jueves, 4 de octubre de 2012

AMPLIFICADOR A VALVULAS

 

 

CALCULO Y CONSTRUCCION DE UN

AMPLIFICADOR A VALVULAS

EA3FXF

 

En 1904 pocos eran los receptores de telegrafía  sin hilos (TSH) que usaban el poco fiable sistema del cohesor de Brandly. Inventores y empresas de todo el mundo pugnaban por patentar un sistema definitivo para recibir las ondas de los, cada vez, mas numerosos transmisores utilizados, tanto en el mar como en tierra. Las armadas de todo el mundo estaban equipando sus buques con las mas modernas tecnologías de la época, vistos los buenos resultados que el invento de la radio estaba reportando en el coetáneo conflicto Ruso-Japones .

No es de extrañar que los inventores / científicos de aquellos tiempos sufrieran fuertes presiones para poner apunto un sistema  que mejorara las características del novedoso detector a galena inventado pocos años antes por el científico indio Chandra Bose, que era  lo mas sensible de que se disponía, pero que en el mar resultaba muy inestable y se desajustaba fácilmente.

Mientras en EEUU Fessenden experimentaba con la conversión directa, a este lado del atlántico el ingles Fleming investigaba las antiguas válvulas de Edison y descrubrio que rectificaban una señal de RF tan bien como la "moderna galena" y, por supuesto, resultaron ser detectores muy fiables y estables, patentándose en 1904 con el nombre de "válvula oscilante". Era un tubo de alto vacío con un filamento de caldeo que era el cátodo y una placa tubular que era el ánodo. No hay constancia de que Fleming investigara con mas de dos electrodos cosa que si hizo su coetáneo , el americano, Lee DeForest, aunque por razones completamente distintas.

Unos años antes, en Boston, DeForest había podido recibir las señales de los buques de la bahía por medio de un  detector hecho con la llama de un mechero de gas (figura 1) concibiendo la idea de que las señales de RF influyan en la ionización de los gases de la llama, por lo que construyo un ampolla de cristal, la lleno de aire a baja presión  y la caldeo con un filamento eléctrico.

Tras muchos experimentos dio en situar el electrodo  de antena entre el cátodo emisor de electrones y la placa positiva constituyendo el primer prototriodo. Sin embargo este triodo no iba bien del todo, el aire a baja presión se ionizaba fácilmente y hacia inestables las corrientes que circulaban por el tubo. Su ganancia era muy baja, tan baja que en 1906  patenta como detector, no como amplificador, el "audion". Su sensibilidad  era la de un buen detector de galena o la de un diodo de Fleming pero ni el mismo inventor sabia exactamente como funcionaba. No fue hasta 1913 que el ingeniero americano Irving Langmuir dio con la descripción matemática del funcionamiento del audion de alto vacío (triodo moderno), originándose la electrónica.


 

Un triodo moderno tiene los mismos elementos que el audion  pero está lleno de un gas inerte, que no se ioniza  Durante una época existieron válvulas duras de alto vacío pero pronto las válvulas blandas de gas inerte demostraron ser mejores y mas fáciles de construir.

El audion funcionaba exactamente como un moderno triodo que consta de un elemento calefactor unido (figura 2.) directa o indirectamente al cátodo que es por donde se emiten los electrones por efecto de la corriente calefactora. Si nada lo impide estos electrones llegan a la placa o ánodo donde cierran un circuito eléctrico con una pila B+ y se establece un flujo de corriente medible con un instrumento. Al intercalar una reja en el flujo de electrones  que va del cátodo hasta el ánodo podemos variar la corriente del circuito de B+ variando la polaridad de la reja, si esta tiene tensión negativa repelerá los electrones que salen del cátodo y pocos o ninguno llegaran a la placa, por lo que la corriente sera muy baja (o ninguna). En cambio, si la tensión aplicada a la reja es positiva los electrones se verán acelerados y llegaran a la placa. Esta propiedad del triodo es la que hace que las corrientes alternas de alta frecuencia sean rectificadas cerrándose el circuito solo en los semiperíodos positivos de la señal (efecto válvula).

