Diseño de un amplificador basado en Nutube de Korg.
Primera parte: Conceptos básicos de los tubos de vacío
Esta es la primera entrega de una serie de artículos para diseñar un "pedal de guitarra" con amplificación y distorsión, partiendo desde el inicio del proyecto hasta conseguir un diseño terminado utilizando Korg Nutube. Solo usaremos recursos gratuitos de diseño como DesignSpark PCB para que sea fácil seguir los artículos y poder personalizar el diseño.
¿Por qué un pedal de guitarra?
Un pedal de guitarra es el amplificador más simple y menos restrictivo que pudimos elegir. El término guitarra abarca tantos dispositivos que, independientemente del efecto que se agregue, probablemente haya un pedal para cubrirlo.
Además, no todos los pedales de guitarra tienen pedales, algunos simplemente amplifican, otros distorsionan y otros tienen un pedal para controlar el efecto, mientras que otros tienen un potenciómetro. Esto deja algo de margen, lo que nos permite diseñar alrededor del dispositivo. Si bien esto puede parecer contraintuitivo, será útil más adelante cuando analicemos algunas de las limitaciones del dispositivo de amplificación.
A los audiófilos les encantan los tubos de vacío
El sonido y la música son muy subjetivos y algo que sonará perfecto para una persona puede sonar horrible para otra persona. Por lo tanto, es bastante improbable que lleguemos a un consenso con respecto a los tubos frente a los transistores. Los tubos cambian el sonido a medida que se amplifican y a menudo se dice que el sonido es "más cálido". Sin profundizar demasiado, esto proviene de muchos factores; algunos amplificadores de válvulas añaden ruido, mientras que otros tienen una respuesta de baja frecuencia y amplifican los graves más que los agudos. Tal vez es simplemente que los electrones están más enojados en un tubo que en un transistor, ¡quién sabe!.
Los tubos son válvulas
La mayoría hemos oído hablar de los tubos, pero es posible que no sepamos cómo funcionan. Al igual que los semiconductores, hay o había muchos tipos de válvula, sin embargo, el elemento básico era el triodo y, a continuación, su símbolo.
El triodo es un dispositivo simple y probablemente mucho más fácil de entender que sus sustitos modernos, los transistores. Consta de tres elementos y tal ya conozcas dos de los nombres, ánodo y cátodo:
El cátodo (k) también conocido como el filamento, simplemente puesto para ser una fuente de electrones. En un tubo de cátodo caliente, los electrones "hierven", técnicamente, "emisiones termoiónicas", pero nos gusta la imagen de electrones hirviendo muy enfadados. Este efecto se crea calentando el filamento a temperaturas muy altas (miles de grados), ya que les da a los electrones la energía para escapar de su función en el metal del cátodo, o en otras palabras, "hervir". Casualmente, esta es una de las razones por las cuales los tubos viejos se calientan mucho y usan mucha potencia.
El ánodo (a), que también se conoce como placa, es donde se aceleran los electrones hervidos. Esta aceleración de electrones requiere que la placa tenga un alto potencial de hasta varios cientos de voltios (o más en algunos casos). Esta disposición de ánodo / cátodo fue el diseño y se hereda de las primeras válvulas, el diodo (sí, funciona igual que la versión de silicio).
La rejilla (g) es donde las cosas se ponen interesantes: al ajustar el voltaje en una pequeña cantidad en la rejilla con respecto al cátodo, los electrones pueden ser atraídos o interceptados en la rejilla. Esto causa un cambio mucho mayor en el ánodo / placa, creando amplificación de voltaje.
Amplificación de voltaje vs. amplificación de corriente
Después de la teoría básica de las válvulas, es hora de mirar el dispositivo de amplificación favorito de todos, el transistor NPN.
Ten en cuenta que si bien el efecto final de estos dispositivos es similar, y de alguna manera su construcción, no funcionan de la misma manera. El amplificador de tubo es un dispositivo de amplificación de voltaje y en términos prácticos un MOSFET puede estar más cerca de un tubo. Un transistor bipolar es un dispositivo de amplificación de corriente, que es sutilmente diferente.
En el caso del tubo, si aplicamos un voltaje en la compuerta, la tensión en la placa cambiará por la ganancia multiplicada por la entrada. Es decir. Vp = Ganancia * Vg.
En el caso del NPN anterior, si proporcionamos un voltaje a la base, actuará como un diodo polarizado hacia adelante, se elevará a 0.6-0.7V, permanecerá allí y la corriente base aumentará en consecuencia. Si la fuente no está limitada por la corriente, el transistor "explotará" literalmente. Es por eso que tenemos una resistencia de base que limitará esta corriente. Cuando utilizamos un amplificador de transistor bipolar tenemos que controlar la corriente en la base y variar esto, no el voltaje.
La ganancia nuevamente es bastante simple e Ic = ganancia * Ib. Dada una impedancia fija, esto puede convertirse en una tensión (V = IR). Esta diferencia es importante, no debe olvidarse y significa que estos circuitos no son directamente comparables. Esta es también una de las diferencias audiófilas más tangibles, conducir sus altavoces a través del voltaje producirá características diferentes a las actuales.
