Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Autor: Fernando Fernández Sánchez Tutor: José Luis Mora Jiménez Dpto. de Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 iii Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Autor: Fernando Fernández Sánchez Tutor: José Luis Mora Jiménez Dpto. de Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 v Proyecto Fin de Grado: Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Autor: Fernando Fernández Sánchez Tutor: José Luis Mora Jiménez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos Ante todo, agradecer a mi tutor, José Luis, por su disposición desde el primer momento que le propuse la idea. Ha sido un placer realizar con él este proyecto, dado por sus conocimientos en esta área y por su interés en el mundo de los amplificadores de guitarra. También mencionar al profesor D. Francisco Pérez Ridao, por su ayuda desinteresada en las sesiones de laboratorio además de ofrecer sus instrumentos de medida y materiales. Por supuesto, a mi familia. Gracias a ellos he podido cursar mis estudios y que, sin su constante apoyo, habría sido una tarea muy complicada de terminar. xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Fender Deluxe 1957. 3 Figura 2-2. Marshall JMP50 original 1970. Válvulas. 4 Figura 2-3. Roland Jazz Chorus 120H. Transistores 4 Figura 2-4. Esquema preamplificador Marshall JCM800 5 Figura 2-5. Esquema etapa de potencia Marshall JCM800 5 Figura 2-6. Esquema preamplificador Fender Bassman 6 Figura 2-7. Esquema etapa de potencia Fender Bassman 6 Figura 2-8. Esquema preamplificador Mesa Boogie Dual Rectifier 7 Figura 2-9. Esquema etapa de potencia Mesa Boogie Dual Rectifier 7 Figura 3-1. Símbolo de la válvula diodo 9 Figura 3-2. Característica estática de la válvula diodo 9 Figura 3-3. Símbolo válvula 12AX7 con dos triodos 10 Figura 3-4. Característica estática del triodo. Válvula 12AX7 10 Figura 3-5. Característica válvula 12AX7 12 Figura 3-6. Característica válvula 12AU7 12 Figura 3-7. Símbolo pentodo EL803 13 Figura 3-8. Característica pentodo EL803 13 Figura 4-1. Cadena de sonido 16 Figura 4-2. Entrada canales Fender Bassman 16 Figura 4-3. Circuito preamplificador Fender Bassman 17 Figura 4-4. Recta de carga para Ra= 56kΩ 17 Figura 4-5. Circuito simulado 18 Figura 4-6. Resultado simulación 18 Figura 4-7. Diseño de la placa en Eagle 19 Figura 4-8. PCB 20 Figura 4-9. Circuito completo 20 Figura 4-10. Circuito Completo 20 Figura 4-11. Izquierda: Curva real primer triodo. Derecha: Curva real segundo triodo 21 Figura 4-12. Curvas reales de la válvula aportada por D. Francisco Pérez 22 Figura 4-13. Modelo válvula 12AX7 MicroCAP 22 Figura 4-14. Recta de carga sobre la curva real del primer triodo 23 Figura 4-15. Onda en el ánodo 1, segundo diseño. Medida en CA 24 Figura 4-16. Onda en el ánodo 2, segundo diseño. Medida en CA 24 Figura 4-17. Circuito final preamplificador 25 Figura 4-18. Onda en el ánodo 1, diseño final. Medida en CA 26 Figura 4-19. Onda en el ánodo 2, diseño final. Medida en CA 26 Figura 4-20. Onda ánodo 1, resistencia rejilla 68k. Medida en CA 27 Figura 4-21. Onda ánodo 2, resistencia rejilla 68k. Medida en CA 27 Figura 4-22. FFT diseño final 28 Figura 4-23. Respuesta frecuencial en el primer ánodo 29 Figura 4-24. Respuesta frecuencial en el segundo ánodo 29 Figura 5-1. Característica Vgk-Ig 31 Figura 5-2. Circuito híbrido 32 Figura 5-3. Circuito híbrido completo 32 Figura 5-4. Grid-leak biasing y transistor 33 Figura 5-5. Circuito valvular 33 Figura A-1. Fuente de alimentación Twintex TP-2303 39 Figura A-2. Generador de ondas TTI TG315 39 Figura A-3. Osciloscopio Tektronix TBS1102B-EDU 40 Figura A-4. Multímetro TTI 1604 40 Figura A-5. Trazador de curvas Hameg HM6042 41 Figura A-6: Medidor de válvulas (D. Francisco Pérez) 41 Figura C-1: Polarización por cátodo 47 xix Notación A/mA/𝜇A Amperios / miliamperios / microamperios ºC Grados centígrados