¿Realmente las válvulas suenan mejor? – Parte 2

En la primera parte de este articulo hemos visto la evolución de los amplificadores de válvulas y transistores hasta el día de hoy. Así mismo hemos hablado de la distorsión armónica y hemos visto las propiedades físicas de la válvula y el transistor. Estas propiedades son la clave para entender por que las válvulas (o mejor dicho, los circuitos a válvulas) suenan mejor a nuestros oídos. En esta segunda parte vamos a ver punto por punto como la linealidad, la estabilidad en temperatura, el rango de operación, la impedancia, y todas las propiedades vistas afectan en el diseño final. Con esto entenderemos objetivamente por que las válvulas suenan mejor.      

La realimentación negativa

Hemos visto como la la mala linealidad de los transistores conduce a altas distorsiones armónicas. Una solución para reducirla es la utilización de realimentaciones negativas. Por otro lado la mala estabilidad frente a la temperatura de los transistores fomenta el uso de amplificadores de potencia de clase B y AB. Estos son mas eficientes pero tienen el problema colateral de la distorsión de cruce por cero (crossover distortion). Esta distorsión se resuelve (o mas bien se oculta) al incrementar aun mas las tasas de realimentación.

  Por otra parte tenemos los amplificadores operacionales utilizados en la sección del preamplificador. Estos tienen una distorsión en bucle abierto que puede llegar al 70%. Una vez mas la realimentación negativa soluciona el problema. Los amplificadores de válvulas, sin embargo, son mas moderados en el uso de realimentaciones. Un factor limitante de ello es transformador de salida. No es posible utilizar mas de un 20% de realimentación sin observar efectos de «motorboating» (inestabilidad en bajas frecuencia) en la etapa de potencia. En el caso de los amplificadores de válvulas es típico el uso de los amplificadores en clase A. Estos carecen de distorsión de cruce por cero. El calor extra generado en este régimen de funcionamiento no afecta a la estabilidad de las válvulas como sucede en los transistores. Tampoco suelen ser necesarias medidas adicionales para evacuar el calor. Un tipo de amplificador de clase A muy utilizado en equipos de alta fidelidad es el SET (Single-Ended Triode). Este es uno de los preferidos de los audiófilos por la siguientes razones:

• El triodo es la válvula mas lineal jamás fabricada. Especialmente los de caldeo directo, como los clásicos 300B de Western Electric
• La operación es en pura clase A
• La distorsión de cruce por cero no existe
• A consecuencia de los anteriores puntos, la realimentación es mínima o innecesaria

 

Distorsión por intermodulación transitoria (TIM distortion)

Cualquier componente electrónico tiene una velocidad limitada de respuesta. Cuando se introduce una señal eléctrica en un circuito, a la salida se observa un retraso de la misma. Si esta señal se vuelve a realimentar a la entrada se observa que las señales no coinciden. Esto crea una distorsión de intermodulación transitoria (Trasient Intermodulation Distortion, TIM) compuesta por armónicos de orden elevado. El problema empeora al encadenar etapas realimentadas y al incluir una realimentación global. Por supuesto la distorsión armónica (THD) disminuye, pero por contra se incrementan los armónicos de alto orden. Los armónicos de orden bajo (2º y 3º), son dificilmente perceptibles. No obstante se ha visto como el segundo armónico añade riqueza y calidez a la música. El tercero es a menudo mal visto por ser un armónico impar. Sin embargo también es un armónico muy presente en la naturaleza. Al igual que el segundo añade riqueza y espacialidad a la música, aunque en menor medida. Para comprenderlo no hay mas que acudir a la teoría musical: el tercer armónico es el quinto grado (dominante) de la frecuencia fundamental. Sin ir mas lejos hay instrumentos musicales que tienen al 3º como su armónico de mayor relevancia, como el clarinete o la flauta. Los sistemas de cinta magnética producen una cantidad de distorsión del 3º armónico muy superior al del 2º, y nadie diría que suenan mal. Sin embargo la percepción va empeorando a medida que aumentamos el orden de los armónicos. Esto es especialmente problemático en los armónicos impares a partir del 7º. Volviendo a la teoría musical, el 7º sería una séptima mayor, el 9º una segunda mayor y el 11º una cuarta aumentada. Estas notas quedarían desafinadas con la fundamental. En general todos los armónicos de orden elevado tienen una repercusión en nuestra percepción mucho mayor que los de orden bajo. Incluso estando atenuados en muchas ordenes de magnitud. Estos añaden ruido y confusión en la mezcla, enmascaran los detalles y aumentan la fatiga auditiva. Los amplificadores de válvulas, además de tener tasas de realimentación mas reducidas, también tienen una respuesta mas rápida que los de transistores. Esto se debe a las buenas características de slew-rate o propagación de la señal en las válvulas. Como consecuencia distorsión TIM se ve todavía mas reducida. En conclusión, vemos como los amplificadores de transistores tienen tasas mas bajas de THD (armónicos de orden bajo) pero un gran contenido en armónicos de orden superior. Esto tiene un gran impacto en la percepción subjetiva. El sonido se vuelve estéril, borroso y a la larga aumenta la fatiga. Por su puesto no hay que ser dogmático ni generalizar con esto. Hay amplificadores de transistores de alta gama que tienen muy en cuenta todo esto. Se ha avanzado mucho en el diseño consiguiéndose especificaciones muy parecidas a las válvulas, además de una mayor potencia y mejor respuesta en graves. Sin embargo en gamas mas modestas se siguen viendo todos estos problemas y sin duda la diferencia en el sonido es muy notable.    

