Estimados: luego de una laaaarga ausencia por motivos personales, y despues de un arduo y laaaarrgo trabajo de diseño, relevamiento, pasada en limpio de mis anotaciones, hacer memoria de las conclusiones tomadas en su momento, pasada a plano CAD de mis garabatos a mano alzada, idas y vueltas con los distintos prototipos y simulaciones.. etc.. etc y mas etc... les dejo las dos primeras partes de este proyecto que me trajo mas de una satisfacción, espero lo disfruten, aprovechen, y utilicen como punto de partida para discutir, cuestionar y aprender sobre este tema que apasiona a mas de uno en este foro (creo que a unos cuantos diria yo)
Enjoy it!
Hacia fines del mes de mayo de 2011 comencé con la idea de construir un amplificador HiFi valvular, con los materiales que disponía, utilizando todos los conocimientos con los que cuento, tanto de calculo de las distintas etapas del circuito como de elementos ferromagnéticos (transformadores).
Así fue que comencé a simular un par de etapas diferenciales en el multisim 11, aquí es cuando me comenzarán a indagar el porqué de usar solamente etapas diferenciales, tanto la de entrada como la del driver; bueno, utilicé esa topología por varios motivos, unos cuantos de origen técnico, y otro estético.
Los motivos técnicos:
Rechazo a ripple: al ser una etapa diferencial, deja de ser importante las variaciones que aparezcan contra 0V, ya que la tensión que utilizaremos es la diferencia entre ambas salidas, luego veremos como se mejoró aún mas el rechazo a fuente con la aplicación de una fuente de corriente constante en cátodo.
Cancelación de ruidos: otra vez, así como hay rechazo a variaciones de tensión de fuente en modo común, de la misma manera se mejora el rechazo a ruido de modo común, pues el ruido ataca a ambas ramas del par diferencial, con la misma intensidad y polaridad, como lo que nos interesa es la señal en modo diferencial, la etapa siguiente no “ve” que sucede en modo común.
Cancelación de armónicos de orden par: en todas las etapas simétricas se cancelan los armónicos pares, con lo cual, bajamos la tasa de distorsión mas importante, en los tríodos, las distorsiones de segundo orden.
Y el motivo estético es que el equipo lo concebí como un “doble monoaural simétrico” en un solo chasis, con lo cual, la configuración completamente simétrica era un detalle mas de la simetría del equipo.
Etapa de entrada
La configuración que utilicé es la clásica “Par diferencial acoplado por cátodo” [cathode coupled diferential pair] en ingles, con la salvedad de que en vez de utilizar una simple resistencia para polarizar dicho par diferencial, utilicé una fuente de corriente constante, generada a partir de un transistor, un resistor de emisor (preset) y un diodo zener que genera la tensión de referencia de dicha fuente de corriente.
La ventaja de usar una fuente de corriente en lugar de una simple resistencia, es, mayor independencia de la tensión de fuente del par diferencial, de la tensión negativa de polarización de cátodo de dicha etapa (-55V) y mayor rechazo al ripple de fuente, además de que el par funcionaría realmente como un par diferencial con ganancias idénticas en cada una de las dos mitades, ya que si usáramos una simple resistencia como generadora de la corriente de polarización, las dos mitades del par diferencial tendrían diferente ganancia, con lo cual, estamos mejorando el balance entre ambos triodos.
Esto es debido a que:
Con lo cual la relación
para un par diferencial hecho con una 12AX7, 250V de alimentación de placa, resistores de carga de 100K y una corriente de polarización de 3mA, tendríamos una reacción de 1.087 veces. Con lo cual el perfecto balance de ambas ramas del par diferencial, deja de ser perfecto… (Es común ver en esquemas comerciales donde usen este tipo de etapas, resistores de carga de distinto valor para cada rama del par diferencial para compensar la diferencia de corrientes entre ambas placas y dejar la excursión lo más parecida en ambos triodos)
Como verán, la relación entre I1 e I2 se acercará a 1 cuanto mas alto sea el valor de Rk, dicho de otra manera, cuanto mas se acerque a infinito, mas idénticas serán las corrientes de ánodo de cada uno de los triodos (siempre y cuando las características de ambos sean idénticas) Esto se cumple con una fuente de corriente constante en cátodo, ya que una fuente de corriente se comporta como una impedancia infinita.