dB Decibelios F/uF Faradios/microFaradios FFT Transformada rápida de Fourier G Ganancia Hz Hercios Ia Corriente ánodo Io Corriente de cortocircuito ra Resistencia ánodo V/mV Voltios/milivoltios Vak Voltaje ánodo Vg Tensión rejilla Ω/kΩ/MΩ Ohmios / kilohmios / megaohmios 1 MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS a idea de este proyecto surge del interés por unir dos áreas con las que tengo estrecha relación: la música y la electrónica. Tras años rodeado de instrumentos, amplificadores, pedales de efectos y un largo etcétera, quería entender qué había tras todos ellos, el cómo funcionan y el por qué de sus diseños. En este trabajo veo la oportunidad de acercar mi carrera a la música, por lo que no he desaprovechado la oportunidad. Las válvulas conforman una parte muy importante del desarrollo musical en un gran número de estilos, ya que en su momento revolucionaron la amplificación de instrumentos. Sin embargo, actualmente parecen estar obsoletas, y su estudio no se contempla en ninguno de los planes de ninguna asignatura del grado. Su importancia dentro del mundo musical es lo que me ha hecho seleccionarlas para el proyecto, complementando así mi estudio sobre más dispositivos electrónicos. Dentro de la variedad existente de circuitos con finalidad musical, se ha elegido implementar un preamplificador valvular para guitarra eléctrica. A diferencia de los diseños que se encuentran en la industria, se presenta una limitación de cara a la implementación del proyecto: la tensión de alimentación. Habitualmente, los diseños de válvulas trabajan entorno los 300 y 400 voltios. Este valor de tensión puede llegar a ser mortal en caso de accidente, por lo que su fabricación y testeo queda en manos con experiencia. Por ello, se ha elegido operar a una tensión de 50 V, en la que no hay riesgo a la hora de hacer pruebas en el laboratorio. Como se verá a lo largo del proyecto, esta alimentación supondrá un pequeño “hándicap” que obligará a rediseñar los circuitos. Como objetivos, se busca una cierta ganancia y que, ante una señal senoidal a la entrada, la propia amplificación no deforme en gran medida la señal. Conforme se van realizando las pruebas, se verá que la forma de la onda será el principal problema. En un futuro acople con una etapa de potencia se quiere que quede un producto completamente funcional. Se busca por tanto implementar una unidad independiente y funcional la cual pueda ser sustituida, por ejemplo, por el preamplificador de nuestro sistema de amplificación para guitarra. L Motivación y objetivos 2 3 3 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 2-1: Fender Deluxe 1957. 2 AMPLIFICADORES DE GUITARRA ELÉCTRICA ocas son las personas que no han visto alguna vez una guitarra eléctrica, ya sea en sus manos, en un concierto, o simplemente en el escaparate de una tienda. Ligado directamente al instrumento, se encuentra el amplificador, el cual aporta un papel fundamental en el sonido final de la guitarra. 2.1 Historia Aunque la guitarra eléctrica comenzó a desarrollarse en la mitad del siglo XX, el amplificador tuvo su aparición alrededor de 1935, cuyos primeros usuarios fueron los músicos de Lap Steel Hawaianos. Los primeros músicos en utilizar los amplificadores con otros fines fueron los guitarristas de Jazz, los cuales no podían destacar su instrumento dentro de grandes agrupaciones. A partir de ahí, fue cuando este método de aumentar el nivel del sonido fue cogiendo popularidad. Numerosos instrumentos fueron creados y modificados para poder ser conectados a este sistema, tales como bajos, teclados o armónicas. En los comienzos, los amplificadores fueron bastante simples, con pocos controles y aunque ofrecían el volumen que los usuarios requerían, carecían de lo que se llama “carácter”. Los graves y agudos como se conocen en los amplificadores comerciaes de hoy en día, eran todavía un mundo por explorar. Fue