Amplificador de RF de válvula

Los amplificadores de audio a válvulas suelen amplificar todo el rango de audio entre 20  Hz y 20  kHz o superior. Utilizan un transformador con núcleo de hierro para proporcionar una carga de alta impedancia adecuada a la(s) válvula(s) al alimentar un altavoz, que normalmente es de 8  ohmios. Los amplificadores de audio suelen usar una sola válvula en clase  A , o un par en clase  B o clase AB .

Un amplificador de potencia de RF se sintoniza a una única frecuencia, desde 18 kHz hasta la banda UHF , para su uso en transmisiones de radio o calefacción industrial. Utiliza un circuito de sintonización estrecha para proporcionar a la válvula una impedancia de carga suficientemente alta y alimentar una carga que suele ser de 50 o 75 ohmios. Los amplificadores de RF normalmente operan en clase C o clase AB .   

Aunque los rangos de frecuencia de los amplificadores de audio y de radiofrecuencia se superponen, la clase de operación, el método de acoplamiento de salida y el porcentaje de ancho de banda operativo difieren. Las válvulas de potencia son capaces de responder a altas frecuencias, hasta al menos 30 MHz. De hecho, muchos de los amplificadores de audio de triodo de terminación simple con calentamiento directo ( DH-SET ) utilizan válvulas de radiotransmisión diseñadas originalmente para funcionar como amplificadores de radiofrecuencia en el rango de alta frecuencia. 

Alta impedancia de entrada

La impedancia de entrada de los tubos es comparable a la de los FET , y superior a la de los transistores bipolares, lo cual resulta beneficioso en ciertas aplicaciones de amplificación de señales.

Tolerante a altos voltajes

Las válvulas son dispositivos de alto voltaje, intrínsecamente adecuados para circuitos de mayor voltaje que la mayoría de los semiconductores.

Los tubos pueden fabricarse con un tamaño mayor al necesario para mejorar la refrigeración.

Las válvulas pueden fabricarse a una escala lo suficientemente grande como para disipar grandes cantidades de calor. Los modelos de muy alta potencia están diseñados para incorporar refrigeración por agua o vapor. Por esta razón, las válvulas siguieron siendo la única tecnología viable para manejar potencias muy altas, y especialmente potencias y voltajes elevados, como en los transmisores de radio y televisión , hasta bien entrada la época en que los transistores habían reemplazado a las válvulas en casi todas las demás aplicaciones. Sin embargo, hoy en día, incluso para altas potencias y voltajes, las válvulas están quedando obsoletas a medida que la nueva tecnología de transistores mejora la tolerancia a los altos voltajes y la capacidad de manejar altas potencias.

Menor coste de inversión

Debido a la simplicidad de los diseños prácticos basados ​​en tubos, el uso de tubos para aplicaciones como amplificadores de RF por encima del rango de potencia de kilovatios puede reducir considerablemente los costos de fabricación. ^{[ 2 ]} Además, las válvulas de potencia grandes y de alto valor (con revestimiento de acero, no de vidrio) pueden, hasta cierto punto, ser reacondicionadas para extender su vida útil restante.

Eléctricamente muy robusto

Las válvulas pueden tolerar sobrecargas sorprendentemente altas, que destruirían los sistemas de transistores bipolares en milisegundos (lo cual es de particular importancia en sistemas militares y otros sistemas "estratégicamente importantes").

Vida útil indefinida

Incluso  las válvulas de vacío de 60 años de antigüedad pueden funcionar perfectamente, y muchos tipos están disponibles para su compra como "stock antiguo sin usar". Por lo tanto, a pesar de los problemas de fiabilidad conocidos (véase la siguiente sección), todavía es perfectamente posible hacer funcionar la mayoría de los equipos de válvulas de vacío muy antiguos.

Facilidad de reemplazo comparativa

Debido a su propensión a diversos fallos comunes, la mayoría de los sistemas con tubos de vacío se diseñaron con zócalos para que estos se pudieran instalar como dispositivos enchufables; rara vez, o nunca, se sueldan a un circuito. Un tubo defectuoso puede simplemente desconectarse y reemplazarse, mientras que el fallo de un semiconductor soldado puede suponer un daño irreparable para todo el producto o subconjunto. La única dificultad reside en determinar qué tubo ha fallado.