Punto de trabajo de la primer etapa:
Teniendo lo anteriormente explicado ya en claro comencé a evaluar el punto de trabajo de dicho par diferencial, mirando detenidamente las curvas de placa de la 12AX7A y buscando cual seria la recta de carga que mas me conviniese, teniendo en cuenta que esta sería la primer etapa y por ello necesitaría toda la sensibilidad disponible.
Opté por trazar una recta de carga en las curvas características de placa, como si estuviera construyendo un amplificador de tensión en clase A con cátodo común, con resistores de carga anódica de 100K, y asumiendo una tensión de alimentación de placa de 300V, la recta de carga de CC quedó definida de la siguiente manera:
Recta de carga de CC
Figura Nº1
_____ Valores limite de tensión de placa o corriente de placa
_____Valor estático o de polarización
_____Recta de carga de CC
<--> Excursión de la tensión de entrada (-1,6 a -0,8)
Como verán, con una tensión de alimentación de placa de 300V y una resistencia de carga de ánodo de 100KΩ me quedan definidos unos cuantos datos importantes, como el valor de la fuente de corriente constante será del total máximo que pueda circular por la resistencia de carga anódica (3mA), la corriente en reposo por cada ánodo será la mitad, así, la suma de ambas corrientes será el valor de la corriente constante de cátodo, en nuestro caso 1,5mA por cada placa; además de esto, la tensión que aparecerá sobre cada placa será de 150Vcc y, la tensión entre grilla y cátodo será cercano a -0,8V, con lo cual, podremos excursionar la tensión de entrada entre 0V y 1,6V y, la excursión de tensión de salida por cada placa sería teóricamente de entre 95V (para cuando la grilla este con cero volts con respecto a cátodo) y 195V (cuando tengamos -1,6V en grilla), con lo cual tendremos una excursión neta de 100V en cada placa para una variación de 1,6V de tensión de entrada, y con una variación de corriente de placa de entre 2,1mA y 1,1mA, esto es cierto, si es que tuviéramos la misma excursión de tensión de entrada en cada grilla, pero con oposición fase, lo cual no es cierto, ya que la segunda grilla estará colocada a cero volts, con lo cual, la ganancia de tensión será la mitad. Notese además, como ante una variación de tensión simétrica de entrada, obtenemos una variación no simétrica a la salida de la etapa, esto se debe a la deformación de la parte baja de las curvas características de la válvula, introduciendo armónicos de orden par principalmente, estos armónicos pares quedarán cancelados dentro de la misma etapa, pues, la tensión que nos interesa es la diferencia entre la tensión de ánodo uno y ánodo dos, volviendo a tener una tensión con una deformación simétrica.
Verifiquemos en la Fig. 2 como se cumple la ganancia de la primer etapa (de acuerdo al esquema de la figura 4):
Figura Nº: 2
Donde el canal 1 es la tensión que aparece entre placa 1 y GND (en azul) y el canal 2 es la tensión aplicada entre grilla 1 y GND (en rojo).
Observemos la tensión de polarización de cátodo/grilla del primer par diferencial en la Fig. 3
Figura Nº:3
Donde el trazo es la tensión que alcanzan los cátodos con respecto a GND con entrada en
cortocircuito (lo que significa que las grillas están a -883mV con respecto a los cátodos).
