Un amplificador de tubo electrónico para auriculares dinámico de calidad
por Helmut Becker y Michael Oberesch
Glass Audio 01-0-1988
Sólo unos pocos de nosotros tenemos el privilegio de escuchar música a un volumen comparable al de la interpretación original. No es que carezcamos de equipamiento adecuado, sino que los vecinos nos obligan a reducir el volumen. Hay dos respuestas a este problema. Podemos mudarnos a un apartamento lejos de la civilización o podemos usar auriculares. La segunda opción es definitivamente más económica y ofrece una ventaja adicional: en cuanto a calidad de sonido, ningún altavoz puede competir con los auriculares.
La mayoría de los fabricantes de equipos estéreo parecen ignorar el hecho de que los auriculares se encuentran entre los mejores transductores. Casi todos los amplificadores tienen un conector para auriculares, pero esta salida suele ser, en el mejor de los casos, inadecuada.
Sencillo, malo, simple
Normalmente, los auriculares se conectan en paralelo con los altavoces, donde, opcionalmente, se pueden apagar los altavoces. Los sistemas de auriculares están disponibles con impedancia de 8 a 2 kΩ, pero normalmente se conecta una resistencia de aproximadamente 300 Ω en serie con los auriculares.
Esto evita la sobrecarga debido a un voltaje demasiado alto en la salida del altavoz de 8 Ω. Cuando se conecta a sistemas de alta impedancia, esta resistencia provoca sólo una caída de voltaje insignificante.
Hasta este punto todo parece estar bien. La solución de resistencia, sin embargo, ignora el hecho de que los auriculares dinámicos, así como los altavoces, deben amortiguarse mediante la baja impedancia interna del amplificador. La resistencia en serie mencionada anteriormente evita sistemáticamente dicha amortiguación.
Una desventaja adicional es el suministro de voltaje relativamente bajo utilizado en los amplificadores de potencia. Los auriculares de alta calidad son casi exclusivamente de alta impedancia (600-2 kΩ) y requieren un alto voltaje de excitación correspondiente. Las etapas de salida diseñadas para altavoces de baja impedancia no pueden cumplir este requisito.
Por tanto, la única solución es un amplificador de auriculares especial. Un amplificador de potencia dedicado a controlar altavoces tiene una impedancia interna baja y controla una carga de impedancia muy baja con una oscilación de voltaje relativamente pequeña y una corriente alta. Un transistor puede realizar esta tarea perfectamente, pero ¿puede el amplificador también manejar una carga de impedancia relativamente alta con una oscilación de alto voltaje y baja corriente? Por supuesto, al usar transistores, podemos diseñar un circuito apropiado que haga el trabajo. Sin embargo, hay otro componente que algunos de nosotros recordamos con cariño: el tubo de electrones.
El circuito ideal
Para los requisitos mencionados anteriormente, lo ideal es un circuito de tubo electrónico. El alto voltaje de suministro es una condición para el funcionamiento del tubo de electrones, por lo que puede soportar fácilmente oscilaciones de alto voltaje. Debido a que la carga es de alta impedancia, no necesita un transformador de salida como el que se requiere para controlar un altavoz. Esto da como resultado una etapa de salida de tubo de electrones sin transformador de alta calidad que es superior a la mayoría de los amplificadores de transistores.
FIGURA 1: El diagrama del circuito básico.
Por supuesto, no conviene prohibir todos los semiconductores. En áreas donde los tubos de electrones tienen sus puntos débiles (están sujetos a ciertas tolerancias de fabricación y muestran, como componentes muy cargados térmicamente, una tasa de envejecimiento relativamente alta), utilice semiconductores para controlar y estabilizar las variaciones de las condiciones de funcionamiento.
Cuando conectas unos auriculares a la salida de un excelente amplificador de altavoz, a menudo escuchas algo más que música. La conexión produce ruidos, zumbidos, crepitaciones y silbidos; el altavoz no reproduce nada parecido. Los auriculares son, por naturaleza, transductores más sensibles que los altavoces. Incluso producen niveles de ruido y zumbidos muy bajos. Los requisitos para un amplificador de auriculares son, por tanto, muy exigentes.
Excelente sonido
El circuito de la Fig. 2, diseñado por Helmut Becker y cuya patente está pendiente (P3200 517,2), muestra un comportamiento excelente. En comparación con el Onkyo P3090, significativamente más caro, no se detectaron diferencias esenciales. Cuando se conectó a los auriculares dinámicos DT880 Beyer Studio, el amplificador Becker reprodujo los pasajes dinámicos de forma clara y natural sin problemas; las voces y la orquesta se presentaron sin coloración.
