El amplificador Williamson es un amplificador de potencia de audio de válvula de salida de triodo de clase A de cuatro etapas , push-pull , diseñado por DTN Williamson durante la Segunda Guerra Mundial . El circuito original, publicado en 1947 y dirigido a la comunidad hágalo usted mismo de todo el mundo , estableció el estándar de reproducción de sonido de alta fidelidad y sirvió como punto de referencia o diseño de amplificador de referencia a lo largo de la década de 1950. El circuito original fue copiado por cientos de miles de aficionados en todo el mundo. [1] Era un favorito absoluto en la escena del bricolaje de la década de 1950 y, a principios de la década, también dominaba los mercados británico y norteamericano de amplificadores ensamblados en fábrica.
El circuito Williamson se basó en el Amplificador Wireless World Quality de 1934 de Walter Cocking , con una etapa de amplificador de error adicional y un circuito de retroalimentación negativa global . La retroalimentación profunda, los tetrodos de potencia KT66 conectados a triodos , la elección conservadora de corrientes estacionarias y el uso de un transformador de salida de ancho de banda amplio contribuyeron al rendimiento del Williamson. Tenía una modesta potencia de salida de15 Watts [a] pero superó todos los diseños contemporáneos en tener una distorsión e intermodulación armónica muy baja , una respuesta de frecuencia plana en todo el rango de frecuencia audible y una amortiguación efectiva de las resonancias de los altavoces . La cifra de distorsión del 0,1% del amplificador Williamson se convirtió en el criterio de rendimiento de alta fidelidad [2] [3] que sigue siendo válido en el siglo XXI. [4]
El amplificador Williamson era sensible a la selección y combinación de componentes pasivos y válvulas, y propenso a oscilaciones no deseadas en frecuencias infrasónicas y ultrasónicas . Encerrar cuatro etapas de válvula y un transformador de salida en un circuito de retroalimentación negativa fue una prueba de diseño severa, lo que resultó en un margen de fase muy estrecho o, muy a menudo, sin margen en absoluto. Los intentos de mejorar la estabilidad del Williamson no pudieron corregir este defecto fundamental. Por esta razón, y debido a los altos costos de los componentes de calidad requeridos, los fabricantes pronto abandonaron el circuito Williamson en favor de diseños de salida de tres etapas, ultralineales o de pentodo inherentemente más estables, más baratos y eficientes.
Fondo
En 1925, Edward W. Kellogg publicó la primera teoría completa del diseño de amplificadores de potencia de audio. Kellogg propuso que el nivel permisible de distorsión armónica puede alcanzar el 5%, siempre que la distorsión aumente suavemente en lugar de abruptamente, y que genere solo armónicos de orden bajo. [6] El trabajo de Kellogg se convirtió en el estándar industrial de facto del período de entreguerras , cuando la mayoría de los amplificadores se empleaban en los cines . [6] Las primeras películas sonoras y los requisitos de megafonía eran escasos, y los clientes estaban contentos [b] con amplificadores de clase B , crudos pero eficientes y asequibles , acoplados por transformador . [6] Los mejores amplificadores de teatro, construidos por Western Electric en torno a sus triodos de potencia de 300A y 300B , superaron con creces el nivel medio, pero eran caros y raros. [6]
A mediados de la década de 1930, Western Electric y RCA mejoraron el rendimiento de sus equipos de audio experimentales a un nivel que se acercaba a la comprensión moderna de alta fidelidad , pero ninguno de estos sistemas pudo comercializarse todavía. [7] Carecían de fuentes de sonido de calidad equivalente. [7] Los líderes de la industria de la década de 1930 acordaron que la mejora de los amplificadores y altavoces comerciales tendría sentido solo después de la introducción de nuevos medios físicos que superen la transmisión de AM de baja calidad y los registros de shellac . [7] La Gran Depresión , la Segunda Guerra Mundial y el boom televisivo de la posguerra [c] retrasaron consecutivamente este objetivo. [7] El desarrollo de equipos de audio comerciales se detuvo; los pocos entusiastas que buscaban un mayor nivel de fidelidad tenían que hacerlo literalmente ellos mismos . Los aficionados al bricolaje estadounidenses experimentaron con nuevos tetrodos de haz . Los australianos preferían los circuitos tradicionales push-pull construidos alrededor de triodos calentados directamente y transformadores inter-etapas complejos y costosos . [9]
La escuela de pensamiento británica dirigida por Walter Cocking [d] de Wireless World se inclinó por etapas de salida de triodo acoplado a RC de clase A, de empuje y tracción. [6] [11] El acoplamiento RC, a diferencia del acoplamiento de transformador, argumentó Cocking, extendió el ancho de banda del amplificador más allá del mínimo requerido de 10 kHz y mejoró su respuesta transitoria . [6] Los tetrodos y pentodos eran indeseables debido a una mayor distorsión armónica y una mayor impedancia de salida que no logró controlar la resonancia fundamental del altavoz. [6] [12] Cocking escribió que el límite de distorsión del 5% de Kellogg era demasiado alto para una amplificación de calidad, y describió un conjunto diferente de requisitos: la primera definición de alta fidelidad . En lugar de la única figura de mérito de Kellogg (distorsión armónica), Cocking estableció tres objetivos simultáneos: distorsión de baja frecuencia, distorsión armónica baja y distorsión de fase baja. [6] [13] En 1934, Cocking publicó su primer diseño de amplificador de calidad : un amplificador de clase A triodo acoplado a RC de dos etapas que no alcanzaba más del 2-3% de distorsión máxima sin utilizar retroalimentación. [6] La retroalimentación apareció en su Amplificador de calidad en tiempo de guerra de 1943 , construido alrededor de tetrodos de haz de 6V6 estadounidenses ; sin embargo, tanto la etapa de entrada como el transformador de salida se colocaron fuera del circuito de retroalimentación. [14] La familia de amplificadores de calidad de Cocking se convirtió en la base de la industria de audio británica y australiana de la posguerra, incluido el amplificador Williamson. [6]