El efecto de los condensadores

A la hora de acoplar una etapa preamplificadora con la siguiente lo mas común es la utilización de condensadores. Estos permiten eliminar la componente continua de tensión de la etapa predecesora. De este modo la siguiente etapa recibe la señal de audio sin polarización alguna. Una de las características que vimos en los transistores es su baja impedancia de salida. Esto lleva a la utilización de condensadores de altas capacidades, a menudo electrolíticos por sus altas capacidades disponibles. Por ello es muy común ver placas de transistores inundadas de estos condensadores. Los electrolíticos tienen una respuesta pobre en altas frecuencias y todavía peor en bajas frecuencias por el efecto de la Absorción Dieléctrica. La AD produce un efecto memoria en estos condensadores. Esto provoca un cierto ciclo de histéresis cuando se hacen pasar por él bajas frecuencias. Como consecuencia se genera una distorsión armónica (THD) en estas frecuencias. Las válvulas por el contrario poseen una alta impedancia. Por ello rara vez se ven condensadores de desacoplo con capacidades superiores a los 470nF. Para ello se utilizan condensadores de película (film) como los de poliéster, polipropileno, teflón, policarbonato o los antiguos de papel-aceite. Este tipo de condensadores tiene una absorción dieléctrica muy reducida y tienen mucha menor coloración que los electrolíticos.    

La alta tensión de los amplificadores de válvulas

Otra característica derivada de la alta impedancia de las válvulas es la necesidad de trabajar a tensiones elevadas. Esta gran tensión de operación permite un amplio rango de señal. La onda de sonido puede ir desde unos pocos milivoltios hasta decenas de voltios sin saturarse. Esto se traduce en un rango dinámico mayor.    

Recorte asimétrico y generación de armónicos pares

Además de aumentar la dinámica, en el punto de saturación el recorte es mas suave que los dispositivos de estado sólido. A parte del recorte mas abrupto del transistor, la realimentación negativa tiende a cuadrar la onda. Esto a su vez fomenta la aparición de armónicos impares. La válvula sin embargo, cuando se lleva a saturación suave tiende a recortar solo un semiciclo de la onda. Esta distorsión asimétrica está compuesta en su mayor parte por armónicos pares. En la gráfica de la distorsión armónica que vimos en la primera entrega del articulo podemos observar como el segundo armónico (par) corresponde con una onda asimétrica, mientras que en el tercero la onda es totalmente simétrica. Si fuésemos mas allá e hiciésemos esta onda totalmente cuadrada (recorte agresivo), estaría compuesta por todos los armónicos impares hasta el infinito (3º, 5º, 7º, […], ∞º). En alta fidelidad los diseños siempre evitan llegar a este punto de saturación. Sin embargo esta característica de recorte es especialmente deseado en amplificadores de guitarra. Es este recorte asimétrico cargado de armónicos pares el que otorga calor y cremosidad a los amplificadores valvulares. El recorte simétrico, mas propio de amplificadores de estado sólido tiende proporcionar sonidos mas metálicos y afilados.    