Figura Nº: 4
Segunda etapa
Esta etapa es la que se encarga principalmente de controlar a los pentodos de salida, con lo cual, además de aportar mas ganancia aún a la que ya obtenemos con la primer etapa, necesitamos que la salida de esta etapa pueda, entregar la tensión necesaria para hacer excursionar al máximo las grillas nº1 de los pentodos de salida, obtener una buena velocidad de carga y descarga de las capacidades parasitas de las éstas, como explicaré más adelante y además, a diferencia de la primer etapa, la cual tiene una impedancia de carga de CA bastante alta (los resistores de grilla de la segunda etapa son de 1MΩ ), el circuito de grilla nº1 de los pentodos de salida ofrecerá una impedancia de carga de CA mucho mas baja, del orden de 220KΩ, con lo cual, si la resistencia de carga de CC fuera de 100KΩ como en la primer etapa, y la resistencia de placa fuera de 62,5KΩ, la propia impedancia de carga de CA nos daría una atenuación de -3.6dBV, dicho de otra manera, nos bajaría la excursión de salida un 33%; con lo cual, decidí tener una resistencia de carga de CC de aproximadamente un 10% de la impedancia de carga de CA y, con una 12AU7, podía obtener una resistencia de placa prácticamente 10 veces menos (7700Ω), además, aumentar la corriente de placa a algo mas del doble.
Por todo lo demás, básicamente, la segunda etapa es similar a la primera, salvo que la tensión de entrada ya no será por la grilla de uno de los tríodos, sino que amplificará la diferencia entre ambas grillas. Es el momento de hacer una aclaración importante y recordar que la primer etapa puede entregar una tensión cresta a cresta de 100V por cada tríodo, con una variación de 1,6Vpp, esto es así si todo el circuito operara a lazo abierto, lo cual no es cierto, esta ganancia en la primer etapa es necesaria para poder garantizar los 36dB de ganancia a lazo abierto de todo el sistema, y conseguir el margen de ganancia de 10dB del lazo cerrado, la realidad es que la tensión necesaria para tener la máxima excursión de la etapa de salida son unos 70Vpp grilla a grilla, y esto se cumple con tan solo 6Vpp grilla a grilla del par diferencial de la segunda etapa, por eso aclaro, ambas etapas tienen suficiente ganancia, para determinar la ganancia a lazo abierto de todo el sistema, y dejar el margen necesario de ganancia para la operación a lazo cerrado.
Veamos un poco las curvas características de placa de la 12AU7:
Figura Nº: 5
En la fig. 4 están representados, como en la Fig. 1 el punto de polarización de cada tríodo, donde en color verde se puede observar que, la corriente por cada tríodo es de 3.75mA (fuente de corriente constante ajustada a 7.5mA), tensión en placa de 198.75V y punto de polarización de grilla a aproximadamente -9,2V (todo esto en verde) y excursión de corriente (de 2.7mA a a 4.8mA) y tensión de placa ( de 227V a 173V) producidos por una excursión de tensión de grillas de 6.7V a 12.5V (5.8V de excursión pico a pico).
Veamos como se cumple la ganancia de AC en la realidad:
Figura Nº: 6
Donde el canal 1 es la tensión que aparece entre placa 1 y GND (en azul) y el canal 2 es la tensión aplicada entre grilla 1 y GND (en rojo)
Y la polarización de grillas:
Figura Nº:7
Como verán, tanto en la primer etapa como en la segunda, el relevamiento de ganancias y polarización estática conservan mucha similitud con el planteo teórico.
Slew Rate:
Hablemos un poco sobre la corriente necesaria para garantizar un slew rate determinado. Uno se preguntará “ por qué mas corriente de placa, si la capacidad ánodo-cátodo y la capacidad ánodo-grilla son del orden de algunos picofaradios, con la resistencia de placa de esta valvula debería alcanzar”, la verdad es que no es tan así, pensemos un poco, la única corriente con la que contamos para cargar y descargar dichas capacidades es solamente la corriente de ánodo, que depende puramente de la polarización de la valvula, mas allá de la resistencia anódica de la valvula, y una cosa es cargar 10pF a 10V, pero distinto es cargar esos mismos 10pF a 300V ya que el tiempo requerido para cargarlo es:
O dicho de otra manera:
Con lo cual, si queremos cargar 10pF a 300V en 1uS necesitaríamos 3mA.
