tenido que cambiar sobre la marcha debido a la poca salida que aportaba y he puesto una 12AX7, que tiene mucha más ganancia. Por lo demás nada, solo cambiar algún valor resistivo debido a las novedades mencionadas.

Potenciómetro doble ALPS de 100KΩ.

El apartado más escamoso y débil es el de los transformadores de salida de audio. Los he tenido que modificar (operación que es totalmente reversible) para que fuesen lo más aptos posible para este montaje experimental, debido a su poco apropiada relación de impedancias de origen.
Como ya había mencionado, el tubo 6AS7 tiene una relativa baja impedancia de salida, con lo que el trafo de carga debe corresponder a esta característica. Los que tenía en mi poder eran poco propicios para este propósito; con 4400 y 8000Ω no conseguiría casi nada de salida, y esto sin contar con las poco estandarizadas tomas de 2,5 y 5Ω para los altavoces (actualmente no los hay con estas impedancias nominales). En un principio sopesé dejarlos como están y conectar altavoces de 4Ω en la clema de 5, con lo que la impedancia reflejada  en la toma de 4400 sería ahora de unos 3500...demasiado elevada todavía. Era necesario reducirla de alguna manera sin recurrir a soluciones más drásticas, como el rebobinado. La solución (no recomendada en absoluto para un montaje de cierta calidad) pasaba por modificar su relación de transformación, y como las tomas del primario "casi" eran simétricas respecto a la toma intermedia opté por poner sus devanados en paralelo, para ello desoldé los conductores  de sus lugares, unos finísimos hilos de cobre, y los ordené para ponerlos en fase, luego cubrí todo con cola termofusible para darle rigidez y estos fueron los resultados:

Sabemos que Zp=m²·Zs, donde Zp es la impedancia que "vería" la válvula (la del bobinado primario) cuando se conecta una carga, en este caso un altavoz, de XΩ (Zs) en el secundario (lado de baja impedancia), siendo "m" la relación de transformación, y por teoría básica de transformadores sabemos que "m" es el cociente entre Vp y Vs (tensiones medidas en primario y secundario en vacío) o también Np/Ns (número de vueltas en cada bobinado). Una vez "operados" los probé para saber su nueva "m" respecto la toma de 5Ω (que es la que finalmente iría a emplear en la conexión de los bafles). Gracias a mi nuevo variac esto es muy sencillo de averiguar; para ello apliqué tensión creciente, partiendo de cero, al primario (ahora solo hay dos bornas tras eliminar la central) y medí la tensión en el secundario entre 0 y 5Ω, incrementé el valor hasta leer 4V en el secundario (valor arbitrario escogido por mí), finalmente para llegar a este valor eran necesarios 82V en el primario, con lo que m=20,5. Con esto ya sabía que conectando unos altavoces de 4Ω a la clema de 5, la válvula estaría en un régimen de carga dinámica de aproximadamente 1700Ω (1K7), 2K1 si respetásemos los 5Ω originales (opción inviable), y si fuesen de 8Ω (como al final han sido los del vídeo), estaríamos en 3362Ω, esto hace que no se transmita toda la potencia que podría entregar el aparato a la carga, pero como veremos más adelante no tenía una mejor opción. La otra unidad arrojó una "m" similar, pero no igual, como era de esperar en dispositivos de segunda línea, construidos hace varias décadas, cuando las tolerancias eran menos significativas.
Esta manipulación, necesaria a todas luces para hacer que sonara a niveles mínimos, trae consigo múltiples inconvenientes, como son: incrementos en la distorsión (devanados no simétricos), circulación de corrientes descompensadas en el nuevo primario e importantes alteraciones en su respuesta en frecuencia (ya de por sí escasa, debido a su desempeño principalmente en aparatos de radio de AM, donde la banda pasante de audio es muy pobre) debido a una drástica reducción de su inductancia en el circuito primario. Asimismo se adivina una respuesta en graves no muy extensa, simplemente al ver su tamaño, éste guarda una relación directamente proporcional a la extensión en graves, por eso, los trafos voluminosos son imperiosos en este aspecto. Sin embargo, la peor respuesta se localiza en las frecuencias agudas, careciendo de una mínima linealidad, indiscutible en un aparato de alta fidelidad. Puedo afirmar que el 90% de sus carencias se deben a estos elementos, pues el otro 10% fácilmente se lograría empleando válvulas pareadas, sustituyendo las cuatro resistencias de los cátodos de las 6AS7 por otras de un valor ligeramente inferior (1K5 por ej.) para incrementar la corriente de reposo y así ajustar más la válvula a su potencial, sustituir los condensadores de acople entre etapas por otros de mayor calidad, equipar el circuito de audio con las consabidas resistencias de película metálica (de baja tolerancia, y excelentes para minimizar ruidos parásitos o zumbidos) y poner un choque de más inductancia, de los propios para estos aparatos...pero bueno, como dije, este proyecto solo es una avanzadilla a modo experimental hasta que construya el bueno.