entonces cuando, a partir de 1950, músicos como Chuck Berry o Dick Dale, comenzaron a llevar sus amplificadores a los límites, saturando las señales con el objetivo de crear y experimenar nuevos sonidos, descubriendo el famoso efecto de “distorsión”. Leo Fender, el cual fue pionero de los amplificadores de instrumento, comenzó a desarrollar nuevos modelos a principios de los 60, incluyendo el primer amplificador de 100 vatios. Supuso un gran cambio, permitiendo a los músicos ofrecer conciertos de mayor volumen y mejor calidad de sonido. A él se le unirían compañías como Vox Amplification, o Marshall, que por peticiones de artistas comenzaron a diseñar amplificadores que ofrecieran las calidades y prestaciones adecuadas para grandes conciertos y grabaciones de estudio. P “Si algo es fácil de reparar, es fácil de construir.” -Leo Fender- Amplificadores de guitarra eléctrica 4 Figura 2-2: Marshall JMP50 original 1970. Válvulas. Figura 2-3: Roland Jazz Chorus 120 H. Transistores. Con el desarrollo de la electrónica, los amplificadores también fueron avanzando. Así, en la década de los 70, con la aparición de transistores comerciales, se realizaron nuevos diseños en base a estos semiconductores. Este tipo de amplificador redujo el coste de fabricación, lo que pudo acercar más la guitarra eléctrica a un mercado más amplio. Además, son más fiables y de menor peso. Sin embargo, la mayoría de los músicos profesionales siguen prefiriendo el sonido que ofrecen los amplificadores a válvulas 1 . 1 Existe un gran debate entre qué tecnología ofrece el mejor sonido, valvular, transistor o digital. 5 5 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 2-4: Esquema preamplificador Marshall JCM800. Figura 2-5: Esquema etapa de potencia Marshall JCM800. 2.2 Electrónica En las figuras 2-4 y 2-5 se muestra el esquema completo del amplificador comercial Marshall JCM800, el cual supone un “standard” dentro del diseño de amplificadores a válvulas. ¿Qué es una válvula? 12 Figura 3-5: Característica válvula 12AX7. Para el triodo de la válvula 12AX7, el factor de amplificación es, aproximadamente: - 𝜇 = 𝛥𝑉𝑎 𝛥𝑉𝑔=50 0.5 =100 Y, para el triodo de la válvula 12AU7: - 𝜇 = 𝛥𝑉𝑎 𝛥𝑉𝑔=40 2=20 Figura 3-6: Característica válvula 12AU7. 13 13 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 3-7: Símbolo pentodo EL803. Figura 3-8: Característica pentodo EL803. 3.4 Pentodos Los triodos, aunque son dispositivos adecuados para la amplificación, presentan problemas al trabajar en alta frecuencia debido a su elevada capacidad rejilla-placa (Cga). Es por ello por lo que se insertó un nuevo electrodo, la rejilla pantalla(g2), situada entre la rejilla de control y el ánodo. Esto supuso la aparición del tetrodo. Sin embargo este nuevo dispositivo presenta una distorsión no lineal, por lo que, para mejorar este comportamiento, se añadió un nuevo electrodo entre el ánodo y la rejilla pantalla: la rejilla supresora(g3). Esta rejilla se encuentra a un potencial positivo respecto cátodo. La operación de este dispositivo es similar a la de un triodo. Los electrones parten del cátodo con alta energía cinética, atravesando la rejilla supresora. Los electrones emitidos por el ánodo son rechazados por la rejilla supresora, volviendo de nuevo hacia él. Se elimina así la emisión secundaria que origina la distorsión no lineal en los tetrodos, obteniendo unas nuevas características. Se muestra en la figura 3-8 las características del pentodo EL803 de Telefunken para una tensión de la rejilla supresora de 0 V y una tensión de 170 V para la pantalla. Es una característica V-I muy parecida a la de un transistor BJT (Bipolar Junction Transistor). Con el pentodo se consigue un factor de amplificación mucho más grande que con el triodo por lo que se pueden fabricar amplificadores con más potencia. ¿Qué es una válvula? 