Costo

En la mayoría de las aplicaciones, los tubos requieren una mayor inversión inicial y un mayor coste de funcionamiento por etapa de amplificación, lo que exige una planificación presupuestaria más minuciosa del número de etapas para una aplicación determinada en comparación con los semiconductores.

Vida operativa corta

En las aplicaciones más comunes, las válvulas tienen una vida útil de tan solo unos pocos miles de horas, mucho menor que la de los componentes de estado sólido. Esto se debe a diversos modos de fallo habituales: agotamiento del cátodo, circuitos abiertos o cortocircuitos (especialmente en las estructuras del calentador y la rejilla), envenenamiento del cátodo y rotura de la carcasa de vidrio (el tubo de vidrio en sí). El fallo del calentador suele producirse por el estrés mecánico de un arranque en frío. Solo en ciertas aplicaciones profesionales limitadas y de funcionamiento continuo, como la informática especializada y los cables submarinos , las válvulas diseñadas específicamente en circuitos cuidadosamente diseñados y entornos bien refrigerados han alcanzado vidas útiles de decenas o cientos de miles de horas.

Se requieren fuentes de alimentación para los cátodos.

Además del costo de inversión, la proporción del presupuesto de energía que se destina al calentamiento del cátodo , sin contribuir a la salida, puede variar desde unos pocos puntos porcentuales de la disipación del ánodo (en aplicaciones de alta potencia a plena salida), ^{[ 3 ]} hasta valores ampliamente comparables a la disipación del ánodo en aplicaciones de señal pequeña. ^{[ 4 ]}

Grandes fluctuaciones de temperatura en el circuito durante los ciclos de encendido/apagado.

El calor residual masivo de los calentadores de cátodo en los tubos de baja potencia comunes implica que los circuitos adyacentes experimentan cambios de temperatura que pueden superar los 100 °C (212 °F) . Esto requiere componentes resistentes al calor. En aplicaciones de radiofrecuencia (RF ) , esto también significa que todos los componentes que determinan la frecuencia pueden tener que calentarse hasta alcanzar el equilibrio térmico antes de lograr la estabilidad de la frecuencia. Si bien en los receptores de radiodifusión AM (onda media) y en los televisores con sintonización poco precisa esto no era un problema, en los receptores y transmisores de radio típicos con osciladores de funcionamiento libre a frecuencias HF esta estabilización térmica requería aproximadamente una hora. Por otro lado, las válvulas miniatura de ultra baja potencia con calentamiento directo no producen mucho calor en términos absolutos, causan fluctuaciones de temperatura más moderadas y permiten que los equipos que contienen pocas de ellas se estabilicen más rápidamente. ^{[ 5 ] [ 6 ]}  

No hay arranque instantáneo desde cero.

Los cátodos de las válvulas necesitan calentarse hasta alcanzar un brillo intenso para comenzar a conducir. En los cátodos de calentamiento indirecto, esto podía tardar hasta 20 segundos. Además de la inestabilidad relacionada con la temperatura, esto significaba que las válvulas no funcionaban instantáneamente al encenderlas. Esto impulsó el desarrollo de sistemas de precalentamiento  continuo para aparatos de tubos de vacío, que acortaban el tiempo de espera y podían reducir las fallas de las válvulas por choque térmico, pero a costa de un consumo continuo de energía y un mayor riesgo de incendio. Por otro lado, las válvulas de calentamiento directo, muy pequeñas y de ultrabajo consumo, se activan en décimas de segundo desde el arranque en frío.

Voltajes peligrosamente altos

Los ánodos de los tubos pueden requerir voltajes peligrosamente altos para funcionar correctamente. En general, los tubos en sí no se verán afectados por el alto voltaje, pero este requerirá precauciones adicionales en el diseño y la disposición del circuito para evitar descargas disruptivas.

Impedancia incorrecta para un uso cómodo

La salida de alta impedancia (alto voltaje/baja corriente) generalmente no es adecuada para alimentar directamente muchas cargas del mundo real, en particular varios tipos de motores eléctricos.

Las válvulas solo tienen una polaridad.