La importancia del transformador de salida

Una de las diferencias de los amplificadores de válvulas de los de transistores es el transformador de salida. Para adaptar la alta impedancia de las válvulas a la baja impedancia del altavoz es necesario un transformador. Los amplificadores de transistores carecen de él. Este transformador de salida es uno de los elementos que genera mas cantidad de distorsión en el amplificador. Esta es principalmente de carácter armónico de bajo orden (2º y 3º armónico), con una rápida caída en armónicos superiores. Para muchos audiófilos que buscan la mínima distorsión y coloración puede ser un inconveniente frente a los transistores. Para otros tantos el transformador añade un color propio de los amplificadores de válvulas y le añade riqueza armónica. Sin embargo donde mayor impacto positivo tiene es sin duda es en los amplificadores de guitarra. No hay nada mas natural y redondo que una etapa de potencia de un amplificador de guitarra en overdrive. El transformador es un contribuyente vital en la distorsión de la etapa de potencia. Sin embargo hay una creencia popular de que estas bondades vienen de la saturación del transformador. Esto es completamente erroneo. Un transformador pequeño efectivamente entrará en saturación magnética si se le hace trabajar por encima de sus limites, pero esto no causará una distorsión agradable precisamente. Cuando el flujo magnético alcanza su límite, se limita el ancho de banda del transformador y se empobrece la respuesta general. Para hacernos una idea, la saturación de un transformador sería el equivalente a bajar el potenciómetro de graves a cero y echarle una gran manta por encima al altavoz. Para no llegar a este punto es importante utilizar transformadores con la suficiente cantidad de hierro. ¡En el caso de los transformadores de salida, el tamaño importa! Entonces, ¿De donde proviene la distorsión tan deseada en estos transformadores?. La pregunta tiene trampa, por que realmente no proviene del transformador. Al menos una parte significativa. Gran parte del overdrive es creado de la interacción del transformador con la válvulas de potencia. La frecuencia cambiante del sonido provoca una impedancia cambiante en el trasformador. Esta impedancia es vista por las válvulas alterando su corriente de placa. Como consecuencia se puede observar un aumento de la distorsión armónica a medida que se hace trabajar al transformador con señales de mayor amplitud. Esta distorsión de interacción le da calor al sonido y es difícil de emular en el preamplificador. De ahí la gran importancia de elegir un buen transformador.    

La fuente de alimentación

Por último hay que destacar en el impacto de la fuente de alimentación en los amplificadores 100% valvulares. Es decir los amplificadores que cuentan con válvula rectificadora en la fuente de alimentación. La función de esta válvula es convertir la corriente alterna procedente del transformador de alimentación en corriente continua, que es la corriente a la que trabajará el amplificador. En los diseños de estado sólido, esta válvula se sustituye por diodos rectificadores infinitamente mas pequeños, baratos, rápidos y estables. Las fuentes de estado sólido están mucho mejor reguladas y proporcionan grandes picos de corriente sin inmutarse. Los inconvenientes de las rectificadoras a válvulas son, una vez mas, bien vistas por los guitarristas. La gran impedancia interna de estas válvulas provoca una caída de tensión cambiante con las demandas de corriente. Es decir, ante un ataque fuerte de las cuerdas, la tensión de la fuente de alimentación caerá. ¿Como afecta esto al sonido?. Tras la caída de tensión, y conforme se va apagando el sonido de la nota, la tensión de la fuente se va restableciendo. Este aumento provoca a su vez un incremento de la ganancia del amplificador, y por lo tanto del volumen. Como consecuencia la nota se mantiene durante mas tiempo. Es decir, acabamos de incrementar el sustain. Podemos decir que la válvula rectificadora tiene el efecto de un pedal compresor natural.    

Conclusiones

En estos artículos he intentado explicar lo que para mi son los puntos mas importantes que marcan la diferencia entre las válvulas y los transistores. El sonido que produce cada amplificador es muy subjetivo. Se tiende a generalizar en que las válvulas siempre son superiores. Sin embargo muchas veces se puede caer es sugestiones y sesgos. Por ello he intentado dar una respuesta desde un punto de vista lo mas objetivo posible. Espero haber podido resolver muchas dudas. No obstante cualquier consulta será bien recibida en los comentarios.