14 15 15 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica 4 DISEÑO DEL CIRCUITO lo largo del proyecto, han ido surgiendo problemas en la implementación física del circuito que han llevado a que se tomen diferentes rumbos e investigaciones. Tras fabricar el primero de los diseños, se sometió a pruebas en el laboratorio, con la esperanza de que brindara resultados aproximados a las simulaciones. Sin embargo, no fue así. En las primeras pruebas el comportamiento del circuito no era en absoluto el esperado, provocando la duda de si la PCB o el diseño eran adecuados o no para esta aplicación. Tras una exhaustiva comprobación de las pistas y conexiones, se concluyó que la placa no era el foco del problema, por lo que se descartó. En cuanto al diseño, los resultados no podían diferir demasiado de las simulaciones si los componentes funcionaban correctamente, si bien no iban a ser iguales, al menos parecidos. Posteriormente se propuso la idea de que fueran las propias válvulas las que hacían que el circuito no funcionara bien. Se acudió a los correspondientes datasheets, “asegurando” así que, para la tensión de trabajo (50 V), se obtuvieran los valores indicados. Al realizar las mediciones, no fue así. Generalmente las válvulas son usadas en entornos de mayor tensión (entre 200 y 400 V). Entonces, se pensó que, para la tensión de trabajo, las válvulas podrían presentar ciertos problemas y que sería necesaria otra topología para el diseño. Así es como el proyecto tomó el rumbo de investigar el diseño para válvulas en “baja” tensión, modificando el circuito incial hasta encontrar uno que ofreciera las prestaciones deseadas: una forma de onda adecuada (amplificar la señal senoidal sin alterarla demasiado) y ganancia. En las siguientes páginas se mostrarán los diferentes diseños/modificaciones y los problemas que han surgido con cada uno. 4.1 El preamplificador En la figura 4-1 se puede observar la cadena típica de componentes de un amplificador de guitarra (puede tener más, o incluso menos, dependiendo de los modelos), tomando como origen el instrumento y como actuador final el altavoz por el que se escuchará. Dentro del preamplificador se tienen a su vez varias etapas. - Volumen/ganancia: aporta la cantidad de distorsión. En los amplificadores, esta etapa se suele controlar con la perilla de “Gain”. - Ecualización: por lo general, tres controles (treble, mid, bass), con los que se modificará el tono del sonido. Está estrechamente relacionado con el diagrama de Bode del circuito, siendo modificado al girar los potenciómetros. - Volumen Máster: esta etapa controla el volumen general del preamplificador. En los amplificadores, se pueden encontrar varios potenciómetros de máster, correspondiendo a los diferentes canales. En este caso, como solo se ha diseñado un canal, se tendrá un único potenciómetro para esta función. La salida de la guitarra se encuentra en el orden de 100mV. El preamplificador tiene como función amplificar esta señal hasta el orden de 10 Voltios, que sirvan como entrada de la etapa de potencia. A Diseño del circuito 16 Figura 4-1: Cadena de sonido. Figura 4-2: Entrada canales Fender Bassman. 4.2 Diseño inicial Al ser el objetivo implementar un preamplificador de guitarra eléctrica, es necesaria la investigación de los mismos dentro de la industria musical. Como se comenta en la segunda sección, son numerosas las personas que han investigado este campo durante la segunda mitad del siglo XX, desembocando en un gran número de empresas dedicadas exclusivamente al diseño y fabricación de amplificadores. Por ello, se realizó una previa selección de circuitos, según el gusto de un servidor. Dentro de esta lista, se encuentran amplificadores ya citados en la sección 2, y otros de corte moderno. Finalmente, se eligió el conocido Fender Bassman, modelo 5F6-7. Por simplicidad, de los 4 canales que posee el amplificador original, se va a implementar uno de ellos. Estos canales son: Alto/Bajo, Brillante/Normal. La diferencia entre ellos es el volumen de salida en el caso del alto/bajo y el tono que tomará el sonido en el caso del brillante/normal. En la figura 4-2 se muestra el panel de canales del Fender Bassman. 