Desarrollo
En 1943, en medio de la Segunda Guerra Mundial , el escocés de veinte años Theo Williamson reprobó el examen de matemáticas y fue dado de alta de la Universidad de Edimburgo . [15] Theo no estaba físicamente apto para el servicio militar, [16] por lo que las autoridades lo reclutaron para el trabajo civil obligatorio en Marconi-Osram Valve . [1] En abril de 1944 Williamson pasó de la línea de producción al Laboratorio de Aplicaciones de la empresa, donde disponía de suficiente tiempo libre para sus propios proyectos de bricolaje. [1] La dirección no se opuso y, a finales de 1944, Williamson había concebido, construido y probado el amplificador que pronto se conocería como amplificador Williamson . [1] [17] Otro proyecto de guerra, un cartucho magnético novedoso , se comercializaría en 1948 como la pastilla de cinta Ferranti . [18]
Objetivos de diseño
Siguiendo las ideas de Cocking, Williamson ideó un conjunto de requisitos de fidelidad diferente y mucho más estricto:
- Distorsión no lineal insignificante (suma de la distorsión armónica y los productos de intermodulación ) hasta la salida nominal máxima, en todas las frecuencias audibles de 10 a 20000 Hz; [19]
- Respuesta de frecuencia lineal y potencia de salida constante en todas las frecuencias audibles; [19]
- Insignificante desplazamiento de fase dentro de la gama de frecuencias audible; [19]
- Buena respuesta transitoria que, además de los requisitos de frecuencia y fase anteriores, exige una ganancia perfectamente constante cuando se manejan formas de onda complejas y transitorios; [19]
- Impedancia de salida baja e, inversamente, factor de amortiguación alto . Como mínimo, la impedancia de salida de un amplificador debe ser menor que la impedancia del altavoz; [19]
- Potencia de salida de 15 a 20 W para la reproducción de música orquestal a través de un altavoz dinámico , o10 W para un altavoz de bocina . [20]
Williamson revisó las configuraciones de amplificadores contemporáneos y, al igual que Cocking, se decidió por una etapa de salida de triodo de clase A de baja distorsión push-pull. [21] [22] A diferencia de Cocking, Williamson creía que un escenario de este tipo puede ofrecer un sonido de alta fidelidad solo cuando el amplificador se rige por un bucle de retroalimentación negativa profunda de 20 a 30 dB [21] [22] (y por lo tanto, el amplificador completo debe tener 20 Ganancia de bucle abierto –30 dB más alta para compensar el efecto de la retroalimentación). [23] La retroalimentación profunda causa inevitablemente un inicio repentino y áspero de distorsión en sobrecarga, pero Williamson estaba contento con este defecto. [20] Argumentó que es un precio que vale la pena pagar por una mejora en la linealidad a niveles de potencia media y alta. [20] Por el contrario, escribió Williamson, un aumento lento pero constante de la distorsión al 3-5%, como lo defiende Kellogg, es claramente indeseable en un sistema de alta fidelidad. [20]
Prototipos y pruebas
El complemento de válvulas del amplificador Williamson original se determinó por la escasez de suministro en la Gran Bretaña en tiempos de guerra. Las dos válvulas de salida adecuadas y disponibles eran el triodo PX25 o un tetrodo de haz KT66 conectado por triodo. [24] Williamson usó inicialmente la PX25, un triodo calentado directamente ya obsoleto introducido en 1932. [25] [e] En su segundo prototipo, Williamson usó la KT66 más eficiente, que se convirtió en la válvula de elección en el período de posguerra. Alimentado con una fuente de alimentación de +500 V , el prototipo KT66 entregó 20 vatios con una distorsión no superior al 0,1%. [25] Una fuente de alimentación de + 425 V menos costosa permitió una potencia de salida de 15 vatios con una distorsión no superior al 0,1%; esta disposición se convirtió en estándar para el amplificador Williamson y definió su disposición física. [25] El prototipo completo del sistema, incluido el amplificador, la pastilla magnética experimental y un altavoz de rango completo de Goodmans en un recinto de laberinto acústico , le ha demostrado a Williamson que un amplificador de baja distorsión y retroalimentación profunda, de hecho, sonaba superior a los amplificadores sin retroalimentación. . [17] La diferencia fue particularmente audible con los mejores discos de goma laca disponibles , a pesar de las limitaciones físicas de este formato de baja fidelidad. [17]
Los prototipos impresionaron a la dirección de Marconi, que le concedió a Williamson acceso ilimitado a las instalaciones de prueba de la empresa y le presentó a la gente de Decca Records . [27] [28] Este último le proporcionó a Williamson material de prueba precioso y exclusivo: registros de muestra del sistema experimental Decca ffrr , el primer medio de alta fidelidad verdadero en el Reino Unido. [28] Estos registros, que excedían cualquier medio preexistente en calidad de sonido, ayudaron a Williamson a afinar sus prototipos. Estaba seguro de que ahora estaba firmemente en el camino correcto, pero ni Marconi ni su matriz, General Electric Company, estaban dispuestos a invertir en la producción en masa de amplificadores para el mercado civil. [28] [1] [29] El diseño tampoco fue interesante para los abogados de la empresa, porque no contenía nada patentable. [25] Williamson simplemente reunió circuitos y soluciones bien conocidos. [21]
Publicación