Dicho, explicado y entendido todo lo anterior, comenzaremos con el diseño de las fuentes de alimentación y fuentes de corriente constante de las distintas secciones del equipo, punto de partida de la segunda parte de este proyecto.
____________________________
me guardo la tercera y ultima parte (que todavia estoy pasando en limpio) para el gran final... aguantense ansiosos!
Enjoy it!
Hacia fines del mes de mayo de 2011 comencé con la idea de construir un amplificador HiFi valvular, con los materiales que disponía, utilizando todos los conocimientos con los que cuento, tanto de calculo de las distintas etapas del circuito como de elementos ferromagnéticos (transformadores).
Así fue que comencé a simular un par de etapas diferenciales en el multisim 11, aquí es cuando me comenzarán a indagar el porqué de usar solamente etapas diferenciales, tanto la de entrada como la del driver; bueno, utilicé esa topología por varios motivos, unos cuantos de origen técnico, y otro estético.
Los motivos técnicos:
Rechazo a ripple: al ser una etapa diferencial, deja de ser importante las variaciones que aparezcan contra 0V, ya que la tensión que utilizaremos es la diferencia entre ambas salidas, luego veremos como se mejoró aún mas el rechazo a fuente con la aplicación de una fuente de corriente constante en cátodo.
Cancelación de ruidos: otra vez, así como hay rechazo a variaciones de tensión de fuente en modo común, de la misma manera se mejora el rechazo a ruido de modo común, pues el ruido ataca a ambas ramas del par diferencial, con la misma intensidad y polaridad, como lo que nos interesa es la señal en modo diferencial, la etapa siguiente no “ve” que sucede en modo común.
Cancelación de armónicos de orden par: en todas las etapas simétricas se cancelan los armónicos pares, con lo cual, bajamos la tasa de distorsión mas importante, en los tríodos, las distorsiones de segundo orden.
Y el motivo estético es que el equipo lo concebí como un “doble monoaural simétrico” en un solo chasis, con lo cual, la configuración completamente simétrica era un detalle mas de la simetría del equipo.
Etapa de entrada
La configuración que utilicé es la clásica “Par diferencial acoplado por cátodo” [cathode coupled diferential pair] en ingles, con la salvedad de que en vez de utilizar una simple resistencia para polarizar dicho par diferencial, utilicé una fuente de corriente constante, generada a partir de un transistor, un resistor de emisor (preset) y un diodo zener que genera la tensión de referencia de dicha fuente de corriente.
La ventaja de usar una fuente de corriente en lugar de una simple resistencia, es, mayor independencia de la tensión de fuente del par diferencial, de la tensión negativa de polarización de cátodo de dicha etapa (-55V) y mayor rechazo al ripple de fuente, además de que el par funcionaría realmente como un par diferencial con ganancias idénticas en cada una de las dos mitades, ya que si usáramos una simple resistencia como generadora de la corriente de polarización, las dos mitades del par diferencial tendrían diferente ganancia, con lo cual, estamos mejorando el balance entre ambos triodos.
Esto es debido a que:
Con lo cual la relación
para un par diferencial hecho con una 12AX7, 250V de alimentación de placa, resistores de carga de 100K y una corriente de polarización de 3mA, tendríamos una reacción de 1.087 veces. Con lo cual el perfecto balance de ambas ramas del par diferencial, deja de ser perfecto… (Es común ver en esquemas comerciales donde usen este tipo de etapas, resistores de carga de distinto valor para cada rama del par diferencial para compensar la diferencia de corrientes entre ambas placas y dejar la excursión lo más parecida en ambos triodos)Como verán, la relación entre I1 e I2 se acercará a 1 cuanto mas alto sea el valor de Rk, dicho de otra manera, cuanto mas se acerque a infinito, mas idénticas serán las corrientes de ánodo de cada uno de los triodos (siempre y cuando las características de ambos sean idénticas) Esto se cumple con una fuente de corriente constante en cátodo, ya que una fuente de corriente se comporta como una impedancia infinita.