Las 6AS7 que empleé (izq./cen.) eran de distinto fabricante. Lo ideal: mismo lote y pareadas.

Realicé varias pruebas de respuesta en frecuencia, comparando la amplitud de la señal de referencia proveniente de un generador de funciones (1Vpp) con la salida de la clema de 5Ω cargada con dos resistencias en serie de 2R7 (5,4Ω). Como comentaba antes, la atenuación a altas frecuencias audibles es escandalosa...todo ello debido, casi al 100%, a los trafos de salida.

Conexiones para el test.

Onda senoidal a volumen constante. Obsérvese la notable atenuación a 10KHz, y ya exacervada a 20KHz.

Triangular / 1KHz.

Cuadrada / 1KHz. Ningún aparato con salida a transformador será capaz de recrearla fielmente.

La onda cuadrada no está presente en los sonidos de manera natural, solo los instrumentos electrónicos pueden llegar a producirla. El problema de todos los transformadores electromagnéticos es que tienen una especie de "lag" o punto muerto mientras se magnetizan, esto se traduce en que les es imposible de dibujar una rampa totalmente vertical, del mismo modo, cuando cesa la variación de flujo magnético (en la cresta o en el valle) no habrá f.e.m. a la salida, esta distorsión es más acusada a bajas frecuencias, donde el decaemiento es muy evidente. Luego está el tema de los altavoces y sus inercias mecánicas, para acabar de emborronar más el tema, pero eso es otra penosa historia.

Esta tara no creo que sea un elemento preocupante, bajo mi humilde opinión, porque en la música (salvo bizarras excepciones) y en los sonidos producidos de forma natural, como ya dije, no están presentes.

El circuito de audio es un compendio de varios esquemas que se pueden encontrar en la red, adaptado medianamente a las piezas que tenía. La disposición de los componentes se hizo sobre la marcha, utilizando regletas de soldadura punto a punto (al final quedaron bastantes sin emplear), y el resto de manera aérea directa hasta los zócalos de las válvulas.

En este proyecto me interesaban, más que nada, los temas relacionados con el cableado, aspectos mecánicos y estéticos, en definitiva, ir probando algunas ideas para, posiblemente, adoptarlas en el próximo.

Circuitos finalizados. Abajo, a la derecha, se aprecia la reactancia de 36W,  empleada aquí como choque.

Algunas mediciones se representan en los esquemas. Aquí: tensión en ánodos de GZ37.

Detalle de uno de los circuitos del "ojo mágico".

Fusibles de 160mA, esenciales para proteger los trafos de audio de posibles fallos.

Esquema electrónico de uno de los canales de audio. Las impedancias del secundario son las originales.

Esquema electrónico de uno de los indicadores de nivel de salida.