En febrero de 1946 Williamson dejó Marconi, se trasladó a Edimburgo y se unió a Ferranti . [17] Unos meses más tarde, un vendedor senior de Marconi, que buscaba nuevos medios para promover el KT66 entre el público en general, notó el informe de 1944 de Williamson sobre sus prototipos de amplificadores y lo envió para su publicación a Wireless World . [30] [1] El editor jefe HF Smith conocía a Williamson por sus contribuciones anteriores; se puso en contacto directamente con el autor y le solicitó un artículo detallado escrito específicamente para los lectores de bricolaje. Williamson respondió rápidamente, pero por razones desconocidas la publicación, originalmente programada para 1946, se retrasó hasta abril-mayo de 1947. [31] [1] Mientras el periódico esperaba su impresión, la revista había publicado la nueva versión del amplificador Cocking's Quality . Cocking, como editor técnico de Wireless World , ciertamente tenía precedencia; Según Peter Stinson, era escéptico sobre el amplificador Williamson, creyendo que su propio diseño no necesitaba más mejoras. [31]
En 1947, la industria británica ya había lanzado dos amplificadores de calidad de sonido comparable. Harold Leak anunció la producción de su Leak Point One [f] en septiembre de 1945; [g] más tarde, en el mismo año, Peter Walker publicó el primer boceto de su etapa de salida de carga distribuida que se convertiría en el modelo de producción Quad II . [33] [34] Leak y Walker intentaron comercializar sus ideas en el escaso mercado británico de la posguerra; sus logros eran prácticamente desconocidos fuera del Reino Unido. Williamson hizo lo contrario: donó su diseño a la comunidad de bricolaje en todo el mundo, asegurando así un seguimiento popular duradero. [35] [36]
En agosto de 1949 Williamson, respondiendo a las cartas de los lectores, publicó la "Nueva Versión" de este amplificador. El artículo trataba extensamente sobre problemas de construcción, ajuste y resolución de problemas, [37] [38] [21] sin embargo, su principal objetivo era abordar los problemas de estabilidad informados en cartas de los lectores. [38] Aparte de la red de compensación de frecuencia adicional , un potenciómetro de polarización y una nueva válvula rectificadora calentada indirectamente que no estaba disponible en 1947, el circuito siguió siendo el mismo. [39] En octubre de 1949 - enero de 1950 y mayo de 1952, Williamson publicó una serie de artículos sobre las etapas de emparejamiento del preamplificador y breves "Respuestas a consultas" relativas al montaje y las pruebas. [40] Una colección de artículos publicados por Williamson en 1947-1950 se imprimió como un folleto independiente de 36 páginas en 1952, [41] con una segunda edición en 1953. [42] El amplificador Williamson en sí, como se describe en agosto de 1949 edición de Wireless World , se mantuvo sin cambios. [40]
Recepción
El amplificador Williamson fue un éxito instantáneo. [21] La publicación coincidió con la reanudación de la transmisión de televisión, el comienzo de la transmisión en FM , [h] el lanzamiento de los primeros discos de gramófono de alta fidelidad (Decca ffrr y el disco LP ) y el "descubrimiento" del Magnetophon alemán capturado. . [45] [i] Los medios de alta fidelidad que no existían en la década de 1930 se hicieron realidad, y el público quería equipos de reproducción de calidad equivalente. [45] Los amplificadores estándar disponibles en 1947 no eran aptos para la tarea. [45] Al mismo tiempo, los mercados de componentes electrónicos se inundaron con excedentes militares , incluidas válvulas de potencia estadounidenses 6L6 y 807 baratas. [46] Durante un tiempo, la construcción de bricolaje fue la única forma de obtener amplificación de alta fidelidad. [45] Miles de aficionados comenzaron a copiar el diseño de Williamson; la industria pronto proporcionó los transformadores y chasis necesarios. [44]
En septiembre de 1947, los australianos RH Astor y Fritz Langford-Smith adaptaron el circuito Williamson para válvulas estadounidenses 6SN7 y 807; pronto siguió una variante 6L6. [47] La prensa británica y australiana se mostró unánimemente entusiasta: "con mucho, el mejor que hemos probado ... linealidad extraordinaria y falta de distorsión armónica y de intermodulación", [48] "amplificador para terminar [todos] los amplificadores", [43] "máximos absolutos para obtener una reproducción natural" [49] y así sucesivamente. Estados Unidos se quedó atrás unos dos años: las primeras críticas aparecieron en la segunda mitad de 1949 y fueron igualmente complementarias. [50] [49] [51] Las empresas estadounidenses adaptaron el circuito a los componentes disponibles localmente y pronto comenzaron a importar válvulas y transformadores británicos "premium" , abriendo así el mercado de la alta fidelidad británica en los Estados Unidos. [3] A fines de 1949, el amplificador Williamson se convirtió en un diseño de referencia reconocido universalmente y en un punto de partida para todos los diseños de válvulas que emplean retroalimentación global. [21]
La difusión de la construcción de bricolaje y la abundancia de publicaciones dirigidas a los aficionados tenían una sólida razón económica: la electrónica de fábrica de la década de 1940 era demasiado cara. La industria aún no se ha reorganizado para la producción en masa de productos de consumo asequibles. La construcción de la electrónica de válvulas en el hogar fue relativamente simple y prometió ahorros considerables. [36] El número de amplificadores Williamson caseros se estima en al menos cientos de miles; [1] Dominaron absolutamente la escena del bricolaje en los países de habla inglesa. [52] El estéreo aún no se ha comercializado; casi todos los amplificadores Williamson supervivientes son monoaurales . [52] Cada uno se diferencia en pequeños detalles, la calidad del montaje suele ser inferior a los modelos fabricados en fábrica. [52] En el siglo XXI, estos amplificadores monoaurales se venden comúnmente en subastas en línea, pero encontrar un par coincidente es casi imposible. [52]
La producción industrial a pequeña escala en el Reino Unido comenzó en febrero de 1948; El primer gran fabricante, Rogers , anunció la producción en octubre de 1948. [53] A principios de la década de 1950, el amplificador Williamson dominaba la producción en fábrica tanto en el Reino Unido como en los Estados Unidos; [54] John Frieborn de Radio-Electronics escribió en 1953 que "desde que Williamson publicó la primera descripción de su amplificador de audio de alta calidad , otros diseñadores de audio tenían dos opciones aparentes, vencerlo [Williamson] o unirse a él". [55]
