Mini Amplificador valvular

Amplificador valvular con la 12AU7 y la 12K5.

Este artículo describe la construcción de un mini-amplificador mono de muy baja potencia hecho con válvulas y que funciona con solamente 12V. Usa como válvula de salida la 12K5, proyectada para los auto-radios de los años 50.

Antes de empezar hago un poco de historia. Durante mi infancia, algunos aparatos que había en mi casa tenían válvulas, por ejemplo el querido tocadiscos con radio de mi madre (un armatoste) y el televisor. Ya desde chico me gustaba "hacerme el inventor" y una vez me propuse absurdamente, de intentar reparar el televisor de mi casa (yo tenía 7 años!!). La descarga eléctrica que me agarré me hizo ver las estrellas y desde entonces, siempre tuve mucho cuidado (por no decir otra cosa) con lo que yo considero alta tensión (más de 30V 🙂 ).

Los aparatos con válvulas siempre los vi como objetos fuera del tiempo, con montajes aparentemente caóticos, sin circuitos impresos, con chasis metálicos no aislados, llenos de bobinas con cera, transformadores y capacitores gigantescos. Y naturalmente, las válvulas.

Típico montaje de un aparato valvular.
Típico montaje de un aparato valvular.

Durante el período de mis estudios y después también con mi trabajo, la electrónica que yo conocía estaba hecha con transistores y circuitos integrados. Mi mundo tecnológico era fundamentalmente digital, "limpio y seguro". Nada que ver con montajes como el de la fotografía anterior.

Este interés particular por las válvulas surgió solo recientemente y no es que logro explicármelo bien. De cualquier manera, no obstante el tono vintage de estos proyectos con válvulas, no puedo evitar de moverme usando una clave más fácil y moderna (estilo Inventable) porque construir aparatos con válvulas en la actualidad es realmente muy difícil. Por este motivo, trato de trabajar con 12V, tensión casi inconcebible para los entendidos de las válvulas (que normalmente usan cientos de volts), usando circuitos impresos ordenados y prolijos, substituyendo si es posible, componentes difíciles de conseguir por otros más comunes y, no menos importante, haciendo montajes simples y más o menos elegantes. No busco características técnicas excepcionales. Para eso dispongo de miles de posibilidades que me ofrece la moderna tecnología.

El amplificador con válvulas montado.
El amplificador con válvulas montado.

Armando estos pequeños objetos pseudo-antiguos me siento un poco, como aquellos inventores pioneros que vivieron en los albores de la electrónica. Tiempos en los que se experimentaba tanto, muchas veces en el silencio de la noche, en talleres construidos en boardillas, mientras las ciudades dormían.

La versión híbrida para auriculares que he publicado tiempo atrás funciona perfectamente pero esta vez quería poder usar directamente un parlante en lugar de los auriculares. De esta manera, conectado a la salida de mi receptor valvular podría escuchar la música o los programas de radio con volumen bajo durante mi trabajo en el estudio. No quería usar semiconductores para la etapa de salida ni tampoco un transformador de audio (actualmente difícil de conseguir).

Los objetivos que me había propuesto parecían imposibles y ya me había resignado a abandonar el proyecto. Un día encontré circuitos de autoradios antiguos que funcionaban increíblemente con la tensión de la batería de los automóviles (12V). El secreto estaba en una serie particular de válvulas de salida que aprovechan un principio llamado "space charge", observado ya por Thomas Edison en sus experimentos de emisión sobre lámparas con filamento.

Radio de los años 50 en el video musical
Radio de los años 50 en el video musical "New Frontier" de Donal Fagen.

Sin entrar en detalles demasiado técnicos, normalmente en las válvulas se crea una nube de electrones entorno al cátodo pero si la tensión de la placa no es suficientemente alta, esta no logra atraerlos (por este motivo las tensiones de placa son tan elevadas). La solución descubierta para ayudar estos electrones a dirigiese hacia la placa consiste en agregar una segunda grilla cercana al cátodo y polarizada con una tensión positiva (10V o más). Esta grilla, proyectada en modo particular, ayuda a los electrones a llegar hasta la placa aunque si la tensión de esta última es de solo 12V.

Hoja del fabricante de la válvula 12K5.
Hoja del fabricante de la válvula 12K5.