En comparación con los transistores, las válvulas tienen la desventaja de tener una sola polaridad, mientras que para la mayoría de las aplicaciones, los transistores están disponibles en pares con polaridades complementarias (por ejemplo, NPN / PNP ), lo que posibilita muchas configuraciones de circuitos que no se pueden realizar con válvulas.

Los amplificadores de RF basados ​​en válvulas más eficientes operan en clase  C. Si se utilizan sin un circuito sintonizado en la salida, esto distorsionaría la señal de entrada, produciendo armónicos. Sin embargo,  los amplificadores de clase C normalmente utilizan una red de salida de alto factor Q que elimina los armónicos, dejando una onda sinusoidal sin distorsión idéntica a la forma de onda de entrada. La clase  C es adecuada solo para amplificar señales con amplitud constante, como FM , FSK y algunas señales CW ( código Morse ). Cuando la amplitud de la señal de entrada al amplificador varía, como en la modulación de banda lateral única , la modulación de amplitud , el vídeo y las señales digitales complejas, el amplificador debe operar en clase A o AB para preservar la envolvente de la señal de excitación sin distorsión. Dichos amplificadores se denominan amplificadores lineales . 

También es común modificar la ganancia de un amplificador de clase  C para producir modulación de amplitud . Si se realiza de forma lineal, este amplificador modulado ofrece baja distorsión. La señal de salida puede considerarse como el producto de la señal de RF de entrada y la señal moduladora.

El desarrollo de la radiodifusión FM mejoró la fidelidad al utilizar un mayor ancho de banda disponible en la banda VHF , donde no había ruido atmosférico. La FM también posee una capacidad inherente para rechazar el ruido, que en su mayoría está modulado en amplitud. La tecnología de válvulas presenta limitaciones en altas frecuencias debido al tiempo de tránsito cátodo-ánodo. Sin embargo, los tetrodos se utilizan con éxito en la banda VHF y los triodos en la banda de GHz bajos. Los transmisores de radiodifusión FM modernos utilizan tanto dispositivos de válvulas como de estado sólido, aunque las válvulas tienden a usarse más en los niveles de potencia más altos. Los transmisores FM operan en clase C con una distorsión muy baja. 

La radio digital actual, que transmite datos codificados mediante diversas modulaciones de fase (como GMSK , QPSK , etc.), y la creciente demanda de espectro radioeléctrico han provocado un cambio drástico en su uso, como por ejemplo, en el concepto de radio celular. Los estándares actuales de radio celular y radiodifusión digital son extremadamente exigentes en cuanto a la envolvente espectral y las emisiones fuera de banda aceptables (en el caso de GSM , por ejemplo, -70 dB o menos a tan solo unos cientos de kilohercios de la frecuencia central). Por consiguiente , los transmisores digitales deben operar en modos lineales, prestando especial atención a lograr una baja distorsión. 

Las etapas de válvulas (de alto voltaje/alta potencia) se utilizaban para amplificar las señales de radiofrecuencia recibidas, las frecuencias intermedias, la señal de vídeo y las señales de audio en los distintos puntos del receptor. Históricamente (antes de la Segunda Guerra Mundial), los tubos transmisores se encontraban entre los más potentes disponibles y solían calentarse directamente mediante filamentos de torio que brillaban como bombillas. Algunos tubos se construían para ser muy robustos, capaces de soportar temperaturas tan elevadas que el ánodo se ponía al rojo vivo. Estos ánodos se mecanizaban a partir de material sólido (en lugar de fabricarse a partir de láminas delgadas) para poder resistir esto sin deformarse al calentarse. Entre los tubos más notables de este tipo se encuentran el 845 y el 211. Posteriormente, los tubos de potencia de haz, como el 807 y el 813 (de calentamiento directo), también se utilizaron en gran número en transmisores de radio (especialmente militares).

Actualmente, la gran mayoría de los transmisores de radio son de estado sólido, incluso en frecuencias de microondas (estaciones base de telefonía celular). Dependiendo de la aplicación, un número considerable de amplificadores de radiofrecuencia siguen utilizando válvulas debido a su simplicidad, mientras que se requieren varios transistores de salida con complejos circuitos de división y combinación para igualar la misma potencia de salida que una sola válvula.