Caracteristicas de diseño
Especificaciones
- Complemento de tubo, versión 1947: 4x L63 (cada uno equivalente a 6J5 ), 2x KT66, 1x U52 rectificador de calentamiento directo. [56] La versión de 1949 también preveía el uso de triodos dobles 6SN7 o B65, y reemplazó el rectificador con el tipo 53KU de calentamiento indirecto; [57]
- Potencia de salida y distorsión máxima: 15 W RMS a no más de 0,1% THD ; [58]
- Intermodulación : no especificado (Williamson no tenía el equipo de prueba necesario); [58]
- Rango de frecuencia: 10-20000 Hz a ± 0,2 dB; 3-60000 Hz a ± 3 dB; [58]
- Cambio de fase dentro de 10-20000 Hz: "nunca excede unos pocos grados" en los extremos del espectro de audio; [58]
- Ruido y zumbido : -85 dB por debajo de la salida máxima, compuesto casi en su totalidad por zumbido de frecuencia de red. [58]
Topología
El amplificador Williamson es un amplificador de válvula triodo clase A de cuatro etapas, push-pull, construido alrededor de un transformador de salida de banda ancha de alta calidad. [59] Su segunda etapa (divisor de fase tipo concertina, V1B), tercera (controlador, V2A y V2B) y cuarta (salida, V3 y V4) siguen el circuito de amplificador de calidad de Cocking . La primera etapa agregada (V1A) es un amplificador de error dedicado , que compensa la pérdida de ganancia causada por la retroalimentación negativa. [60] Williamson optimizó los puntos de operación de cada etapa para una mejor linealidad con suficiente reserva de sobrecarga. [60] La etapa de salida está sesgada en clase A pura; tradicionalmente utilizaba tetrodos o pentodos de vigas conectadas a triodos. Con válvulas estadounidenses 807 o británicas KT66 (Williamson recomendó el último tipo [61] ) y una fuente de alimentación especificada, el amplificador entregaba 15 vatios de potencia de salida. Un mayor aumento en la producción, según Williamson, requirió el uso de cuatro válvulas de salida; su artículo de 1947 menciona la construcción de un prototipo de 70 vatios. [58]
La placa de la primera etapa y la rejilla del divisor de fase están conectadas directamente. Esta configuración, conocida desde 1940, todavía era poco común en 1947; [62] Los diseñadores estadounidenses lo consideraron una novedad incluso a principios de la década de 1950. [62] [51] El divisor de fase, el controlador y la etapa de salida están acoplados capacitivamente . Los condensadores de derivación de cátodo están ausentes: Williamson, como Cocking antes que él, intentó linealizar el rendimiento de bucle abierto de cada etapa y sacrificó deliberadamente la ganancia por la linealidad; [63] también estaba preocupado por la inestabilidad potencial de baja frecuencia introducida por capacitancias agregadas. [64] El circuito en la variante de 1947 o 1949 no contiene condensadores electrolíticos ; su fuente de alimentación utiliza un filtro CLC con dos condensadores de papel de 8 uF, [63] [63] con un filtro LC adicional que alimenta las tres primeras etapas. [sesenta y cinco]
Los diseños derivados de la década de 1950 a menudo se desviaron de las recomendaciones de Williamson mientras conservaban su topología de cuatro etapas. Según Peter Stinson, esto por sí solo no es suficiente para ser llamado amplificador Williamson. [31] Un verdadero amplificador Williamson debe cumplir cinco criterios simultáneamente:
- Las cuatro etapas deben utilizar triodos; la etapa de salida puede utilizar tetrodos o pentodos conectados a triodos;
- La etapa de salida debe operar en clase A;
- El divisor de fase debe estar acoplado directamente a la etapa de entrada;
- El transformador de salida de alta calidad debe cumplir con la especificación original de Williamson;
- El bucle de retroalimentación negativa global debe estar conectado desde el transformador secundario al cátodo del triodo de entrada y tener exactamente 20 dB de profundidad. [31]
Realimentación
El bucle de retroalimentación de 20 dB (diez a uno) del amplificador Williamson envuelve las cuatro etapas y el transformador de salida. Según Richard C. Hitchcock , [j] "esta es una prueba severa de diseño y es una de las características sobresalientes del circuito Williamson". [23] [k] Williamson escribió que la profundidad de la retroalimentación se puede aumentar fácilmente de 20 a 30 dB, pero las mejoras audibles de la retroalimentación más profunda serán cada vez más bajas . [67]
Todos los componentes de compensación de frecuencia están ubicados en la primera y segunda etapas del circuito: sus filtros RC de suavizado local alteran sutilmente la respuesta de frecuencia a frecuencias infrasónicas. Un filtro RC adicional en la primera etapa, introducido por Williamson en la versión de 1949, evita las oscilaciones en las frecuencias ultrasónicas. [21] El divisor de voltaje de retroalimentación está conectado al secundario del transformador, por lo que la profundidad de retroalimentación depende de la impedancia del altavoz, y establecerlo en 20 dB precisos requiere alterar la relación del divisor. [56] El divisor de voltaje es puramente resistivo, sin componentes de compensación de frecuencia capacitivos o inductivos. Según Williamson, un condensador que desvíe la pata superior del divisor solo es necesario para transformadores de calidad inferior; si el transformador cumple con los requisitos establecidos por Williamson, el condensador es inútil. [64]
Transformador
Williamson confiaba en que el transformador de salida es el componente más crítico en cualquier amplificador de válvula. [24] Incluso antes de aplicar retroalimentación global, el transformador es responsable de al menos cuatro tipos de distorsión. [24] Sus causas no pueden abordarse simultáneamente, y el diseñador debe hacer un compromiso entre los requisitos en conflicto. [24] La retroalimentación global suprime parcialmente la distorsión, pero también ajusta los requisitos al ancho de banda del transformador. [24]