Cuando se diseña un circuito de este tipo, se suele empezar por elegir las válvulas de potencia, luego, según determinemos su punto de funcionamiento en reposo (que para un buen rendimiento en aparatos SE, suele estar sobre el 70-90% de su disipación de ánodo, o incluso, a veces, casi el 100%), con esto sabremos las características de impedancia del primario del trafo de salida, acorde con los valores normalizados de carga en su secundario; al final, con todo esto, estimaremos las necesidades de tensión de alimentación y la capacidad de entrega de corriente de la fuente, teniendo en cuentas todas las caídas de tensión en la cadena de elementos desde masa hasta la rectificadora o el puente, con lo que lógicamente lo último en diseñar sería la fuente (cosa que no he tenido opción en mi montaje, puesto que el trafo era el que era). En otros casos, partiendo de una impedancia de carga conocida (por tener trafos de salida de calidad y querer adaptarlos dentro de lo posible a una determinada válvula), se puede establecer la recta de carga por medio de ayudas.

Según las características de la válvula de potencia y su punto de trabajo, se diseñará la etapa de ataque y también la de previo (si fuese necesaria). En mi caso es combinada, pues la señal de entrada aplicable está sobre los 700mV-1Vpp (tipo línea, CD, AUX, etc...), incluso con un MP3, un móvil, una tablet...se obtienen niveles mayores señal llegando ya bastante amplificada a la entrada, gracias a esto, solamente es necesario media sección de la ECC83, (1/2 para cada canal) para obtener un nivel decente. Si tuviésemos que conectar una cápsula fonocaptora, una guitarra eléctrica o un micro dinámico, necesitaríamos por lo menos otra etapa amplificadora, porque estas señales son de muy bajo nivel.

Las válvulas de previo no se suelen apurar hasta "casi" su máxima disipación, como en el caso de las de potencia, porque nos interesa su amplificación en tensión y que sea su respuesta lo más lineal posible. Se suele escoger una zona intermedia, alejada de Pmáx y de la zona inferior, evitándonos, en lo posible, distorsiones por falta de corriente de placa o saturaciones por exceso. Me hubiese gustado cargarla un pelín más, pero para hacerlo, de la manera que quería, necesitaba mayor tensión anódica en condiciones de muy bajo rizado, de la que no disponía debido a las características de la fuente.

Para estos menesteres existen calculadoras, hojas de cálculo online, etc...yo he trasteado concretamente con esta:

Recta de carga, en amarillo, para una sección de la ECC83.

Respuesta en frecuencia a la salida de C3 (ver esquema electrónico de audio).

Para hacernos una idea rápida de la impedancia primaria más adecuada, veremos las características de la válvula de salida: Va-k, Ip...A groso modo se puede afirmar que Zp es directamente proporcional a +B que mismamente guarda relación directa con Va-ka), e inversamente proporcional a Ip, de forma semejante a: Z=V/I. Con esta relación se puede trazar una recta de ayuda en la gráfica de curvas características, cuya pendiente es proporcional a Zp, con lo que, a menor pendiente mayor Zp y viceversa. Esta pendiente se respeta luego para la recta de carga propiamente dicha, aproximación casi tangente, o tocante en ocasiones, a la curva de máxima disipación de placa.

Existen otros métodos, basados en la experiencia, para determinar la impedancia de carga en un aparato SE. Según muchos entendidos en la materia, una buena aproximación sería el multiplicar por tres la resistencia de placa (interna o de ánodo) del triodo de potencia (hay que tener en cuenta que Rp es un parámetro dinámico, por tanto, varía bastante a lo largo de las curvas características de la válvula en cuestión, siendo más elavada, en general, cuanto más a la derecha y más hacia abajo de la gráfica nos situemos: Rp(Ra)=ΔVa/ΔIa).

 

Recta de ayuda para establecer la pendiente de la recta de carga.

En el caso que nos atañe, no he podido aproximar las 6AS7 a su punto óptimo, quedando al 45% de disipación en reposo, unos 6W por sección. Esto se arreglaría poniendo unas resistencias de cátodo de un valor inferior (1K5), así la corriente de reposo subiría debido a una Vg menos negativa. No lo he hecho porque los trafos de salida eran muy pequeños, y con una mayor corriente de reposo podría llegar a saturar sus núcleos, con lo que incluso podría empeorar los resultados, por eso, un trafo grande siempre es superior en todo: menor resistencia  a la CC (resistencoa óhmica pura, que implica menos calentamiento y caída de tensión en este elemento), punto de saturación del núcleo muy alejado del funcionamiento normal, capacidad de manejo de potencia directamente proporcional al tamaño del núcleo al igual que una mayor alcance en las frecuencias graves.

