¿Realmente las válvulas suenan mejor? – Parte 1

Se ha hablado mucho sobre la superioridad de los amplificadores de válvulas, muchos dirían que hay algo mágico en el sonido que obtienen. Los propietarios de estos amplificadores destacan sus sonidos vivos y presentes, matices de gran detalle y sobre todo una calidez y musicalidad que no se encuentran en los equipos de transistores. Es curioso como una tecnología pionera a principios del siglo pasado pueda desbancar para muchos a los modernos equipos transistorizados. Pero… ¿Realmente suenan mejor las válvulas?, ¿Cuánto de mito hay en esto?, Y en tal caso, ¿Cómo es posible que no se haya podido superar esa calidad con transistores?, ¿Merece la pena un amplificador de válvulas?.

En los siguientes artículos intentaré dar respuesta a estas preguntas. Para ello, es interesante empezar con un poco de historia para entrar en contexto. ¡Vamos a ello!

Amplificadores de válvulas: ¿Cómo empezó todo?

La amplificación electrónica del sonido surgió en los años 20′. Antes de esto la única forma de reproducir sonidos grabados era mediante sistemas mecánicos, como el fonógrafo o el gramófono, en los cuales el sonido se captaba mediante la vibración de una aguja a través de un surco y se «amplificaba» por medio de una trompeta de gran tamaño.

El desarrollo de las primeras válvulas triodo se dio bajo la necesidad de mejorar la transmisión de radio a larga distancia durante la primera guerra mundial. La impulsora de todo este avance tecnológico fue Radio Corporation of America (RCA), la cual se haría con la mayoría de las patentes en cuanto a válvulas durante las siguientes dos décadas.

Durante los años 20′ la síntesis de todos estos descubrimientos causó una rápida expansión de la radiocomunicación, así como de los sistemas de megafonía y Public Address (PA). Además empezaron a aparecer los primeros receptores de radio a válvulas domésticos alimentados por baterías. Estas radios estaban construidas con válvulas triodo de calentamiento directo (de las que mas tarde hablaremos) y estaban reservadas a unas pocas clases sociales por su elevado precio. La gente con menor poder adquisitivo se tenía que conformar con las antiguas radios de galena de bajo coste. En estos receptores la energía utilizada para producir el sonido procedía de la propia onda de radiofrecuencia.

Fue durante los años 30 cuando los ingenieros empezaron a tomarse realmente en serio la calidad del audio. Esto fue principalmente incentivado por el auge de la industria del cine sonoro y la aparición de la radio FM.

La potencia también empezó a ser un factor clave. Un punto de inflexión importante fue la invención de las válvulas pentodo. Estas resolvieron el gran problema de la «emisión secundaria del ánodo» de los triodos y tetrodos de potencia utilizados hasta la fecha. Esto se traducía en una mayor eficiencia y potencia. En esta década se introdujeron los archiconocidos pentodos KT66 y 6L6, que hoy en día seguimos viendo en gran cantidad de amplificadores de guitarra.

En las siguientes décadas la tendencia de los amplificadores de audio fue la reducción cada vez mayor de la distorsión armónica (THD). Se llevó a cabo con etapas de potencia de pentodos o tetrodos de haz dirigido, con cada vez mas altas realimentaciones negativas para estabilizar y «limpiar» el sonido. El máximo exponente de esta moda de la realimentación y la potencia fue el amplificador Williamson, que montaba en la etapa de potencia válvulas KT66 en conexión triodo, obteniendo un THD nunca antes visto inferior al 0,1%. Otras versiones fueron equipadas con 6L6, con las que se obtenía algo menos de potencia.

En los años 50′ y 60′ la rápida expansión de la radio FM, la televisión y la popularización de los discos de vinilo de microsurco de 33 rpm y 45 rpm, dio el impulso definitivo a la industria de la alta fidelidad. El sonido domestico se democratizó, los altavoces redujeron en gran medida su tamaño, y esto, a su vez fue contrarrestado por el incremento de la potencia de los equipos. Los diseños Willianson de 6L6 y KT66 que no llegaban a los 20W fueron sustituidos for diseños ultralineales de las recientemente surgidas válvulas EL34 y KT88, duplicando la potencia.