FIGURA 2: Diagrama del circuito completo del amplificador de auriculares.
Las ventajas de este circuito incluyen:
- excelentes resultados de medición (ver Tabla 1);
- sonido bien equilibrado, potente y claro;
- buen rango dinámico, por lo que es adecuado para CD;
- alto factor de amortiguación y baja impedancia interna;
- adaptación sin transformador a impedancias entre 30 y 3kΩ;
- ampliable con preamplificador a un amplificador lineal de rango completo.
El circuito
Como se muestra en el diagrama del circuito básico (Fig. 1), los dos tubos de electrones de salida están conectados en serie para voltaje de CC, de modo que ambos tubos de electrones comparten el voltaje de suministro disponible.
Para evitar un voltaje de suministro alto innecesario, debe utilizar tubos de electrones que puedan funcionar con alta corriente a un voltaje de ánodo de aproximadamente 150 V. Dado que la familia de productos de tubos de electrones de audiofrecuencia está orientada a altos voltajes de ánodo, intente utilizar el triodo-pentodo PCL805 que se utilizaba hace diez años como pieza estándar en los televisores.
El PCL805 cumple con los requisitos descritos anteriormente, pero presenta, en otros aspectos, serias desventajas que debes considerar y eliminar al diseñar este circuito. Por ejemplo, debe utilizar un circuito de control para suprimir el zumbido relativamente fuerte generado por la corriente del filamento. Además, se deben compensar las características de la red altamente no lineales.
La Figura 1 muestra el diagrama del circuito básico, que consta de tres grupos funcionales:
- fuente de voltaje de referencia para todos los puntos de referencia;
- amplificador operacional como elemento de control;
- etapa de salida del tubo de electrones.
Etapa de salida del tubo de electrones
Los tubos de electrones 2 y 3 están conectados en serie para voltaje CC y, por lo tanto, por ambos fluirá la misma corriente. Ajustar la caída de voltaje al mismo valor en ambos tubos de electrones dará como resultado una capacidad máxima de oscilación de salida.
El tubo de electrones 1b se utiliza en un circuito de ánodo puesto a tierra, mientras que el tubo de electrones 2b se conecta en un circuito de cátodo puesto a tierra. La polarización negativa en la rejilla del tubo de electrones 2b ajusta la corriente de reposo de la etapa de salida. Para operación Clase AB, debe elegir la corriente de reposo.
Los tubos de electrones 1a y 2a sirven al mismo tiempo como etapas de excitación y se encargan de las tensiones de excitación desfasadas de la red para los tubos de electrones de salida. Si aumenta la tensión de red en el tubo de electrones 2b, también debe aumentar el nivel de tensión de red en el tubo de electrones 1b y viceversa. Esto hace que el nivel de voltaje en el punto de conexión A, entre los tubos de electrones 1b y 2b, cambie en consecuencia. Todo el circuito funciona como un potenciómetro electrónico conectado entre tierra y tensión de alimentación. Su salida está conectada al condensador de salida C2.
El amplificador operacional
Las tareas del amplificador operacional son controlar las condiciones de funcionamiento de los amplificadores conectados en CC y controlar la señal de audiofrecuencia.
Es necesario un acoplamiento de CC para controlar las condiciones de funcionamiento de todas las etapas del amplificador desde una ubicación del circuito. Como se muestra en la Fig. 1, esto es cierto para los tubos de electrones 1a, 2a y 1b. La corriente de reposo del tubo de electrones 2b está fijada únicamente por la tensión de polarización negativa. Esto determina la resistencia interna del tubo de electrones 2b. El nivel de voltaje en el punto A se divide por la relación R1 y R2, y el voltaje del amplificador operacional resultante se compara con el voltaje de referencia URef. El voltaje de salida del amplificador operacional cambiará el punto de operación de los tubos de electrones 1a y 1b hasta que los voltajes en las entradas del amplificador operacional invertido y no invertido sean los mismos. El voltaje de referencia URef, aplicado a la entrada inversora del amplificador operacional, también define el nivel de voltaje en el punto A. Si se elige URef de modo que el nivel de voltaje en el punto A sea igual a la mitad del voltaje de suministro Ua, ambos tubos de electrones de salida Tienen la misma resistencia interna y consumen la misma potencia. Además, la capacidad de oscilación de salida alcanzará su máximo.