 


Cuando mas intensa sea la nube de electrones K-A mayor sera la corriente de B+ que, a caballo de estos electrones, podrá pasar de ánodo a cátodo cerrando el circuito y, como esta nube es muy sensible a la polaridad de la reja, pequeños cambios en la tensión de reja provocaran grandes cambios proporcionales a la intensidad que circula por B+. Una válvula puede verse como una resistencia variable instantánea.

Hay que diferenciar claramente entre la Corriente Electrónica que es siempre en dirección K-A, de la corriente eléctrica del circuito asociado a B+ que circula en dirección contraria (A-K).

Como algunos electrones rebotaban en la placa, se dispuso otra reja conectada a positivo para minimizar cualquier emisión secundaria, se la llamo reja pantalla y nació el tetrodo (cuatro electrodos), de características diferentes al triodo, pero como aun llegaban algunos electrodos de la placa se añadió una quinta reja, conectada a potencial de cátodo que se llamo reja supresora, dando lugar al pentodo.

 

CALCULO DE UN AMPLIFICADOR PARA UN RADIORECEPTOR.DE COMUNICACIONES

 

Hay una serie de detalles que hemos de saber de la válvula que vamos a emplear. Lo mejor es conocer previamente el tipo de tubo, zócalo, alimentación de placa, alimentación de filamentos y disponer de los gráficos de características del fabricante, que podemos obtener fácilmente por Internet.

Utilizaremos un  doble tubo triodo pentodo PCL86 por el sencillo motivo que son baratos y aun se encuentran con facilidad en tiendas y mercadillos. 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.

Un amplificador de alta ganancia  debe disponer de por lo menos dos pasos , uno previo amplificador de tensión (triodo) y otro amplificador de corriente capaz de mover el cono de un altavoz.(pentodo).

 

FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

 

Se ha escogido una tensión de alimentación de 220V por ser la mas próxima que tenemos en  nuestros hogares. No es una buena idea rectificar directamente la tensión de la red ya que puede resultar peligroso para el operador, lo mejor es utilizar un transformador separador, de relación 1 / 1, de venta en los comercios del ramo o, si no lo encontramos,  utilizar un par de transformadores de 220V / 12V(1A) montados espalda contra espalda, según se ve en la figura 7.


 

Un rectificador de onda completa, discreto o encapsulado y un somero filtro RC, aseguran un bajo rizado a la salida que será, con carga, de unos 220V aproximadamente. Andar con mucho ojo con la tensión B+ porque puede darnos un disgusto. Hay que desconectar de la red y descargar los condensadores de filtro antes de manipular nada.

Puede montarse en un pequeño chasis metálico con conectores y puede servir para otros experimentos con válvulas.

 

CALCULO DEL PREAMPLIFICADOR TRIODO

 

El triodo de la PCL86 es de baja potencia y alta ganancia, puede trabajar tanto audiofrecuencia como radiofrecuencia hasta 15 Mc. sin ningún problema. Los mejores resultados se obtienen en clase A.

Para calcular su polarización en continua se trabaja sobre la gráfica que da las curvas de la corriente anódica en función de la tensión anódica y la tensión de polarización de reja (figura 3). Se escoge un punto  en la zona mas lineal de la curva de polarización de reja de -0.5V, lejos de la curva de máxima disipación y se traza una recta que una este punto con la tensión de alimentación , en el eje X, que sera de 220V. Prolongando esta recta hasta el eje Y sabremos la corriente de placa (2,5 mA) que circulara, una sencilla operación:  220V / 2.5 mA = 88 kΩ, nos permitirá conocer el valor de la resistencia de placa (Rp) para la que utilizaremos una resistencia de 82 KΩ en serie con una de 5,6 kΩ. Esta resistencia garantiza que en reposo la tensión de placa sera de 105 V y su corriente de 1,3 mA.