Los circuitos amplificadores de válvulas difieren significativamente de los circuitos de estado sólido de banda ancha. Los dispositivos de estado sólido tienen una impedancia de salida muy baja , lo que permite la adaptación de impedancias mediante un transformador de banda ancha que cubre un amplio rango de frecuencias, por ejemplo, de 1,8 a 30  MHz. Tanto en operación de clase C como de clase AB, estos circuitos deben incluir filtros de paso bajo para eliminar los armónicos. Si bien el filtro de paso bajo adecuado debe seleccionarse mediante un conmutador para el rango de frecuencias de interés, el resultado se considera un diseño "sin sintonización". Los amplificadores de válvulas cuentan con una red sintonizada que funciona como filtro de paso bajo para los armónicos y como adaptación de impedancias a la carga de salida. En ambos casos, tanto los dispositivos de estado sólido como los de válvulas necesitan dichas redes de filtrado antes de que la señal de RF se envíe a la carga.

El circuito de ánodo más común es un circuito LC sintonizado donde los ánodos están conectados en un nodo de voltaje . Este circuito se conoce a menudo como circuito tanque de ánodo .

Un ejemplo de esto utilizado en VHF/ UHF es el 4CX250B , un ejemplo de tetrodo doble es el QQV06/40A.

Neutralización es un término utilizado en amplificadores TGTP (rejilla sintonizada placa sintonizada) para referirse a los métodos y circuitos empleados para la estabilización contra oscilaciones no deseadas en la frecuencia de operación, causadas por la realimentación inadvertida de parte de la señal de salida a los circuitos de entrada. Esto ocurre principalmente a través de la capacitancia entre la rejilla y la placa, pero también puede ocurrir por otras vías, lo que hace que el diseño del circuito sea importante. Para cancelar la señal de realimentación no deseada, se introduce deliberadamente una porción de la señal de salida en el circuito de entrada con la misma amplitud pero fase opuesta.

Al utilizar un circuito sintonizado en la entrada, la red debe adaptar la fuente de excitación a la impedancia de entrada de la rejilla. Esta impedancia estará determinada por la corriente de rejilla en operación de Clase C o AB2. En operación AB1, el circuito de rejilla debe diseñarse para evitar un voltaje de elevación excesivo, que si bien podría proporcionar mayor ganancia de etapa, como en los diseños de audio, aumentará la inestabilidad y hará que la neutralización sea más crítica.

Al igual que en los tres diseños básicos que se muestran aquí, el ánodo de la válvula está conectado a un circuito LC resonante que cuenta con otro enlace inductivo que permite el paso de la señal de RF a la salida. El circuito mostrado se ha sustituido en gran medida por una red Pi , que facilita el ajuste y añade un filtro de paso bajo.

Un circuito de rejilla pasiva utilizado en frecuencias VHF/UHF podría emplear el tetrodo 4CX250B. Un ejemplo de tetrodo doble sería el QQV06/40A. Este tetrodo cuenta con una rejilla de pantalla ubicada entre el ánodo y la primera rejilla, la cual, al estar conectada a tierra para RF, actúa como blindaje, reduciendo la capacitancia efectiva entre la primera rejilla y el ánodo. La combinación de los efectos de la rejilla de pantalla y la resistencia de amortiguación de la rejilla permite, a menudo, el uso de este diseño sin neutralización. La rejilla de pantalla presente en tetrodos y pentodos aumenta considerablemente la ganancia de la válvula al reducir el efecto de la tensión del ánodo sobre la corriente del ánodo.

La señal de entrada se aplica a la primera rejilla de la válvula mediante un condensador. El valor de la resistencia de rejilla determina la ganancia de la etapa amplificadora. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será la ganancia, menor el efecto de amortiguación y mayor el riesgo de inestabilidad. En este tipo de etapa, un buen diseño es menos crucial.

Este diseño normalmente utiliza un triodo, por lo que válvulas como la 4CX250B no son adecuadas para este circuito, a menos que se unan las rejillas de pantalla y de control, convirtiendo así el tetrodo en un triodo. Este diseño de circuito se ha utilizado a 1296 MHz con válvulas de triodo  de disco sellado, como la 2C39A.