La Figura 1 también muestra la señal de entrada de audio superpuesta al voltaje de referencia. Las corrientes de reposo se modulan a la frecuencia del voltaje de entrada de modo que la señal de salida del amplificador se convierte en una copia directa de la señal de entrada. Sin embargo, se amplifica según la relación entre las resistencias R1 y R2.
Este circuito de control bastante complicado presenta algunas características notables. Un problema de los circuitos de tubos es el zumbido provocado por la corriente del filamento. La corriente alterna que fluye a través del filamento genera un campo magnético, que también llega al cátodo y provoca una modulación de 60 Hz de la corriente del ánodo. Si surge tal zumbido dentro del circuito de este circuito, controlado por el amplificador operacional, se eliminará por completo si el voltaje de referencia está limpio y libre de zumbidos. Puede cumplir fácilmente esta condición utilizando un regulador de voltaje fijo para filtrar y suavizar cuidadosamente el voltaje de referencia. Podrás alcanzar una relación señal-ruido de 130 dB(A).
Otra ventaja de este diseño es la compensación completa de las no linealidades de las características del tubo de electrones. Las tolerancias de fabricación y los cambios por envejecimiento también se compensarán automáticamente. Además, el circuito de control presenta una fuerte retroalimentación de CA negativa, lo que resulta en una impedancia de salida extremadamente baja.
Fuente de alimentación
Aunque el amplificador, con su circuito híbrido, necesita numerosos voltajes de suministro, el transformador de potencia puede funcionar con sólo dos devanados secundarios. Un devanado con corriente de carga de 250 V y 100 mA es importante para generar el voltaje del ánodo necesario para alimentar una etapa de salida estéreo. El segundo devanado genera la tensión del filamento para los tubos de electrones. El PCL805 requiere 18 V a una corriente de filamento de 300 mA. Dado que los dos tubos de telectrón se conectarán en serie, debe elegir un voltaje de transformador de 36 V con una capacidad de corriente de 0,7 A. El voltaje de suministro positivo y negativo para el amplificador operacional, así como el voltaje de polarización negativa para el tubo de electrones 2b y el voltaje de referencia positivo URef, se derivan de este devanado.
Construcción
Desafortunadamente, no fue posible evitar una placa de circuito impreso de doble cara cuando construimos este circuito. Por esta razón, sólo los aficionados al bricolaje con experiencia deberían intentar grabar este tablero.
En cuanto al relleno, empieza por la fuente de alimentación. Debe instalar los siguientes componentes: rectificador G11, diodos y diodos Z D1-4 y D11, condensadores C1-14, resistencias R1-5, trimpot P1, regulador de voltaje fijo IC1 y los dos fusibles Si1 y Si2.
Antes de conectar el transformador para comprobar las tensiones, una advertencia sobre la alta tensión: la tensión del ánodo del amplificador es superior a 300 V. Este nivel de voltaje es lo suficientemente alto como para enviarte a los "terrenos de caza felices". Si es absolutamente inevitable, trabaje en el amplificador únicamente con la alimentación apagada y con sumo cuidado. Incluso después de desconectar la alimentación, las tensiones en los electrolíticos de alto voltaje (C14, 24, 24', 25', 26 y 26') permanecen altas durante mucho tiempo. Antes de comenzar a trabajar en el amplificador apagado, descargue los condensadores mencionados anteriormente. Para descargar, utilice una resistencia de 1k/4W. Nunca corte las tapas, porque los electrolíticos pueden destruirse debido a los picos de corriente cortos de más de 10 A.
Ahora, encienda el amplificador y verifique los voltajes contra tierra:
C14 aprox. +315V
C4 -18V
C8 +22V
C10 +12V
C12 +6V
Ajuste el nivel de voltaje en C13 a aproximadamente 3,5 V con el potenciómetro P1. Si todos los niveles de voltaje son correctos, puedes soldar los casquillos de los tubos e instalar los tubos de electrones, pero sólo después de haber apagado el amplificador y descargado las tapas. Ahora, comprueba si los filamentos funcionan encendiendo el amplificador nuevamente y esperando unos segundos. Deberías ver un brillo de los filamentos dentro del tubo de electrones.
Después de apagar y descargar el sistema una vez más, puede continuar con el relleno. Si todos los componentes están soldados, encienda el amplificador y ajústelo midiendo los niveles de voltaje en C26 o C26'. El voltaje debe estar en el rango de 100 a 250 V y debe configurarse en aproximadamente 160 V con P1. Luego, cortocircuite la entrada y verifique la salida del canal uno en un osciloscopio. No debería haber nada en la salida excepto una señal de ruido muy bajo. Verifique el canal dos para ver lo mismo.