De forma paralela, estaba creciendo otra gran industria que tendría a la válvula como elemento clave hasta nuestro días: la guitarra eléctrica. Los primeros amplificadores de guitarra eran equipos de reducida potencia. Montaban transformadores ajustados e ineficientes altavoces de AlNiCo. Precisamente esta precariedad en sus especificaciones fue la desencadenante de un nuevo sonido, un nuevo estilo musical y movimiento juvenil conocido como Rock n’ Roll. Estos amplificadores generalmente eran tocados al límite de sus capacidades, generando gran cantidad de distorsión. Esto, lejos de ser un problema, fue bien aceptado por los músicos y de forma prácticamente accidental surgió el sonido crudo y pesado que definirían este estilo musical.

El declive de las válvulas

A finales de la década de los 60′ comenzaron a comercializarse los primeros amplificadores de transistores. Esta nueva tecnología permitía reducir en gran medida el peso y tamaño de los antiguos amplificadores de válvulas, así como el consumo eléctrico y el precio. Se consiguió eliminar el transformador de salida de los amplificadores a válvulas gracias a la baja impedancia de los transistores, lo cual permitía su conexión directa con el altavoz. Se popularizaron los equipos portátiles a pilas y se masificó la venta de equipos de sonido y audiovisuales. Muchos de estos equipos venían de Japón, por empresas tan conocidas hoy en día como Sony, Pioneer o Kenwood.

Este fue el momento en el que comenzó la decadencia de los dispositivos a válvulas.

La guitarra eléctrica, sin embargo, puedo resistir el envite en mayor medida por la gran adopción de los músicos, que no eran capaces de encontrar el mismo sonido en los nuevos diseños transistorizados. En este caso, los amplificadores de guitarra de transistores y los de válvulas han podido convivir hasta nuestros días, adaptándose cada uno a las demandas y presupuestos de cada músico.

Con todo lo expuesto, la evolución del sonido doméstico y profesional hacia el transistor ha sido obvia y razonable. La reducción de costes, la portabilidad, la eficiencia, la potencia e incluso la enorme reducción de la distorsión armónica se ha visto favorecida por el surgimiento y adopción del transistor. Al día de hoy, el peor de los amplificadores low cost transistorizado, mejora con creces las tasas de THD del mejor de los amplificadores válvulares de triodo de caldeo directo, considerado por muchos el buque insignia del Hi End.

Entonces, ¿que por que seguimos hablando de válvulas?

En la década de los 80 casi nadie se podía plantear un regreso a las válvulas de vacío. Era una tecnología vieja y obsoleta. A poca gente se le ocurriría la descabellada idea de adquirir un antiguo amplificador de válvulas para escuchar «alta fidelidad» en casa. Se había demostrado con datos y gráficas su baja eficiencia y altas tasas de distorsión armónica. En aquella época las revistas de Hi-Fi solo hablaban del siguiente modelo de amplificador que iba alcanzar el 0.001% de THD. Pero, ¿realmente hay alguien que pueda percibir estas tasas ínfimas de distorsión?.

A finales de la década empezaron a surgir un pequeño nicho de audiófilos que se saldrían del camino establecido y desempolvarían los antiguos amplificadores de los años 50′ para ponerlos a competir con los modernos transitorizados. Realmente se vio que estos amplificadores tenían algo distinto: una mayor espacialidad, una naturalidad y un realismo que nadie recordaba. ¿como era posible?, ¿a caso todos los ingenieros de la época se estaban equivocando?, ¿donde estaba el secreto?, ¿como se podía medir?.