Ademas, podemos apreciar el efecto que tendrá una señal de 1V (+/- 0.5V) sobre la reja, veremos que la tensión en la placa de la válvula variara entre 80 y 140 voltios, cifras perfectamente

admisibles para la tensión de alimentación de que disponemos y que dan idea de la ganancia en continua del dispositivo.

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 kΩ , osea 390Ω redondeando. Una resistencia de 1/2W es mas que suficiente.

 


Ya hemos decidido el punto de funcionamiento del triodo y su polarización en continua. La técnica utilizada es la llamada de recta de carga y permite aproximaciones muy buenas si se utilizan los gráficos correspondientes a cada tubo, pudiéndose obtener información sobre las características dinámicas de la válvula (cosa bastante compleja y que el fabricante suele dar en sus datashets).

Para el resto de componentes (figura 4) solo es necesario "aproximar" su valor con un poco de sentido común.


El condenador de desacoplo de cátodo (Ck) debe ser de un valor tal que no atenúe las señales mas graves por lo que se escogerá un condensador electrolítico de 100 a 200 uF. Un sencillo cálculo  permitirá comprobar que su reactancia es muy baja a pocos Hz. Su voltaje pueden ser  12V.

La resistencia de reja (Rr) también llamada resistencia de escape, sirve para que circule la micro corriente generada por el paso de electrones secundarios de la placa a la reja. Cada fabricante suele aconsejar un valor determinado, que en nuestro caso es de 1MΩ . La tolerancia es bastante alta y cualquier valor por encima de 100 kΩ puede resultar aceptable.

El condensador de entrada de reja y de salida de placa pueden ser modelos cerámicos corrientes que aguantan 500V, de un valor de 100nF. El condensador electrolítico que desacopla la resistencia de placa puede ser de 33 a 100 uF / 350V y debe situarse muy próximo al lado frío. Un truco es situarlo entre la resistencia de 82kΩ y la de 5k6, que forman Rp.

Los triodos tienen una muy alta impedancia de entrada por lo que para fuentes de baja impedancia es necesario, para reducir perdidas, transformar la señal. Idealmente, deberíamos emplear un transformador de audio comercial, diseñado para mantener plana la curva de respuesta, estos dispositivos existen en el mundo de la alta fidelidad, pero resultan onerosos y difíciles de encontrar. En su lugar puede utilizarse un transformador de alimentación de 220V / 12V, normal y corriente, utilizando el devanado de baja tensión como entrada de baja impedancia. La respuesta de audio no es plana y tiene una fuerte atenuación  a partir de 3 kHz, lo cual es una ventaja para un receptor de comunicaciones. La ganancia en tensión obtenida con el transformador se multiplica por la ganancia del tubo siendo el resultado una elevada amplificación.

La escucha puede hacerse por medio de unos auriculares de alta impedancia (500Ω / 2000Ω) o conectándolo a la entrada line del PC. Un potenciómetro logarítmico de 500 kΩ puede regular la amplitud de la señal aplicada al siguiente paso.

 

 

 

CALCULO DEL AMPLIFICADOR PENTODO. (Figura 5.)

 

 


 

La principal limitación de los  amplificadores a válvulas es el transformador de impedancias (T) que es el que determina la resistencia de carga de placa y, por ende, el valor del resto de los componentes.

El pentodo de la PCL86 tiene su máximo rendimiento con una resistencia de carga de 7k. Es recomendable no disminuir mucho este valor so pena de sobrepasar la disipación máxima del tubo y acelerar su destrucción.

Como la relación espiras / tensión es proporcional en un transformador de alimentación, podemos tomar la relación de tensiones como la relación de espiras y calcular, aproximadamente, la relación de impedancias con la formula (V1 / V2)^2 = Z1 / Z2, por lo que para un transformador de 220V / 6V,  una impedancia de secundario (6V) de 8Ω   se transformara en una Z de 10,7kΩ en el primario, que sera la resistencia de carga (Rcarga).