Punto de trabajo de la primer etapa:
Teniendo lo anteriormente explicado ya en claro comencé a evaluar el punto de trabajo de dicho par diferencial, mirando detenidamente las curvas de placa de la 12AX7A y buscando cual seria la recta de carga que mas me conviniese, teniendo en cuenta que esta sería la primer etapa y por ello necesitaría toda la sensibilidad disponible.
Opté por trazar una recta de carga en las curvas características de placa, como si estuviera construyendo un amplificador de tensión en clase A con cátodo común, con resistores de carga anódica de 100K, y asumiendo una tensión de alimentación de placa de 300V, la recta de carga de CC quedó definida de la siguiente manera:
Recta de carga de CC
Figura Nº1
_____ Valores limite de tensión de placa o corriente de placa
_____Valor estático o de polarización
_____Recta de carga de CC
<--> Excursión de la tensión de entrada (-1,6 a -0,8)
Como verán, con una tensión de alimentación de placa de 300V y una resistencia de carga de ánodo de 100KΩ me quedan definidos unos cuantos datos importantes, como el valor de la fuente de corriente constante será del total máximo que pueda circular por la resistencia de carga anódica (3mA), la corriente en reposo por cada ánodo será la mitad, así, la suma de ambas corrientes será el valor de la corriente constante de cátodo, en nuestro caso 1,5mA por cada placa; además de esto, la tensión que aparecerá sobre cada placa será de 150Vcc y, la tensión entre grilla y cátodo será cercano a -0,8V, con lo cual, podremos excursionar la tensión de entrada entre 0V y 1,6V y, la excursión de tensión de salida por cada placa sería teóricamente de entre 95V (para cuando la grilla este con cero volts con respecto a cátodo) y 195V (cuando tengamos -1,6V en grilla), con lo cual tendremos una excursión neta de 100V en cada placa para una variación de 1,6V de tensión de entrada, y con una variación de corriente de placa de entre 2,1mA y 1,1mA, esto es cierto, si es que tuviéramos la misma excursión de tensión de entrada en cada grilla, pero con oposición fase, lo cual no es cierto, ya que la segunda grilla estará colocada a cero volts, con lo cual, la ganancia de tensión será la mitad. Notese además, como ante una variación de tensión simétrica de entrada, obtenemos una variación no simétrica a la salida de la etapa, esto se debe a la deformación de la parte baja de las curvas características de la válvula, introduciendo armónicos de orden par principalmente, estos armónicos pares quedarán cancelados dentro de la misma etapa, pues, la tensión que nos interesa es la diferencia entre la tensión de ánodo uno y ánodo dos, volviendo a tener una tensión con una deformación simétrica.
Verifiquemos en la Fig. 2 como se cumple la ganancia de la primer etapa (de acuerdo al esquema de la figura 4):
Figura Nº: 2
Donde el canal 1 es la tensión que aparece entre placa 1 y GND (en azul) y el canal 2 es la tensión aplicada entre grilla 1 y GND (en rojo).
Observemos la tensión de polarización de cátodo/grilla del primer par diferencial en la Fig. 3
Figura Nº:3
Donde el trazo es la tensión que alcanzan los cátodos con respecto a GND con entrada en
cortocircuito (lo que significa que las grillas están a -883mV con respecto a los cátodos).
Figura Nº: 4
Segunda etapa
Esta etapa es la que se encarga principalmente de controlar a los pentodos de salida, con lo cual, además de aportar mas ganancia aún a la que ya obtenemos con la primer etapa, necesitamos que la salida de esta etapa pueda, entregar la tensión necesaria para hacer excursionar al máximo las grillas nº1 de los pentodos de salida, obtener una buena velocidad de carga y descarga de las capacidades parasitas de las éstas, como explicaré más adelante y además, a diferencia de la primer etapa, la cual tiene una impedancia de carga de CA bastante alta (los resistores de grilla de la segunda etapa son de 1MΩ ), el circuito de grilla nº1 de los pentodos de salida ofrecerá una impedancia de carga de CA mucho mas baja, del orden de 220KΩ, con lo cual, si la resistencia de carga de CC fuera de 100KΩ como en la primer etapa, y la resistencia de placa fuera de 62,5KΩ, la propia impedancia de carga de CA nos daría una atenuación de -3.6dBV, dicho de otra manera, nos bajaría la excursión de salida un 33%; con lo cual, decidí tener una resistencia de carga de CC de aproximadamente un 10% de la impedancia de carga de CA y, con una 12AU7, podía obtener una resistencia de placa prácticamente 10 veces menos (7700Ω), además, aumentar la corriente de placa a algo mas del doble.