Midiendo la musicalidad

Uno de los grandes retos es comprender los mecanismos de la psico-acústica: Nuestros oídos captan un sonido, este es transformado en impulsos nerviosos que viajan al cerebro el cual los decodifica e interpreta. Es muy curioso como este puede percibir ciertos matices dificilmente medibles mediante la instrumentación y sin embargo pasar por alto otros tan evidentes. ¿Cómo es posible?. Quizás haya que retroceder y plantearnos como y para qué ha a evolucionado nuestro sistema oído-cerebro. La escucha de sonidos reproducidos electricamente es algo nuevo en nuestra evolución como especie. Hemos evolucionado para percibir sonidos de nuestro entorno, sin procesar, en vivo y en directo. Por alguna razón los sonidos emitidos por amplificadores a transistores se perciben como fríos y procesados, y los de válvulas vivos y naturales a pesar de su distorsión armónica. Pero, ¿En que consiste exactamente esta distorsión?.

La distorsión armónica (o THD), es la deformación de una onda de sonido (que llamaremos frecuencia fundamental) debido a la incorporación de múltiplos de esta frecuencia. Si ponemos el ejemplo sencillo de 1kHz, el primer armónico correspondería con la frecuencia fundamental (1kHz), el segundo armónico sería 2 kHz, el tercero 3 kHz y así consecutivamente.

De la misma forma que la onda se deforma añadiendo armónicos, también la podemos reconstruir restándolos, y esto es algo que a nuestro cerebro se le da muy bien. ¡Puede incluso llegar a reconstruir una frecuencia fundamental completamente inexistente! Este caso de reconstrución extremo lo vemos a diario en las conversaciones telefónicas. El tono fundamental de una voz humana esta comprendido entre los 100Hz y los 300Hz. Sin embargo, debido a sus limitaciones, un teléfono no puede reproducir nada por debajo de los 300Hz, Esto no nos impide reconocer una voz e identificar su timbre a la perfección. Nuestros sistema auditivo ha evolucionado para crear «atajos» que faciliten nuestra comunicación. La THD es una distorsión presente en la naturaleza que es familiar para nosotros y tenemos mecanismos de reconstrucción suficientemente precisos. Por ello un amplificador con una relativamente alta THD puede sonarnos como la vida misma, sin perdida de información. Sin embargo, ¿por que los amplificadores transistorizados no suenan igual de naturales?. En este caso debemos de buscar la respuesta en otro tipo de distorsiones menos perceptibles por la instrumentación, que a diferencia del THD si que eliminan información dificilmente recuperable.

Válvulas VS transistores: propiedades físicas

Para poder comprender por que los amplificadores de válvulas suenan mejor a nuestros oídos, lo primero tenemos que remitirnos a las propiedades intrínsecas de ambos componentes. Hay que tener claro que una válvula no suena mejor que un transistor de forma aislada: el sonido no cambia mágicamente al pasar por la válvula, ni le añade calidad ni «mojo», ni nada parecido. Es el conjunto (el circuito electrónico), el que va a determinar el sonido.

La propiedad mas importante de todas es lo que llamamos linealidad. Esta es la capacidad de amplificar una onda sin deformarla.

En la gráfica se puede ver la región típica de polarización de un transistor o válvula. En el diseño del circuito se debe polarizar el componente en su zona mas lineal posible, sin embargo no hay componentes perfectamente lineales y el resultado se puede apreciar en la gráfica: el semiciclo negativo de la onda de salida tiene una amplitud ligeramente inferior que la onda de salida. Esto introduce en la señal distorsiones armónicas (THD) principalmente de segundo orden. Las válvulas superan en linealidad a cualquier transistor bipolar o FET. Hasta la fecha no se ha inventado un componente mas lineal que una válvula de vacío. Esta linealidad destaca especialmente en los triodos, y si hilamos fino los de caldeo directo son los que se llevan el premio. Como veremos esto tiene grandes repercusiones en el diseño.