La rejilla está conectada a tierra y la excitación se aplica al cátodo a través de un condensador. La alimentación del filamento debe estar aislada del cátodo, ya que, a diferencia de otros diseños, el cátodo no está conectado a tierra de RF. Algunas válvulas, como la 811A, están diseñadas para funcionar con polarización cero, y el cátodo puede estar a potencial de tierra para CC. Las válvulas que requieren una polarización negativa de la rejilla pueden utilizarse aplicando una tensión CC positiva al cátodo. Esto se puede lograr colocando un diodo Zener entre el cátodo y tierra o utilizando una fuente de polarización independiente.

La capacitancia entre los electrodos de las válvulas, presente entre la entrada y la salida del amplificador, y otros acoplamientos parásitos pueden permitir que la energía se retroalimente a la entrada, provocando autooscilación en la etapa del amplificador. En los diseños de alta ganancia, este efecto debe contrarrestarse. Existen diversos métodos para introducir una señal desfasada desde la salida a la entrada, cancelando así el efecto. Incluso cuando la realimentación no es suficiente para causar oscilación, puede producir otros efectos, como una sintonización difícil. Por lo tanto, la neutralización puede ser útil, incluso para un amplificador que no oscila. Muchos amplificadores con rejilla a tierra no utilizan neutralización, pero a 30  MHz, añadirla puede suavizar la sintonización.

Una parte importante de la neutralización de un tetrodo o pentodo reside en el diseño del circuito de la rejilla de pantalla. Para lograr el máximo efecto de apantallamiento, la pantalla debe estar bien conectada a tierra a la frecuencia de operación. Muchas válvulas presentan una frecuencia de autoneutralización en el rango de VHF. Esto se debe a una resonancia en serie entre la capacitancia de la pantalla y la inductancia de su conductor, lo que proporciona una trayectoria de muy baja impedancia a tierra.

Los efectos del tiempo de tránsito son importantes a estas frecuencias, por lo que la retroalimentación normalmente no es utilizable y, para aplicaciones críticas en cuanto al rendimiento, deben utilizarse técnicas de linealización alternativas, como la degeneración y la prealimentación.

El factor de ruido no suele ser un problema para las válvulas de los amplificadores de potencia; sin embargo, en los receptores que utilizan válvulas, puede ser importante. Si bien estos usos están en desuso, esta información se incluye por su interés histórico.

Como cualquier dispositivo amplificador, las válvulas añaden ruido a la señal que se va a amplificar. Sin embargo, incluso con un amplificador hipotético perfecto, el ruido está inevitablemente presente debido a las fluctuaciones térmicas en la fuente de la señal (generalmente se supone que está a temperatura ambiente, T = 295 K). Dichas fluctuaciones provocan una potencia de ruido eléctrico de${\displaystyle k_{B}TB}$donde k _B es la constante de Boltzmann y B el ancho de banda. Correspondientemente, el ruido de voltaje de una resistencia R en un circuito abierto es${\displaystyle 4*k_{B}*T*B*R)^{1/2}}$y el ruido de corriente en un cortocircuito es${\displaystyle 4*k_{B}*T*B/R)^{1/2}}$.

La figura de ruido se define como la relación entre la potencia de ruido a la salida del amplificador y la potencia de ruido que estaría presente si el amplificador no generara ruido (debido a la amplificación del ruido térmico de la fuente de señal). Una definición equivalente es: la figura de ruido es el factor por el cual la inserción del amplificador degrada la relación señal/ruido. Se suele expresar en decibelios (dB). Un amplificador con una  figura de ruido de 0 dB sería perfecto.