La teoría de la estabilidad predijo que un amplificador construido según las especificaciones de Williamson solo podría ser estable si el ancho de banda de su transformador de salida no fuera inferior a 2,5 ... 160000 Hz. [68] Esto era poco práctico para un amplificador de audio, ya que requería un transformador excepcionalmente grande, complejo y costoso. [69] Williamson, en busca de una solución de trabajo, tuvo que reducir el margen de fase al mínimo; incluso entonces, el ancho de banda requerido no debía ser inferior a 3,3 ... 60000 Hz. [21] [5] [24] Un transformador de este tipo, impulsado por un par de KT66 conectados por triodo, tenía que tener una inductancia del devanado primario de al menos 100 H y una inductancia de fuga de no más de 33 mH. [5] Se trataba de especificaciones extremadamente exigentes para el período, que superaron con creces todo lo disponible en el mercado de consumo. [2] Los transformadores Williamson tenían que ser más pesados, más grandes, más complejos y más caros que los transformadores de audio típicos y, sin embargo, solo podían garantizar una estabilidad mínimamente aceptable. [2] [69] Un margen de fase más amplio, escribió Williamson, era muy deseable pero requería valores absolutamente imprácticos de inductancia primaria. [69]
Comportamiento de sobrecarga
Los amplificadores de válvula con acoplamiento capacitivo entre la etapa de excitación y la etapa de salida no se enganchan de la misma manera que los amplificadores de transistor (p. Ej., Sujetando la tensión de salida a uno de los rieles de alimentación). En cambio, se ahogan cuando grandes oscilaciones de señal intentan intermitentemente desviar las rejillas de las válvulas de salida por encima de cero. [20] Las redes con polarización positiva comienzan a conducir, pero los condensadores de acoplamiento no pueden suministrar la corriente requerida. [20] Los voltajes de la red no alcanzan los valores objetivo, la forma de onda de salida se aplana. [l]
La retroalimentación intenta superar la asfixia aumentando la oscilación del voltaje del controlador, pero falla porque los condensadores de acoplamiento no pueden pasar físicamente corriente continua . El patrón de distorsión resultante, como Williamson demostró con fotocopias de oscilogramas y curvas de Lissajous , es "del tipo deseable", es decir, con un inicio abrupto de distorsión en los extremos de las curvas de respuesta altamente lineales. [70]
Problema de estabilidad
Los primeros intentos de construir el amplificador Williamson revelaron su tendencia a oscilar debido a un margen de fase muy estrecho . Astor y Langford-Smith, quienes dieron a Williamson calificaciones excelentes, [48] informaron que "para salidas bastante grandes a bajas frecuencias, comenzaría una oscilación de alta frecuencia de aproximadamente 60 kC / s [kHz] y estaría acompañada por una salida pulsada de algún otro frecuencia". [74] Los australianos, armados con equipos de prueba de primera clase, [m] suprimieron la oscilación de 60 kHz con pequeños condensadores en las rejillas de la pantalla , pero no pudieron identificar y suprimir la causa de "algunas otras" oscilaciones. [74] Más tarde, los técnicos del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos examinaron siete amplificadores Williamson diferentes disponibles comercialmente y encontraron que todos ellos oscilaban a frecuencias infrasónicas de 2 ... 3 Hz. [75] El reemplazo de los transformadores de salida afectó la estabilidad solo en las frecuencias de audio y ultrasónicas. [75] Los mejores transformadores mostraban una respuesta de frecuencia perfectamente plana de 10 a 100.000 Hz, pero también eran propensos a la "respiración" infrasónica. [75] Los peores transformadores mostraron resonancias ultrasónicas prominentes que, sin embargo, no causaron oscilaciones sostenidas. Algunos "anillados" a frecuencias relativamente bajas de 30 a 50 kHz, otros se extendieron en un rango de 500 ... 700 kHz. [76]
Los transformadores Williamson hechos a medida eran imperfectos, pero los transformadores de uso general y listos para usar utilizados por aficionados eran mucho peores. Sus resonancias solo podrían controlarse reduciendo el ancho de banda del amplificador. El alcance del problema de estabilidad en la comunidad de bricolaje sigue siendo desconocido: los editores de Wireless Worlds se inundaron de cartas de lectores, pero prefirieron redirigirlas a Williamson. [38] Lo que se sabe es que el inventor se vio obligado a revisar y mejorar el diseño; se despidió de su trabajo en Ferranti y presentó la segunda versión del Williamson en 1949. [38] Williamson no pudo solucionar el problema fundamental de estabilidad; la "Nueva versión" era apenas estable. [77] Un análisis independiente publicado en diciembre de 1950 demostró que el amplificador Williamson revisado seguía siendo propenso a oscilaciones tanto infrasónicas como ultrasónicas. [78]
Según el análisis, la respuesta infrasónica de bucle abierto del amplificador Williamson está conformada por tres filtros de paso alto : dos filtros RC entre etapas , cada uno con una frecuencia de corte de 6 Hz, y el filtro RL de la etapa de salida , formado por la salida de las válvulas. impedancias y la inductancia primaria del transformador. [79] [80] Con señal de entrada cero, el filtro RL no lineal tiene una frecuencia de corte de 3 Hz. [81] [n] Esta combinación de frecuencias de corte, envuelta dentro de un bucle de frecuencia de 20–30 dB, es inestable. [81] Williamson intentó suprimirlo con una red de compensación, que también sirvió como filtro de suavizado . [81] La no linealidad del transformador también mejoró la estabilidad: a altas corrientes de señal, la inductancia efectiva del primario aumentó, lo que provocó una disminución en la frecuencia de corte y un aumento en el margen de fase. [82] La solución más simple fue separar las frecuencias de corte de los filtros RC, siempre que el transformador de salida cumpla con la especificación Williamson. [60] [83] [84] Por ejemplo, el Ultralinear Williamson de 1952 de David Hafler y Herbert Keroes tenía estas frecuencias establecidas en 1,3 y 6 Hz. [60] [83]