Como en el caso del triodo el calculo de la polarización del pentodo se aplica la técnica de la recta de carga, para ello son necesarios los gráficos del fabricante donde la corriente de placa aparece como función de la intensidad de placa.(Figura 6).

Por medio de la Ley de Ohm podemos conocer la intensidad de placa: Ip = Vmax / Rcarga = 500V /  10,7 kΩ = 46mA, solo hemos de marcar esta cifra en el eje Y y tendremos un punto de la recta de carga. El otro punto viene dado por el fabricante y es la tensión máxima (Vmax.) que puede soportar la placa, que es de 500V. Si trazamos una linea entre estos dos puntos veremos que quedamos bastante lejos de la hipérbola de máxima potencia, es el precio que hay que pagar por usar una R de carga mayor de lo estipulado por el fabricante, pero sin riesgo alguno para la válvula. Una carga menor dará mas  potencia pero puede hacernos pasar rápidamente a la zona de peligro.

Seguidamente trazamos una linea perpendicular al eje X en el punto coincidente con la tensión de alimentación (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 que es de -6V, con lo que podremos calcular el valor de la resistencia de cátodo (Rk) aplicando la formula: Rk = I Vg I / Ipr = 6V / 25mA = 240Ω que podemos redondear a 220Ω, tranquilamente.

 


 

En estos cálculos y, para simplificar, se ha omitido la corriente de la reja pantalla por influir poco en el resultado, aunque en pentodos de potencia es importante tenerlo presente. En nuestro caso, la potencia dista mucho de ser la máxima especificada, también distan mucho los parámetros de fidelidad, que no son en absoluto recomendables para oír música pero si muy convenientes para un receptor de comunicaciones.

Los condensadores se eligen según los criterios dados para el triodo, evitándose conexiones largas en su montaje. Los cables del potenciómetro de volumen (Rr) deben ser apantallados.

 

CONCLUSION

 

Hemos visto como deducir los componentes de polarización en corriente continua de las gráficas de una válvula con algunos sencillos procedimientos de calculo. Hay otras formulas y reglas para operar esas tablas y los resultados solo deben considerarse aproximados

Este amplificador de un solo  tubo es muy sencillo de alambrar en un pequeño chasis de aluminio o de placa de CI. . Resultando ideal como complemento de alguno de los esquemas publicados de receptores a reacción con válvulas o de un sencillo receptor  de conversión directa. El Factor Q del montaje es importante y la limpieza del conexionado redundara en un funcionamiento estable y sin problemas. Su ganancia es parecida a la de un LM386 en montaje clásico.

 

Prometo visitar asiduamente el ning del club y responder todas las cuestiones que sobre el tema se planteen. A pesar de ello, me podéis escribir a radiofrecuencia@googlegroups.com

Quedo QRV.

 

 

 

 

2 comentarios:

  1. Recordar en la fuente de alimentacion que la alterna es tension eficaz y al rectificar hay que multiplicar por raiz de 2, seran 311 V en continua

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  2. En el interior de pentodos y triodos normales hay alto vacio, que incluso se incrementa vaporizando sobre el vidrio una capa de un metal facilmente oxidable, creo que magnesio, que tiende a atrapar los atomos de oxigeno. Creo que antes de cerrar la valvula se la coloca en una atmosfera de oxigeno sin nitrogeno, y a continuación se la somete a un intenso vacio y se la cierra. A continuación, al encenderla, la fina capa de magnesio que hay sobre el vidrio interior atrapa las pocas moleculas de oxigeno que hayan quedado dentro de la valvula con lo que el vacio es total. Habia tambien unas valvulas creo que con algo de vapor de mercurio que se llamaban tiratrones. Parece que el truco de los triodos sobre el audion fue que éste no tenia vacio muy alto y en cambio los triodos del Langmuir si lo tenian.

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