17 17 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 4-3: Circuito preamplificador Fender Bassman. Figura 4-4: Recta de carga para Ra = 56kΩ. El circuito original del preamplificador se muestra en la figura. Como se viene comentando, la tensión de trabajo elegida no serán 325 voltios, si no que será de 50. La elección de este número viene dada por cuestiones de seguridad, dado que, la alta tensión que requiere el circuito original puede llegar a ser peligrosa para una persona sin la suficiente experiencia. Por tanto, al cambiar este valor, hay que redimensionar las resistencias del ánodo. Es necesario obtener en este punto unos 25 V, la mitad de la tensión de alimentación. Así, se asegura un amplio rango de trabajo en el que la señal no quede demasiado distorsionada, al menos en la primera etapa. Para este cálculo, se hace uso del datasheet y se dibuja sobre él la recta de carga, para ver cuál es el punto de operación para estas condiciones. Esta recta se dibuja teniendo en cuenta las hipotéticas condiciones de: - A tensión nula, la corriente sería de 𝐼0=50 𝑉 56𝑘Ω = 0.89𝑚𝐴 - La válvula está en corte total, por lo que Va sería 50 V directamente. La recta de carga entonces: Diseño del circuito 18 Figura 4-5: Circuito simulado. Figura 4-6: Resultado simulación. El bias point es para Vg = 0 V, de unos 20 voltios y 0.55 mA. La caída de tensión en la resistencia del ánodo es entonces de 𝑉 𝑟=56𝑘Ω ∗ 0.55𝑚𝐴 ≅30 𝑉. Se tiene entonces un punto de operación adecuado para ser un diseño inicial. Además del cambio de esta resistencia, se han sustituído las resistencias de 820 Ω de los cátodos por potenciómetros de 10kΩ. Esto permitirá variar un poco el punto de operación, pudiendo obtener diferentes formas y recortes de la onda. Así mismo, como la unidad que se va a implementar es independiente (no está integrada junto a otras etapas como en el amplificador original), se añaden condensadores de 100uF y 100nF para estabilizar la alimentación. 4.2.1 Simulación Antes de la implementación física, se han realizado las correspondientes simulaciones, para comprobar que, aproximadamente el punto de operación es el deseado. Se muestra en la figura 4-5 el circuito simulado, sin representar el control de tono ni la válvula en configuración de seguidor de tensión. 19 19 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 4-7: Diseño de la placa en Eagle. En la figura 4-6 se muestra la salida en el ánodo de la primera etapa (Va1) y en el ánodo de la segunda (Va2) para una entrada senoidal de 20mV de amplitud y 1kHz de frecuencia. La tensión media se encuentra entre los 27 y 28 V. Discrepa un poco de los 20 voltios calculados teóricamente, pero sigue siendo una cifra aceptable, y, además, la señal amplificada no se recorta ni sufre grandes deformaciones. 4.2.2 Implementación física Se ha optado por hacer el conexionado mediante pistas 3 con una PCB. El diseño se ha realizado con Eagle 9.3.0, mostrándose el resultado en la figura 4-7 junto con la representación ideal de los componentes. Recalcar que, posteriormente se modificó la placa. Originalmente, la alimentación de las válvulas se ajustó mediante un divisor de tensión, para poder aprovechar así la fuente de 50V. Sin embargo, el consumo de corriente en estos pines de las válvulas es bastante elevado, siendo 300 mA. El divisor de tensión no podía aportar tanta corriente, por lo que la alimentación se hizo directamente con 6.3 V en el nodo correspondiente a los pines 4 y 5 de las válvulas. 3 En los amplificadores valvulares es muy típico el conexionado punto a punto, donde los componentes se sueldan directamente uno con otro siguiendo correctamente el esquemático. Ver Figura 2-2. Diseño del circuito 20 Figura 4-8: PCB. Figura 4-9: Circuito completo. Figura 4-10: Circuito completo. 