Las propiedades de ruido de los tubos a frecuencias de audio se pueden modelar adecuadamente mediante un tubo ideal sin ruido con una fuente de ruido de voltaje en serie con la rejilla. Para el tubo EF86, por ejemplo, este ruido de voltaje se especifica (véanse, por ejemplo, las hojas de datos de Valvo, Telefunken o Philips) como 2 microvoltios integrados en un rango de frecuencia de aproximadamente 25  Hz a 10  kHz. (Esto se refiere al ruido integrado; véase más adelante la dependencia de la densidad espectral de ruido con la frecuencia). Esto equivale al ruido de voltaje de una resistencia de 25 kΩ. Por lo tanto, si la fuente de señal tiene una impedancia de 25 kΩ o más, el ruido del tubo es en realidad menor que el ruido de la fuente. Para una fuente de 25 kΩ, el ruido generado por el tubo y la fuente es el mismo, por lo que la potencia de ruido total a la salida del amplificador es el doble de la potencia de ruido a la salida del amplificador ideal. La figura de ruido es entonces de dos, o 3  dB. Para impedancias más altas, como 250 kΩ, el ruido de voltaje del EF86 es${\displaystyle 1/10^{1/2}}$inferior al ruido propio de la fuente. Por lo tanto, añade 1/10 de la potencia de ruido causada por la fuente, y la cifra de ruido es de 0,4  dB. Por otro lado, para una fuente de baja impedancia de 250 Ω, la contribución de voltaje de ruido del tubo es 10 veces mayor que la de la fuente de señal, de modo que la potencia de ruido es cien veces mayor que la causada por la fuente. La cifra de ruido en este caso es de 20  dB.

Para obtener un bajo nivel de ruido, se puede aumentar la impedancia de la fuente mediante un transformador. Sin embargo, esto está limitado por la capacitancia de entrada del tubo, que impone un límite a la impedancia de señal máxima que se puede alcanzar si se desea un ancho de banda determinado.

La densidad de voltaje de ruido de una válvula dada es función de la frecuencia. A frecuencias superiores a 10  kHz, es prácticamente constante ("ruido blanco"). El ruido blanco se suele expresar mediante una resistencia de ruido equivalente, que se define como la resistencia que produce el mismo ruido de voltaje que el presente en la entrada de la válvula. Para los triodos, es aproximadamente (2-4)/ g _m , donde g _m es la transconductancia. Para los pentodos, es mayor, alrededor de (5-7)/ g _m . Por lo tanto, las válvulas con un valor alto de g _m tienden a tener menor ruido a altas frecuencias. Por ejemplo, es de 300 Ω para la mitad de una ECC88, 250 Ω para una E188CC (ambas tienen g _m = 12,5 mA/V) y tan baja como 65 Ω para una D3a conectada en trio ( g _m = 40 mA/V).

En el rango de frecuencias de audio (por debajo de 1–100  kHz), el ruido "1/ f " se vuelve dominante y aumenta como 1/ f . (Esta es la razón de la resistencia al ruido relativamente alta del EF86 en el ejemplo anterior). Por lo tanto, los tubos con bajo ruido a alta frecuencia no necesariamente tienen bajo ruido en el rango de frecuencias de audio. Para tubos de audio especiales de bajo ruido, la frecuencia a la que predomina el ruido 1/ f se reduce al máximo, quizás a aproximadamente un kilohercio. Esto se puede lograr eligiendo materiales muy puros para el níquel del cátodo y haciendo funcionar el tubo con una corriente de ánodo optimizada (generalmente baja).

En las radiofrecuencias, la situación es más compleja: (i) La impedancia de entrada de un tubo tiene un componente real que disminuye como 1/ f² (debido a la inductancia del cable del cátodo y los efectos del tiempo de tránsito). Esto significa que la impedancia de entrada ya no se puede aumentar arbitrariamente para reducir la figura de ruido. (ii) Esta resistencia de entrada tiene su propio ruido térmico, como cualquier resistor. (La "temperatura" de este resistor para efectos de ruido se aproxima más a la temperatura del cátodo que a la temperatura ambiente). Por lo tanto, la figura de ruido de los amplificadores de tubo aumenta con la frecuencia. A 200 MHz, se puede alcanzar  una figura de ruido de 2,5 (o 4 dB) con el tubo ECC2000 en un circuito "cascode" optimizado con una impedancia de fuente optimizada. A 800 MHz, tubos como el EC8010 tienen figuras de ruido de aproximadamente 10 dB o más. Los triodos planares son mejores, pero los transistores, desde sus inicios, han alcanzado figuras de ruido sustancialmente inferiores a las de los tubos en UHF. Así pues, los sintonizadores de los televisores fueron de los primeros componentes de la electrónica de consumo en los que se utilizaron transistores.   

• Symons, Robert S. (1998). "Tubos: Todavía vitales después de todos estos años". IEEE Spectrum . 35 (4): 52– 63. Bibcode : 1998IEEES..35d..52S . doi : 10.1109/6.666962 .