Por todo lo demás, básicamente, la segunda etapa es similar a la primera, salvo que la tensión de entrada ya no será por la grilla de uno de los tríodos, sino que amplificará la diferencia entre ambas grillas. Es el momento de hacer una aclaración importante y recordar que la primer etapa puede entregar una tensión cresta a cresta de 100V por cada tríodo, con una variación de 1,6Vpp, esto es así si todo el circuito operara a lazo abierto, lo cual no es cierto, esta ganancia en la primer etapa es necesaria para poder garantizar los 36dB de ganancia a lazo abierto de todo el sistema, y conseguir el margen de ganancia de 10dB del lazo cerrado, la realidad es que la tensión necesaria para tener la máxima excursión de la etapa de salida son unos 70Vpp grilla a grilla, y esto se cumple con tan solo 6Vpp grilla a grilla del par diferencial de la segunda etapa, por eso aclaro, ambas etapas tienen suficiente ganancia, para determinar la ganancia a lazo abierto de todo el sistema, y dejar el margen necesario de ganancia para la operación a lazo cerrado.
Veamos un poco las curvas características de placa de la 12AU7:
Figura Nº: 5
En la fig. 4 están representados, como en la Fig. 1 el punto de polarización de cada tríodo, donde en color verde se puede observar que, la corriente por cada tríodo es de 3.75mA (fuente de corriente constante ajustada a 7.5mA), tensión en placa de 198.75V y punto de polarización de grilla a aproximadamente -9,2V (todo esto en verde) y excursión de corriente (de 2.7mA a a 4.8mA) y tensión de placa ( de 227V a 173V) producidos por una excursión de tensión de grillas de 6.7V a 12.5V (5.8V de excursión pico a pico).
Veamos como se cumple la ganancia de AC en la realidad:
Figura Nº: 6
Donde el canal 1 es la tensión que aparece entre placa 1 y GND (en azul) y el canal 2 es la tensión aplicada entre grilla 1 y GND (en rojo)
Y la polarización de grillas:
Figura Nº:7
Como verán, tanto en la primer etapa como en la segunda, el relevamiento de ganancias y polarización estática conservan mucha similitud con el planteo teórico.
Slew Rate:
Hablemos un poco sobre la corriente necesaria para garantizar un slew rate determinado. Uno se preguntará “ por qué mas corriente de placa, si la capacidad ánodo-cátodo y la capacidad ánodo-grilla son del orden de algunos picofaradios, con la resistencia de placa de esta valvula debería alcanzar”, la verdad es que no es tan así, pensemos un poco, la única corriente con la que contamos para cargar y descargar dichas capacidades es solamente la corriente de ánodo, que depende puramente de la polarización de la valvula, mas allá de la resistencia anódica de la valvula, y una cosa es cargar 10pF a 10V, pero distinto es cargar esos mismos 10pF a 300V ya que el tiempo requerido para cargarlo es:
O dicho de otra manera:
Con lo cual, si queremos cargar 10pF a 300V en 1uS necesitaríamos 3mA.
Dicho, explicado y entendido todo lo anterior, comenzaremos con el diseño de las fuentes de alimentación y fuentes de corriente constante de las distintas secciones del equipo, punto de partida de la segunda parte de este proyecto.
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me guardo la tercera y ultima parte (que todavia estoy pasando en limpio) para el gran final... aguantense ansiosos!
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