21 21 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 4-11: Izquierda: Curva real primer triodo. Derecha: Curva real segundo triodo. 4.2.3 Problemas del diseño Tras la fase de fabricación, se trasladó el circuito al laboratorio para medir las diferentes tensiones y comprobar el diseño. Como entrada se utilizó una señal senoidal de 0.15 Vpp y 440 Hz (Frecuencia de la nota La). La tensión medida en el primer ánodo fue de 49.5 V, lo cual hace obviamente que la señal se recorte casi por completo. Este hecho fue el desencadenante de que, a la vista de los resultados teóricos, el comportamiento no fuera en absoluto el mostrado en los datasheets. Tras comprobar todas las conexiones, componentes y pistas, no se encontró ninguna falla. De igual manera se procedió con la segunda etapa, obteniendo también una tensión media de unos 49.5 V. De estos valores se intuye que la caída en la resistencia del ánodo es de 0.5 V. Así, la intensidad del ánodo es de entorno 𝐼𝑎=0.5 𝑉 56𝑘Ω ≅ 8.9𝜇𝐴, que para nada coincide con lo calculado teóricamente. Para tener certeza del comportamiento de las válvulas utilizadas, se miden sus curvas experimentalmente, haciendo uso del Hameg Curve Tracer, y del instrumento fabricado por el profesor D. Francisco Pérez. En estas curvas se aprecia como la corriente es realmente menor a la que indica el datasheet, encontrándose incluso por debajo de los 100 𝜇𝐴 en el primer triodo. A la vista queda también que, incluso siendo la misma válvula, los triodos no son iguales, por lo que hay una gran dispersión en la fabricación de estos componentes. Con intención de hacer una breve comparativa, el profesor D. Francisco Pérez hizo de nuevo su aportación, cediendo un par de válvulas de su colección. Diseño del circuito 28 Figura 4-22: FFT diseño final. En este caso, la ganancia obtenida es de 𝐺 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 =12.4 0.15 =82.67 Observando las figuras 4-20 y 4-21, como ya se ha comentado, aunque mejoran considerablemente las formas de onda respecto a los diseños anteriores, se busca que sea más senoidal. Cuando se probó para el valor de 100k, se consiguió la forma de onda deseada. Como inconveniente, se obtiene la menor de las ganancias de todos los diseños. Atendiendo a las figuras 4-18 y 4-19: 𝐺 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 =9.36 0.15 =62.4 Con ayuda del osciloscopio, se realiza la correspondiente FFT para el análisis de distorsión, con una señal de entrada de 0.15 Vpp y 440 Hz. Hay que destacar la gran presencia del segundo y tercer armónico. En definitiva, estos es lo que se buscaba con esta topología. La guitarra eléctrica es un instrumento que produce una gran cantidad de armónicos, y que todos ellos provocan la musicalidad del instrumento. Por esta razón, gran parte de los músicos prefieren los amplificadores a válvulas, ya que realzan en gran medida los armónicos. Por lo que, en lo que al proyecto se refiere, se ha cumplido uno de los objetivos, que es su correcta adaptación a la guitarra eléctrica. Para terminar con las pruebas de laboratorio, se ha realizado un bode experimental, haciendo uso del generador de señales y tomando las frecuencias más representativas. Se muestran en las figuras 4-23 y 4-24 los diagramas para ambos ánodos con una entrada de 0.15 Vpp. 29 29 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 4-24: Respuesta frecuencial en el segundo ánodo. Figura 4-23: Respuesta frecuencial en el primer ánodo. Diseño del circuito 30 El rango de frecuencias de la guitarra eléctrica va generalmente desde 80 Hz hasta los 1300 Hz aproximadamente. En ambos diagramas, las frecuencias más graves tienen menor magnitud, siendo ésta creciente hasta los 1100 Hz y siendo constante hasta los 20 kHz. Esto se traduciría en una mayor presencia de las frecuencias medias/agudas del instrumento. En términos de jerga musical se podría decir que el sonido no tendría demasiado cuerpo, ya que no está respaldado por unos graves fuertes, y sería estridente, al primar los agudos. 