Otro rasgo distintivo de las válvulas es su alta tensión y rango de operación. Esto por un lado es una ventaja en cuanto a fiabilidad, ya que puede soportar grandes picos de tensión sin destruirse, y por otro lado permite un mayor rango dinámico en el manejo de la señal. De esta forma puede amplificar desde el detalle mas sutil a la señal mas intensa sin salirse de su rango lineal y por lo tanto sin añadir distorsión. Además otra características es que al rebasar este rango el recorte de la señal es mas suave que el del transistor. Este último al tener un recorte (o clipping) mas abrupto introduce en mayor medida armónicos de tercer orden menos deseados.

Por otro lado hay que remarcar su mayor impedancia de salida respecto al transistor. Esto es un arma de doble filo, por un lado implica tener que utilizar transformadores para adaptar la impedancia de las válvulas de salida a la baja impedancia del altavoz, pero por otro lado permite el uso de condensadores de desacoplo de valores mas pequeños en el preamplificador, lo cual, como veremos mas adelante es otro factor que afectará al sonido.

Otra característica relevante de la válvula es su gran estabilidad frente al calor. Los transistores tienen grandes desviaciones en función de la temperatura, lo cual se corrige en gran medida con diseños complejos y realimentaciones. Esto conlleva los efectos nocivos que veremos en el siguiente apartado.

Se podrían nombrar mas factores físicos que pueden alterar en cierto modo el sonido final como el efecto Miller, el retraso de la señal, o la peor inmunidad a la radiofrecuencia de los transistores. Pero nos centraremos en los anteriores por tener un mayor efecto.

La clave de todo: La realimentación negativa

Como hemos visto, los transistores tienen una menor linealidad en su operación, lo cual se traduce en altas distorsiones armónicas de orden bajo, principalmente del 2º armónico. Esto es un verdadero problema cuando hay que encadenar varias etapas de estos transistores, especialmente si vamos a utilizar amplificadores operacionales (circuitos integrados compuestos normalmente de varias decenas de transistores miniaturizados en chips) con altísimas ganancias y alinealidades. En estos casos se hace obligatorio el uso de lazos de realimentación negativa, o en ingles Negative Feedback Loop (NFL).

La realimentación negativa consiste en extraer parte de la señal de la salida de un amplificador e inyectarla a la entrada en contrafase para producir una resta de la señal. De la misma forma se pueden hacer NFL locales, es decir dentro de cada una de las etapas de las que se compone el amplificador.

La realimentación asegura una respuesta completamente plana, con distorsiones THD ultramínimas, con una ganancia constante y con una mayor independencia de la temperatura. ¡problema resuelto!. Pero no queda ahí la cosa. Gracias a la realimentación es posible estabilizar etapas push-pull de gran potencia, de una forma altamente eficiente, barata y con distorsiones THD bajísimas. Estos beneficios de la realimentación ya se comenzaron a utilizar en los años 50 con los diseños de pentodos en push-pull (recordemos el circuito Williamson), para conseguir potencias y tasas de THD imposibles de conseguir con las anteriores etapas de potencia de triodo. Las válvulas pentodo y tetrodo, aunque mejoran en linealidad a los transistores, están por detrás de los triodos y es común encontrarlos en etapas realimentadas, aunque con realimentaciones mas moderadas que en las etapas transistorizadas.

La tendencia de la industria a ido hacia la reducción del THD a costa de altas realimentaciones, pero detrás de todas estas ventajas hay un problema oculto, y precisamente aquí damos con LA MAYOR DE LAS CLAVES. Hasta ahora parecían maravillosas todas las bondades de los circuitos transistorizados realimentados, pero esto tiene un efecto colateral que durante mucho tiempo pasó desapercibido (o no se le quiso prestar atención), algo mucho mas difícil de medir que el THD y que la mayoría de fabricantes ocultan en las hojas de especificaciones técnicas. Estamos hablando de la distorsión por intermodulación transitoria «TIM». En la segunda parte de este articulo veremos en que consiste y por que es tan importante. No os lo perdáis por que esto se pone interesante…