En los años 50 los fabricantes usaron esta característica para producir las válvulas de salida de los autoradios obteniendo corrientes relativamente elevadas de salida no obstante la baja tensión de la placa. Estamos hablando de algunas decenas de miliamperes, no se imaginen mucho más. Entre los modelos conocidos estaba la 12K5. Encontrar una válvula de este tipo no era muy simple pero gracias a Internet, la pude comprar a un precio muy económico.

Foto de la válvula de salida 12K5.
Foto de la válvula de salida 12K5.

El segundo problema era el transformador de salida audio, necesario porque las válvulas pueden controlar cargas con impedancias de algunos cientos de ohms (en este caso entre 600 y 800 ohms) mientras que los parlantes tienen impedancias entre 4 y 8 ohms. Si conectáramos un parlante directamente a la salida de una válvula, su baja impedancia "plancharía" completamente el audio de salida y no escucharíamos nada.

Circuito del amplificador valvular.
Circuito del amplificador valvular.

Había leído que era posible usar un transformador de 220V como transformador audio pero el problema principal era la saturación del núcleo, no pensado para trabajar con un bías de corriente constante, característico de las etapas de salida. La solución que he encontrado es la de usar un transformador toroidal sobredimensionado en modo tal que la corriente de bías no saturase el núcleo.

Transformador de alimentación toroidal usado como transformador de salida audio.
Transformador de alimentación toroidal usado como transformador de salida audio.

Para poder experimentar con distintos tipos, proyecté el impreso con un conector de dos bornes donde se encuentra directamente la salida de la válvula y el positivo, es decir los dos contactos que se conectan a la entrada del transformador. Para obtener una correcta carga de la válvula es necesario que el primario del transformador refleje una impedancia entre 600 y 800 ohms sobre la placa de ella.

Circuito impreso del amplificador valvular.
Circuito impreso del amplificador valvular.

Un transformador presenta una impedancia de entrada en base a la carga conectada sobre el secundario y a la relación de transformación. La fórmula es:

Zprimario = relación_de_transformación2 * Zparlante

La relación de transformación es la cantidad de vueltas del primario dividido la cantidad de vueltas del secundario. Si no conocemos el numero de vueltas y usamos un transformador para alimentación podemos simplemente reemplazarlos por las tensiones. Por ejemplo, con un transformador para 220V y con salida de 24V (o 12V + 12V) la relación será:

Relación = 220V / 24V = 9,166

En el caso de un transformador para 110V podemos obtener la misma relación con una salida de 12V

Relación = 110V / 12V = 9,166

Volviendo a nuestra formula, para obtener la impedancia en el primario conectando un parlante de 8 ohms:

Zprimario = 9,1662 * Zparlante = 9,166 * 9,166 * 8 ohms = 672 ohms

Un valor de 672 ohms es aproximadamente el aconsejado por el fabricante de la válvula (entre 600 y 800 ohms) y por lo tanto lo podemos tomar por bueno. A los que se aventuran en la construcción de este amplificador les aconsejo de probar con otros transformadores, quizás tengan la suerte de conseguir uno especialmente pensado para trabajar con audio de 800 ohms a 8 ohms y potencia más baja de 1W.

Para los que les gusta profundizar sobre el tema de la salida de potencia les muestro las curvas de transferencia de la válvula 12K5 que extraje de las hojas del fabricante.

Curva che muestra la corriente de placa de la 12K5 en base a la tensión de grilla.
Curva che muestra la corriente de placa de la 12K5 en base a la tensión de grilla.

He agregado unas líneas rojas que nos muestra la variación de la corriente de placa (entre 9mA y 34mA) en base a la tensión en la grilla de control (donde entra el audio) entre -2V y 0V. Una mayor excursión de tensión en la grilla introduciría una elevada distorsión. La variación de corriente de placa con una carga de 670 ohms nos da una potencia de salida menor de 1/4W, bastante baja pero bien "escuchable".

Elenco de componentes

2 resistencias de 680 ohms
1 resistencia de 1Kohms
1 resistencia de 4,7Kohms
4 resistencias de 100K 1/4W
1 resistencia de 220Kohms
1 resistencia de 270Kohms
2 resistencias de 1Mohms 1/4W
1 resistencia de 2,2Mohms 1/4W
1 potenciómetro estéreo (o mono) 10K logarítmico
4 capacitores cerámicos no polarizados de 100nF
2 capacitores cerámicos no polarizados de 2,2uF
1 capacitor electrolítico de 470uF 25V
1 led amarillo con diámetro de 3mm
2 led azules de alta luminosidad con diámetro de 5mm
1 válvula 12AU7 (o ECC82) con zócalo para circuito impreso
1 válvula 12K5 con zócalo para circuito impreso
1 fuente regulada de 12V 2A
1 transformador 220V a 12V + 12V y 60VA
2 conectores con bornes de 2 vías (alimentación y salida transformador)
1 conector con bornes de 3 vías (entrada audio)
1 circuito impreso
2 conectores audio RCA o 1 minijack 3,5mm

Zócalos de las dos válvulas usadas (12AU7 / ECC82 y 12K5).
Zócalos de las dos válvulas usadas (12AU7 / ECC82 y 12K5).