31 31 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 5-1: Característica Vgk-Ig. 5 ALTERNATIVAS DE DISEÑO E n este capítulo se va a tomar como referencia el artículo de Merlin Blencowe de triodos a baja tensión. Aunque en el artículo el autor trabaja con una tensión de 12 V, es completamente apto para los 50 V utilizados en el proyecto. Si bien estos métodos no se van a implementar físicamente, es recomendable tenerlos de referencia y por supuesto, son alternativas que cumplen su función correctamente y es una buena base de circuitos para futuros proyectos. Se comienza haciendo un estudio de la importancia de la rejilla en esta tensión. Como se ha visto en el capítulo 4, este electrodo ha sido fuente de problemas a lo largo del proyecto, por lo que es interesante conocer las técnicas que pueden ayudar a mitigar o controlar sus efectos. A tensión elevada, la resistencia de entrada de la rejilla se considera infinita, por lo que la corriente en este nodo no supone un problema, sin embargo, a bajas tensiones hay que tener mayor cuidado con el diseño, ya que la resistencia no se desprecia y la corriente, si no se trata de la manera adecuada, puede provocar problemas de funcionamiento. A medida que se disminuye la tensión en el ánodo, aumenta la corriente en la rejilla, ya que el ánodo no atrae tanto a los electrones. En la figura 5-1 se muestra una medida experimental del autor, en la cual se representa la corriente Ig en función de la tensión de la rejilla, para una tensión Va fija. En el caso del proyecto, la válvula que interesa es la ECC83, que sería la equivalente a la 12AX7. Técnicas clásicas como el polarizado de cátodo (Anexo C) no son válidas para baja tensión, por lo que son necesarias las técnicas que se explican a continuación. Alternativas de diseño 32 Figura 5-2: Circuito híbrido. Figura 5-3: Circuito híbrido completo. 5.1 Circuitos híbridos Como primera instancia, se propone un circuito en el que conviven válvulas y amplificadores operacionales. En este caso se usa un amplificador operación para controlar la rejilla. Gracias al potenciómetro X3, se ajusta el bias del OPAMP, haciendo el circuito adaptable para las diferentes válvulas. La resistencia R3 hace en este caso que circule corriente (no lineal) por la rejilla, produciendo una distorsión que puede ser del gusto de músicos. Para completer el circuito anterior, se usa otro amplificador operacional para ofrecer una impedancia de salida pequeña, quedando el circuito de la figura. Este nuevo circuito proporciona interés para el diseño enfocado a instrumentos ya que aporta una gran impedancia de entrada y una impedancia de salida pequeña. Además puede proporcionar ganancia adicional, lo que hace que la válvula se sature más. 33 33 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura 5-4: Grid-leak biasing y transistor. Figura 5-5: Circuito valvular. 5.2 Grid-Leak Biasing junto a transistor de alta ganancia Al igual que antes, la impedancia de salida de la válvula es muy grande, por lo que se coloca el transistor de alta ganancia para ajustar la salida. La polarización de la válvula se ha hecho fijando la tensión de la rejilla. Si se quiere por ejemplo -0.2 V, en la resistencia tienen que caer 12.2 V. Midiendo la intensidad de la rejilla en las gráficas se ajusta la resistencia que se ha de colocar. A la salida, se coloca un transistor de alta ganancia, ajustando la impedancia de salida, haciéndola muy pequeña. 