Los fusibles de 160mA son una salvaguarda para los trafos de salida, siempre se deben de instalar como medida preventiva, porque: un fallo en la válvula asociada, un cortocircuito en su condensador de cátodo, falta de CC en la fuente auxiliar de polarización de rejilla (si se empleara este método)...podría llegar a dañarlos, y un trafo de calidad cuesta un montón.


Para entrar en mayor profundidad teórica os recomiendo dar una vuelta por internet. Entre las muchas páginas y blogs que hay os pongo algunas que me han gustado bastante:

1. The Valve Wizard (con su apartado especial SE).

2. Guitarristas. Válvulas: teoría y fundamentos.

3. ValveHeart (cálculos para la etapa de potencia en aparatos SE).

4. keith Snook's (esquemas).

PRUEBAS

Para probarlo, debido a que no tenía altavoces de 4Ω, recurrí a unas grandes cajas acústicas que había construido hace un par de años, con el objetivo de amenizar fiestas familiares...Están hechas de MDF, forradas en chapa natural de roble, con el interior recubierto de moqueta y espuma absorvente. Cada una consta de: un grave de 15" de marca desconocida, procedentes de altavoces empleados en orquestas ambulantes y que se encontraban en buen estado (los dos donación de mi cuñado), un agudo de compresión CP-22 de la casa Beyma, un tubo bass-reflex ajustable en longitud (Monacor) para sintonizar la caja, y un filtro casero "minimalista" de primer orden (6dB/octava), elaborado con una bobina de núcleo de hierro dulce (325µH) y un condensador no polarizado (4,7µF) para conseguir el corte sobre los 4KHz.

Puesto que el agudo llegaba hasta los 4KHz en su rango más bajo, y el grave suponía que, estirándose un poquillo, podría llegar aquí en su extremo alto, me decanté por no poner un tercer transductor de medios en las cajas, evitándome así el adquirirlos y el constuir un filtro más complejo. Mirando las especificaciones del tweeter, se indica que la pendiente para el filtro asociado debe de ser de 12dB/oct. como mínimo; no la he respetado a sabiendas, poniendo en cierto riesgo su seguridad a cambio de tener una transición menos abrupta, para suplir de alguna manera al inconveniente de la falta de un transductor de medios...hasta la fecha no han surgido averías en los tweeters...Tampoco le he puesto el típico atenuador resistivo (L-pad) para tratar de equiparar la sensibilidad de los dos elementos, esto es porque el control de frecuencias lo realizo en la mesa de mezclas, y reduzco bastante el espectro agudo.

De los graves no tenía dato alguno, ni de respuesta en frecuencia ni nada, solo tenía su impedancia nominal: 8Ω, pero lo que sí medí fue la frecuencia de resonancia al aire, y me arrojó una cifra de 48Hz, un resultado normal tirando a alto para un woofer de 15", lo que me hacía sospechar que sí podría acercarse a los 4KHz.

El CP-22 tiene una grandísima sensibilidad: 107dB aplicando 1W y medido a un metro de distancia (método standard), con lo que, concretamente para este amplificador, con la respuesta en agudos tan mermada, podría llegar a enmascarar sus carencias...

Medidas aparte, es más que sabido que ni el aparato ni las cajas son medianamente lineales (debido a los componentes "no escogidos"), pero audicionando de una manera subjetiva, el resultado es bastante agradable...

Cajas acústicas empleadas en el vídeo.

Cuando llegue el momento de elaborar el ampli bueno y se concluya, una de las posibilidades que barajo como cajas acústicas son unas  Altec Lansing A7...pero para hacer en casa, al más puro estilo DIY.

Altec Lansing A7.