Un toque de clase

Los led azules que iluminan internamente las válvulas son muy sugestivos. Para obtener este efectos es necesario modificar los zócalos de la válvulas eliminando la pata central (que no se usa). Después es necesario hacer los orificios en el circuito impreso donde van los zòcalos de las vàlvulas con dìametros mayores de 5mm (6mm puede andar bien) y por último soldar los leds como se ve en la fotografía. Como pueden observar he ya previsto los contactos de los leds en el impreso con las respectivas resistencias.

Detalle de montaje de los led azules que iluminan las válvulas.
Detalle de montaje de los led azules que iluminan las válvulas.

Circuito impreso y montaje

Al final del artículo encontrarán para bajar el diseño del circuito impreso en PDF, listo para imprimir y también el diseño fuente hecho con el programa KiCad (gratis y open source) del cual ya hemos hablado muchas veces en Inventable.

Vista pictórica de la plaqueta montada.
Vista pictórica de la plaqueta montada.

Tanto en el PDF como en el diseño fuente hay dos versiones del circuito impreso, una de ellas incorpora el interruptor de encendido, el potenciómetro y el conector minijack directamente en la plaqueta mientras que la otra está pensada para montar estos componentes externamente como pueden observar en el siguiente diseño.

Diagrama de conexiones del amplificador con entrada estéreo.
Diagrama de conexiones del amplificador con entrada estéreo.

Aunque si en mi caso he montado la versión con todos los componentes incorporados como se ve en las fotografías del prototipo, es mejor la otra porque pueden usar cualquier tipo de conectores, interruptores y potenciómetro

¿Entrada mono o estéreo?

Como ya mencionado anteriormente este amplificador es mono pero si nuestra fuente es estéreo, para no perder sonidos del otro canal, he previsto una especie de mezclador de entrada compuesto simplemente por dos resistencias de 100K que se unen en la grilla de la primera válvula. Por este motivo, las entradas audio y el potenciómetro para la regulación del volumen que pueden ver en los diseños son estéreo. Si prefieren usar un solo conector mono de entrada y un potenciómetro simple, pueden hacerlo sin problemas dejando desconectada la otra entrada como indicado en el diseño siguiente:

Diagrama de conexiones del amplificador con entrada mono.
Diagrama de conexiones del amplificador con entrada mono.

Bueno, para terminar les muestro otra foto nocturna en mi estudio con el amplificador encendido, escuchando buena música jazz. Hasta la próxima!!

Gabriel

Fotografía nocturna del amplificador con válvulas.
Fotografía nocturna del amplificador con válvulas.

 

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Circuito impreso PDF y fuente en KiCad (172)

Datasheet válvula 12K5 (90)

 

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17 pensamientos en “Mini Amplificador valvular”

  1. Gabriel, mis felicitaciones, te ha quedado realmente muy bien.
    Había visto un adelanto que hiciste en facebook y ya me había gustado, pero ahora con todos los detalles me parece espectacular.

    Gracias Héctor, quedó lindo!!
    Gabriel

  2. Hola,
    como siempre proyectos mas que interesantes y mas si nos gusta experimentar con valvulas, gracias pòr eso.
    Como siempre mis preguntas, aca no esta facil conseguir tranformadores toroidales, se puede tratar de hace uno especifico. he hecho algunos.
    La potencia de salida es para este circuito de 1W?

    Hola Jorge, no es un tema que conozco mucho, a mi también me gustaría poder construir uno específico. Para empezar tendría que encontrar un lugar donde se vendan los materiales y actualmente no sabría donde buscar. Respecto a la potencia de este amplificador es más o menos 1/4W.