Para ajustar la simetría de su amplificador, aplique una señal de 1 kHz a la entrada. Debes cargar la salida con una resistencia de 390Ω/4W. Utilice un osciloscopio para monitorear la señal de salida. Ahora, aumente el voltaje de entrada hasta que vea un recorte en la salida. Al corregir ligeramente P1, el punto de reposo se desplazará hasta que el recorte de la media onda positiva y negativa sea el mismo. Por debajo del nivel de recorte, la señal de salida debe estar libre de distorsiones. Si no tiene osciloscopio, puede ajustar el voltaje en C26, C26' a la mitad del voltaje de alimentación.
FIGURA 3
FIGURA 4
FIGURA 5: Guía de relleno.
FIGURA 6: Circuito de entrada de volumen y balance.
LISTA DE
Tubos de electrones y semiconductores
1,1', 2,2' PCL805
IC1 78L12
IC2, 2' LF351
GL1 250V, 1A bridge (B250C1000)
D1, 2 1N001
D3 ZF18 zener
D4 ZF22 zener
D5, 5' ZF8.2 zener
D6-9, 6'-9' 1N4148
D10, 10' ZF39
D11 ZF6.2 zener
Resistencias
R1, 10, 10', 24, 24', 27, 27' 10Ω
R2, 25, 25', 26, 26', 28, 28', 29, 29' 1kΩ, ½W
R3 47kΩ
R4, 32, 32' 2.7kΩ, ½W
R5 100Ω
R8, 8', 11, 11', 15, 15', 16, 16', 18, 18', 23, 23' 30, 30' 1.2kΩ
R9, 9', 14, 14' 47Ω
R12, 12' 47kΩ, ½W
R13, 13' 100kΩ
R17, 17' 39kΩ, ½W
R19, 19', 22, 22', 31, 31' 1MΩ
R20, 20' 100kΩ, ½W
R21, 21' 22kΩ, ½W
R33, 33' 100Ω, ½W
P1 10kΩ trimmer
Todas las resistencias son de película metálica de ¼W, ±5%, a menos que se indique lo contrario.
Condensadores
C1, 2 .047µF, 630V
C3, 3' .001µF, 250V
C4, 11, 12 100µF, 24V electrolytic
C5, 7 47µF, 50V electrolytic
C6, 13 .047µF, 50V ceramic
C8 220µF, 25V electrolytic
C9, 10 1µF, 35V tantalum
C14 220µF, 350V electrolytic
C15, 15', 18, 18', 19, 19', 20, 20' 10µF, 25V tantalum
C16, 16' 21, 21' 100pF ceramic
C17, 17' 10pF ceramic
C22, 22' .22µF, 100V
C23, 23' .22µF, 250V
C24, 24', 25, 25' 10µF, 350V electrolytic
C26, 26' 220µF, 250V electrolytic
C27, 27' 330pF ceramic
C28, 28' .001, 350V ceramic
Hardware
Si1 (Fuse 1) 0.1A slow blow
Si2 (Fuse 2) 0.8A slow blow
Transformador
Primary 118V AC
Secondary 1 250V, 100mA
Secondary 2 36V @ 700mA
Four 9-pin tube sockets, 2 to 8-pin dual in-line IC sockets.
Controles opcionales
Volume: Dual 100kΩ log potentiometer
Balance: Dual 50kΩ linear potentiometer
(2) 10kΩ ½W fixed resistors
TABLA I
RESULTADOS DE MEDICIÓN DEL PRODUCTO FINAL
Output Power 3.4W into 100Ω
RMS at 1kHz/1% THD 6.6W into 600Ω
THD 1kHz/100mW 0.007% into 100Ω
THD 1kHz/100mW 0.004% into 600Ω
Intermodulation 600/6000Hz, 4:1 0.005% into 600Ω
Power bandwidth - 3dB 2Hz-120kHz into 100Ω
Power bandwidth - 3dB 1Kz-140kHz into 600Ω
Dumping factor >104
Input sensitivity 0.2V for 1W into 100Ω
Input sensitivity 0.5V for 1W into 600Ω
Input impedance 100kΩ (without volume control)
Signal-to-noise ratio 113dB(A), 50mW into 600Ω
Signal-to-noise ratio 138dB(A), 2W into 600Ω
Output voltage 80V RMS
Slew rate (40V into 600Ω) 80V/µSec
Power output 2-3 dynamic phones (impedance approx. 400Ω)
Power supply 220V/50Hz, 40VA