5.3 Valvular Si se quiere evitar la opción de utilizar circuitos híbridos, basta con sustituir el transistor añadido en el apartado 5.2 por un seguidor de tensión. Alternativas de diseño 34 En este caso, al igual que en el circuito del apartado 5.1, se dispone de un potenciómetro (X3) para poder ajustar el circuito para cualquier válvula. Ahora se tiene por tanto un circuito plenamente valvular en el que, las tensiones en las rejillas no suponen problemas al estar fijadas. En este último circuito sería necesario ajustar la impedancia de salida ya que tras el potenciómetro X4, ésta es muy alta. 35 35 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica 6 CONCLUSIONES De este proyecto se extrae la importancia de diferenciar la práctica y la teoría. En la electrónica, es de sobra conocido que, un circuito se va a comportar diferente a toda simulación y análisis que se haga. Con los experimentos realizados durante el proyecto, se ha comprobado que, en el caso de las válvulas, este hecho se refleja en mayor manera. Es increíble la diferencia entre el comportamiento en la primera simulación que se hizo y el del primer ensayo. Esto hace al ingeniero ver que, no sólo puede nutrirse de programas y softwares, hay que sentarse en el laboratorio, encender toda la instrumentación, y comenzar a probar. Además, se ha visto que, al trabajar con válvulas, es de vital importancia conocer cómo es la válvula con la que se va a trabajar, y, en cierta medida, no “confiar” en lo que el fabricante facilita, si no, en la medida de lo posible, medir el dispositivo experimentalmente y ver su comportamiento real, y no el esperado. Como conclusión principal, podría decirse que el diseño de circuitos a válvulas en baja tensión puede resultar bastante tedioso y que, en cierto modo, no renta el trabajo realizado con el resultado final. Sin embargo, supone todo lo contrario. El hecho de ser capaces de trabajar con las válvulas a la tensión que se ha hecho, amplia muchísimo el uso de este dispositivo. En el ámbito musical, este tipo de diseños podría implementarse en pedales de efectos, pequeños preamplificadores, ecualizadores, compresores… Unidades las cuales son independientes y que pueden no disponer de una alta tensión, por lo que la realización de este proyecto abre nuevas puertas al diseño de circuitos con restricciones como la baja tensión. Conclusiones 36 37 37 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica BIBLIOGRAFÍA [1] Merlin Blencowe, Designing Tube Preamps for Guitar and Bass [Libro]. [2] Merlin Blencowe, Triodes at low voltage [Artículo]. [3] Eric Nolan Sporer, Low Voltage Vaccum Tube Pre-amplifier for Guitar [Tesis]. [4] Sergio Búrdalo Hernández, Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar [TFM]. [5] http://www.valvewizard.co.uk/ [6] https://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_guitarra Anexo B: Datasheets 44 45 45 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Anexo B: Datasheets 46 47 47 Diseño e implementación de preamplificador valvular a baja tensión para guitarra eléctrica Figura C-1: Polarización por cátodo. ANEXO C: POLARIZACIÓN POR CÁTODO El método de polarización por cátodo es uno de los más comunes de encontrar tanto en el mundo del audio de alta fidelidad como en la amplificación de instrumentos. Consiste en hacer la tensión del cátodo positiva, manteniendo la de la rejilla a 0 V. Cuando se habla de Vgk, no importa la tensión en estos dos ánodos, lo importante es la diferencia entre ellos. Al poner una resistencia en serie con el cátodo, hay una caída de tensión debido a la corriente de la válvula. Así aumenta el voltaje del cátodo, haciendo Vgk negativo, proporcionando un punto de operación. Este tipo de polarización suele llamarse también autobias, ya que, si aumenta la corriente en la válvula, también lo hace la tensión del cátodo, y por tanto también la tensión del punto de operación. Esto contrarresta la subida de corriente. Esto hace también que el diseño sea más inmune al envejecimiento de las válvulas y a los diferentes cambios en el circuito. Añadiendo un condensador en paralelo se puede controlar la ganancia y la respuesta en frecuencia.