    1. hola a ambos , primero felicitaciones trajistea la forma moderna un ampli hermoso, y ahora q se esta usando otra vez calentar filamentos, =), yo estoy buscando un bobinador que me haga los trabajos, y rspecto a la potencia hay una valvula la EL·$ (6BQ5) usada en valvulares de tv, en audio y vertical que daba 5 watts seguro sobre 8 ohms , y muy lindo , buscando hay datos, en tu circuito habria q ver si el trafo tolera la corriente y la excitacion de la grilla no lo sature, es prueba y error, yo sigo buscando quien me haga las bobinas de salida , el alma del ampli, , qdemos en contacto, estoy en FB x mi nombre , saludos!

  3. EXCELENTE!!!! REALMENTE ADMIRO TU TRABAJO, ya lo hare con mi padre que el sabe de valvulas y esto le traera muy buenos recuerdos!! segui asi !!!!!

    Gracias Nelson por tus palabras, espero que tu padre reflote sus recuerdos y que te transmita el entusiasmo de esos tiempos 🙂

  4. Hola amigos.Para aquellos que no pueden conseguir el transformador,os digo que se puede hacer.Hay una formula matematica academica y una empirica.Aqui tieneis la empirica(ojo,es valable solo para 50 herzios):el numero de roscas para 1 voltio es 50(es una constante empirica,no tiene nada que ver con la frecvencia) dividida con la S(donde S es la superficie del hueso,en centimetros cuadrados).S se calcula extaiendo raiz cuadrado del la potencia del transformador.Por ejemplo,un transformador de 100 W tendra un hueso de 10 cm cuadrados,uno de 9 W de 3cm cuadrados,etc.El numero de roscas para primario se calcula multiplicando el numero de roscos para 1v por 220.El numero de roscas para secundario se determina multiplicando el numero de roscas para 1v por 1,05 por la tension secundaria.Para determinar el diametro del hilo(de cobre) hay que saber primero el coriente que circula por el hilo.El coriente es la potencia dividida por la tension.El coriente se apunta en amperios.El diametro del hilo es 0,7multiplicado por raiz cuadrado del I(el coriente) y es en mm.Por ejemplo.un hilo que tiene que aguantar 1 amperio tendra un diametro de 0,7mm.-0,7 multiplicado por raiz cuadrado de 1(que significa 1) es igual con 0,7.Os deseo exito.
    PS-Gabriel,gracias para traherme bonitos recuerdos con ese trabajo que hicistes.Mis sinceras felicidades.

  5. Una maravilla de proyecto, que seguro suena de lujo para nuestros oídos. Has pensado alguna vez en venderlo ? Seguro que muchos de nosotros estaríamos interesados en comprarlo. Un saludo y buenos días.

    Hola Patricio, te agradezco por tus palabras pero este amplificador es más bien un experimento. El sonido es sin dudas valvular pero el nivel de distorsión es alto y la potencia muy baja. En el futuro me aventuraré en proyectos más sofisticados.

  6. Muy bueno, Gabriel.
    La verdad es que lo de utilizar alta tensión siempre echa para atrás a la hora de intentar algún diseño con válvulas, pero con éstas que funcionan a 12V es todo mucho más sencillo y seguro.
    Saludos.

    Así es Harry, aunque si me doy cuenta que tarde o temprano tendré que aventurarme más allá de los 12V 😯

  7. Muy bueno yo estoy reparando una radio de hogar valvular y trabaja con 12 v valvulas similares a tu circuito como soy loco x las valvulas y la potencia tengo hechos para mi ampli con 4 el34 o 6L6 unos 100 watts de salida pero ojo con las tensiones ja Saludos y a tu disposición

  8. ¡Qué prolijidad! ¡Felicitaciones!

    Lástima el socotroco que quedó al lado 🙂 jeje
    ¿No te entra en el baffle?

    Un abrazo,
    Juan

  9. Si podrias suplir el toroidal Jesus con uno normal de alimentación adecuado ,
    Uno de 220v para el primario y 24v voltios para el secundario y 2 amperios y 8 ohmios te valdria utilizandolo como trafo de salida o audio no como trafo de red claro y quizás podrias ajustar mas impedancia, aun con otro secundarios de mas o menos de V . con otro de doce tambien te va a servir ademas puedes jugar con 4/8 o 16 ohmios del cono
    Pero ese te sirve.

    1. Con +B a 12v queria decir y sin trafo claro con una 12k5 y altavoz de 800 ohmios, de este hay muestras de sonido con guitarra en esa pagina.

      Además los altavoces de 800 ohmios dan un rendimiento enorme, mas de 96 db tremendos graves con solo seis pulgadas, si no encuentras te fabricas la bobina para un 12″ y listo

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