El análisis preciso a frecuencias ultrasónicas es imposible debido a la asimetría de la etapa del divisor de fase, y parásitos desconocidos y no linealidades de la etapa de salida. [81] [80] Dependiendo del modelo de análisis elegido, la respuesta de lazo abierto se puede aproximar aproximadamente con una combinación de cuatro [85] [60] o cinco [80] filtros de paso bajo. Diferentes autores utilizaron enfoques diferentes y estimaron puntos de corte algo diferentes de estos filtros, pero en cada caso al menos tres de cuatro o cinco frecuencias de corte estaban peligrosamente cerca entre sí, lo que era un cierto signo de inestabilidad. [85] [60] Williamson, nuevamente, solucionó el problema con una red de compensación RC, pero incluso entonces el margen de fase permaneció peligrosamente bajo. [85] [86] Los aficionados al bricolaje tuvieron que abordar las oscilaciones ellos mismos: algunos agregaron condensadores de derivación a las rejillas de la pantalla, otros ajustaron el diseño y el cableado, o redujeron deliberadamente el ancho de banda del amplificador, negando los beneficios del circuito original. [85] [86]
Problema de componente
El amplificador Williamson era muy sensible a la calidad y los parámetros de los componentes pasivos y las válvulas. Las resistencias de carbono y de composición generaron ruido excesivo y provocaron distorsión armónica; Las válvulas estadounidenses utilizadas como sustitutos de los tipos británicos especificados por Williamson no pudieron igualar su rendimiento. [89] [87] Williamson advirtió que el KT66 no tiene sustitutos directos y debería preferirse a cualquier alternativa. [61]
Los aficionados que copiaron el amplificador Williamson no pudieron identificar y corregir sus puntos débiles críticos. Un aficionado armado con un multímetro analógico podría "ver" oscilaciones infrasónicas observando la aguja del instrumento, [89] pero solucionar problemas de alta frecuencia requería un osciloscopio con un ancho de banda de al menos 1 [89] o 2 [90] MHz de ancho de banda. En la década de 1950, los anchos de banda de muchos osciloscopios comerciales eran demasiado estrechos para la tarea, e incluso estos modelos eran demasiado caros para los aficionados al bricolaje. [90] [89]
Los artículos de ingenieros profesionales relacionados con el análisis y el ajuste fino del amplificador Williamson se publicaron relativamente tarde, cuando el entusiasmo original por el bricolaje ya se había desvanecido: en 1952, [91] 1957, [92] 1961. [87] Martin Kiebert, [o] quien construyó amplificadores Williamson de calidad profesional para su laboratorio en Bendix Corporation , identificó cinco fuentes de distorsión causadas por componentes inferiores además del transformador: [94]
- Ruido excesivo e interferencia electromagnética causados por resistencias de carbono o de composición ruidosas y disposición incorrecta de la primera etapa. El reemplazo de las resistencias especificadas por Williamson por resistencias bobinadas podría mejorar la relación señal-ruido al12 dB . Reemplazo de 6SN7 con 12AY7 de bajo ruido podría ganar otro12 dB ; [89]
- Distorsión de frecuencia y armónica causada por la asimetría de componentes pasivos en dos lados de un circuito push-pull. Los componentes típicos de la década de 1950 tenían tolerancias del 20%, lo que era inaceptablemente alto para Williamson; [95]
- La etapa del controlador 6SN7 a menudo no podía balancear correctamente las rejillas del KT66, lo que provocaba una distorsión excesiva. Según Kiebert, el triodo dual americano 5687 era claramente superior. [96] Según Talbot Wright, el 6SN7 no tenía fallas: la distorsión fue causada por una corriente permanente configurada incorrectamente y podría mejorarse con un simple aumento en el voltaje de polarización; [87]
- Distorsión en el divisor de voltaje de retroalimentación . Esta función crítica requería resistencias bobinadas de baja distorsión; [88]
- La distorsión estuvo claramente influenciada por la elección de las válvulas de salida, sin embargo, Kiebert no pudo identificar ninguna regla específica. [88]
Kiebert calificó el diseño de manera positiva, pero advirtió a los lectores que seguir las instrucciones de Williamson solo es posible en un entorno de laboratorio. [97] El amplificador revela su potencial solo con componentes costosos y debidamente emparejados que estaban fuera del alcance de un aficionado promedio. [97] Incluso un amplificador Williamson perfectamente construido y probado tarde o temprano necesitaría reemplazar la válvula, lo que muy probablemente causaría un aumento inesperado en la distorsión. [97]
Variantes y derivadas
Después de 1950, la industria produjo numerosos derivados del amplificador Williamson, a menudo desviándose significativamente de los principios descritos por su creador. En 1950, Herbert Keroes desvió la resistencia de cátodo común de su amplificador 807 con un gran condensador electrolítico que, según Keroes, redujo significativamente la distorsión a alta potencia de salida. [99] Contrariamente a las recomendaciones de Cocking y Williamson, Keroes y su socio David Hafler utilizaron condensadores de derivación catódica en la mayoría de sus diseños; en 1956, este enfoque se convirtió en el estándar industrial de facto. [100] En el mismo 1956, Hafler utilizó un sesgo fijo en su EL34 Williamson. [101] Más tarde, el sesgo fijo se convirtió en un elemento básico de los diseños soviéticos y rusos tipo Williamson que empleaban válvulas de salida exóticas como el triodo 6C4C calentado directamente, [102] el pentodo del generador GU-50 [103] [104] o el 6P45S horizontal tetrodo de deflexión . [104]