¿Entonces por qué tubos?
Por primera vez en mucho tiempo hay un nuevo tubo en el mercado, el Nutube (144-8943) y (144-9016). Intentan comportarse como el triodo, pero sin algunos de los aspectos más problemáticos de un triodo estándar. Mientras que el Nutube se comporta como un par de triodos, la construcción es diferente y recuerda más a una pantalla fluorescente de vacío (VFD). Hay una buena razón para esto y se basan en la tecnología VFD.
Un VFD no es muy diferente de un tubo; tradicionalmente tendrían un cátodo caliente, un ánodo / placa y una rejilla para controlar el flujo de electrones. La diferencia es que hay un fósforo en el ánodo que brilla cuando los electrones lo bombardean. Noritake Itron Corp ha encontrado una forma de crear algo de ganancia durante este proceso y, por lo tanto, la creación de KORG Nutube.
En la electrónica moderna, la potencia se ha convertido en una preocupación importante y, a diferencia de los VFD de antaño, los equivalentes modernos se han adaptado a los tiempos y son muy eficientes en el consumo de energía. Los voltajes de trabajo se han reducido, lo que significa que el Nutube puede funcionar con tan solo 5VDC, hasta 80VDC, aunque no recomendaríamos ir tan alto como crear ese tipo de voltaje es complicado, peligroso y conlleva un riesgo de shock. 12V sería un voltaje mucho más razonable para trabajar.
En este punto, deberíamos echar un vistazo a los pros y contras de Nutube en cuanto a diseño se refiere.
El Nutube tiene los siguientes beneficios:
- Bajo consumo energético
- Voltajes de funcionamiento seguros
- Alta fiabilidad
- Pequeño
Pero también hay unos problemas que deben considerarse: recuerda es un VFD, no un amplificador de potencia.
- Baja ganancia
- Alta impedancia de fuente
Baja ganancia
Comparando el KORG Nutube con un triodo tradicional como el 12AX7, su ganancia es bastante pequeña; el 12AX7 generalmente tiene una ganancia de 100, mientras que el Nutube solo tiene alrededor de 5. Esto limitará la ganancia que tenemos en un solo Nutube a alrededor de 25 como máximo (suponiendo que no haya otros factores y usando ambas etapas). Esto es suficiente para la mayoría de los propósitos y estará bien para nuestra aplicación de pedal.
Alta impedancia
Además de la baja ganancia, la impedancia de la fuente de la placa (ánodo) es de alrededor de 300 kOhms. Esto significa que hay muy poca corriente disponible del amplificador (por ejemplo, nivel de 30-40uA para la placa de 12V).
En comparación, el 12AX7 sería 62.5kOhms pero con voltaje de placa de 250V, dejando el variador alrededor del nivel de mA (al menos 100 veces más que el Nutube). Además, desde power = volts * current, el aumento de potencia es mucho más de lo que Nutube puede gestionar.
Esto hace que el dispositivo no sea adecuado para la mayoría de las etapas de transmisión de salida sin algún tipo de memoria intermedia.
Pasos siguientes
Ahora que ya conocemos los fundamentos de los tubos, necesitamos un circuito amplificador básico. A continuación se muestra un circuito de triodo típico para un dispositivo como el 12AX7, que sería un buen punto de partida para nuestro amplificador Nutube.
En el caso del Nutube, tenemos ambos extremos del cátodo para conectar. El voltaje del cátodo debe ser 0.7V. Afortunadamente para nosotros en la hoja de datos de Nutube, hay un esquema de referencia y muestra el voltaje del cátodo que se genera al conectarlo a 3.3V a través de 150R. Esto significa que el cátodo está tomando 17.3mA, que a través de la ley de Ohms nos da una resistencia del cátodo de alrededor de 40Ohms.
Con esta información, podemos dejar el circuito según la referencia o crear nuestro propio controlador de cátodo. La resistencia de ánodo predeterminada de 300k es probablemente un buen comienzo, pero veremos más a fondo a medida que avanzamos con el diseño.
Finalmente, a diferencia del circuito anterior, la rejilla necesita un sesgo y, por lo tanto, colocar un recipiente a 3v3 nos permitirá polarizar el tubo en consecuencia. A partir de esto, es una tarea simple de supervisar el diseño para probar. Tenga en cuenta que la corriente de polarización es bastante alta, por lo que este circuito debe ser una impedancia baja (ish).
Conclusiones
Después de repasar los tubos tradicionales y el Nutube, podemos comenzar a analizar el diseño del amplificador y otras consideraciones, incluso construyendo un circuito de prueba. Si lo sigue ahora, sería un buen momento para sacar el alcance y observar las características del tubo para una entrada determinada. En este punto, es un buen momento para decir las temidas palabras: continuará... La próxima vez veremos este circuito básico y lo que tenemos que hacer para convertirlo en un amplificador práctico.
ACTUALIZACIÓN: La segunda parte está disponible aquí
Hasta la próxima.
Karl Woodward