A lo largo de la década de 1950, a medida que disminuían los precios de los condensadores , los diseñadores aumentaban constantemente sus valores. El amplificador Williamson original utilizadoCondensadores de papel de 8 μF ; en 1952, Kiebert usaElectrolíticos 40 μF ; [91] el diseño de referencia de 1955 de Keroes utilizó al menosCondensadores de derivación de 250 μF ; [105] el amplificador de presupuesto de 1961 de Wright empleó un total de600 μF . [106] Los diseñadores del amplificador comercial Bell 2200 [p] (1953) reemplazaron el acoplamiento directo de las dos primeras etapas por el acoplamiento capacitivo; [107] el Stromberg-Carlson AR-425 (también 1953) usa una etapa de salida en modo tetrodo en una topología de Williamson familiar. [108] Las modificaciones de Bell y Stromberg-Carson empeoraron aún más la estabilidad y requirieron una compensación de frecuencia adicional. [109] Los diseñadores del Bogen DB20 (1953) fueron aún más lejos y combinaron ciclos de retroalimentación negativa global y local con retroalimentación positiva en la etapa de salida. [109]
En diciembre de 1951, Hafler y Keroes comenzaron a promover la etapa ultralineal , un método para distribuir la carga entre el ánodo y la rejilla de la pantalla de un pentodo o tetrodo, inventado por Alan Blumlein en la década de 1930. Una etapa ultralineal entregaba entre un 50% [110] y un 100% más de potencia de salida que la misma etapa en conexión de triodo, aproximadamente con la misma distorsión, y costaba menos que una etapa de pentodo puro o tetrodo (la última requería un suministro de rejilla de pantalla separada, el ultralinear no lo necesitaba). [54] El primer Williamson ultralineal , empleando un par de 6L6 en una topología similar a Williamson, [60] entregó20 W ; [111] su segundo modelo, construido alrededor de 807 tetrodes más potentes, entregó30 W . [111] Muy pronto el público estadounidense adquirió gusto por la amplificación de alta potencia, y la industria lanzó la "carrera por Watts". [q] En 1955, Hafler y Keroes, que ahora trabajaban por separado, ofrecían modelos de 60 vatios que empleaban pares de 6550 tetrodos [113] o cuartetos de KT66. [114] Así, en menos de una década, paso a paso, la industria abandonó los principios establecidos por Williamson, pero continuó usando su nombre como una conveniente marca comercial gratuita . En el siglo XXI incluso se utiliza para amplificadores sin retroalimentación negativa global; lo único que tienen en común con el verdadero amplificador Williamson es la topología de cuatro etapas. [115] [31]
Tras el éxito de Hafler y Keroes, fabricantes estadounidenses como Eico , The Fisher , Harman / Kardon y Marantz se deshicieron de triodos de potencia "obsoletos" y cambiaron a diseños ultralineales. [12] Mullard , el mayor fabricante de válvulas de Gran Bretaña y proveedor de diseños de referencia para la industria europea, apoyó públicamente la novedad. [116] El antiguo empleador de Williamson, General Electric Company , siguió su ejemplo y publicó un diseño de referencia de "30 Watt Williamson" construido alrededor de un par de KT88 conectados ultralinear . [117] El amplificador Williamson original perdió la carrera, al igual que los diseños alternativos de Peter Walker y Frank McIntosh . [118] En septiembre de 1952 Williamson y Walker (entonces socios comerciales en el desarrollo del altavoz electrostático cuádruple ) acordaron que la etapa ultralineal era, de hecho, preferible en la producción en masa. [50] [119] Williamson se apartó gradualmente de la ingeniería de audio. [1] Se ganaba la vida diseñando fresadoras y sistemas de fabricación flexibles , lo que más tarde le valió la elección para la Royal Society , y nunca consideró el diseño de audio como una ocupación seria para él. [120]
En 1956, la mayoría de los amplificadores de producción en Norteamérica siguieron la plantilla Ultralinear Williamson , [100] pero en los años siguientes también se retiró. El nuevo diseño de referencia de tres etapas combinó las funciones de controlador y divisor de fase en una válvula y, por lo tanto, cuesta proporcionalmente menos que los amplificadores de cuatro etapas. [121] El Dynaco Stereo 70 de Hafler , que siguió esta topología, se convirtió en el amplificador de válvulas más producido en la historia. [122] El mercado de consumo de América del Norte se inundó con millones de amplificadores y receptores similares, casi idénticos, que reclamaban entre 25 y 20 W por canal, así como clones de diseños británicos menos potentes como el Mullard 5-10 . [121] Los anuncios afirmaron que estos modelos funcionaron tan bien como el Williamson original, con mayor potencia de salida y con estabilidad garantizada. [121] Los clientes no pudieron verificar estas afirmaciones y tuvieron que confiar en las pruebas de escucha, los rumores y el asesoramiento de expertos. El problema fue abordado parcialmente por el concepto de escucha subjetiva , propuesto por Hafler y Keroes en 1951: "Las mediciones excelentes son una condición necesaria pero no suficiente para la calidad del sonido. La prueba de escucha es una de las más importantes ... prueba más estricta de todas ". [118] A finales de la década de 1960, los audiófilos y la gente de marketing adoptaron un enfoque subjetivista , que se olvidaron ansiosamente de los principios objetivos ideados por Williamson en la década de 1940. [118]
Objetivamente, muchos diseños de válvulas de retroalimentación profunda de la década de 1950 igualaron o excedieron el índice de distorsión del 0.1% del amplificador Williamson, pero ninguno pudo mejorar significativamente esta cifra. [2] [3] Williamson había descubierto que el rendimiento del amplificador de válvula estaba limitado principalmente por el transformador de salida. [2] [3] Los amplificadores de transistores no tenían esta limitación y, sin embargo, llevó alrededor de 15 años llevar su rendimiento al nivel alcanzado por Williamson en 1947. [123]
Comentarios
Ferrari Pier Paolo - LEAK Audio Hi-Fi - Sandit Editore -Italia (2014) - Libro - ISBN - 978-88-97599-92-0
Notas
- ^ Todas las calificaciones aquí y a continuación son por canal . El amplificador fue diseñado mucho antes de la llegada del estéreo y nunca fue diseñado para sonido multicanal.
- ^ La introducción de la película sonora coincidió con la Gran Depresión. Aunque a la industria del entretenimiento le fue mucho mejor que a la sociedad en general, los propietarios de cines tenían que ser muy frugales con sus inversiones en equipos.
- ↑ Stinson escribió que la televisión naciente afectó negativamente a la electrónica de audio incluso antes de la guerra: "estos experimentos [en EMI, RCA y Western Electric] podrían haberse llevado a los productos si no hubiera sido por el aumento del interés y la publicidad por la nueva maravilla , televisión experimental, de 1934 ". [8]
- ^ Walter Tusting Cocking (1907-1984) se unió al personal de Wireless World a principios de la década de 1930. Fue un prolífico contribuyente de contenido, a menudo abordando el lado práctico de los proyectos electrónicos. Durante la Segunda Guerra Mundial, Cocking se incluyó en la investigación militar clasificada. Después de la guerra, se desempeñó como editor en jefe de Wireless Engineer , Wireless World y sus revistas sucesoras hasta su jubilación en 1972. [10]
- ^ El PX25 era un triodo de potencia único calentado directamente, con una ganancia de voltaje inusualmente alta (μ = 9). Un amplificador PX25 tendría más del doble de ganancia de bucle abierto que un amplificador que emplee triodos típicos de calentamiento directo como 2A3 o AD1 (μ = 4). [26]
- ^ El nombre Point One enfatizaba el índice de distorsión del 0.1% reclamado por Leak. Su marketing agresivo provocó sospechas públicas sobre la validez y necesidad de calificaciones tan bajas. [32]
- ↑ Para una descripción detallada del trabajo de Leak, consulte Spicer, S. (2000). Primicias en Alta Fidelidad: Los Productos y Historia de HJ & Co. Ltd fugas . Revista Audioxpress. págs. 61–67. ISBN 9781882580316. OL 8683702M .
- ↑ La radiodifusión FM regular tanto en los Estados Unidos como en el Reino Unido comenzó en 1946. En abril-mayo de 1947, las transmisiones FM británicas todavía estaban limitadas en duración y cobertura de área; Williamson, en su artículo de apertura, anticipó "la posible extensión de las transmisiones uhf de alta calidad". [19]
- ^ El Magnetophon en sí no era nuevo; de hecho, los modelos de producción con calidad de transmisión se construyeron y presentaron al público en general antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial. En esta fotografía , un Magnetophon AEGestá instalado en un estudio de transmisión finlandés en previsión de los fallidos Juegos Olímpicos de Verano de 1940 . Sin embargo, los estadounidenses y los británicos "descubrieron" la grabadora sólo después de la guerra. Sin embargo, es cierto que los alemanes perfeccionaron la tecnología a lo largo de la guerra y, en 1945, los nuevos Magnetophons eran muy superiores al modelo de 1939.
- ↑ Richard C. Hitchcock,ingeniero investigador de la Westinghouse Electric Corporation en Pittsburgh , es ahora recordado como el creador del 'Westinghouse Organ' (también llamado 'Electric Radio Organ', 1930). [66]
- ^ El diseño original de Leak Point One de 1945 también empleó cuatro etapas y retroalimentación negativa global, y fue incluso menos estable que el Williamson. Harold Leak pronto abandonó la idea y en 1947 lanzó el exitoso Leak TL12 de tres etapas. [32]
- ^ Los amplificadores de válvula acoplados por transformador no se ahogan, siempre que la (s) válvula (s) impulsora (s) puedan suministrar la (s) corriente (s) de red requeridas. Sin embargo, los transformadores entre etapas son incompatibles con la retroalimentación negativa global. Una combinación en serie de dos transformadores (entre etapas y salida) es inherentemente inestable; no se puede encerrar en un circuito de retroalimentación.
- ^ Astor y Langford-Smith eran ingenieros de planta en Amalgamated Wireless (Australasia) , el mayor fabricante y locutor de radio del país.
- ^ Suponiendo una inductancia primaria de100H y una impedancia de placa de2kOhm, según lo especificado por Williamson. [81]
- ^ Martin Peter Vlamingh Kiebert Jr, nacido en 1908, asistió a la Universidad de Idaho y Reed College . Antes de la Segunda Guerra Mundial, trabajó como ingeniero electrónico en KIRO (AM) , la Comisión Federal de Comunicaciones y varias consultorías con sede en Washington, DC.Durante la guerra, estuvo destinado en la Oficina de Aeronáutica , alcanzando el rango de teniente comandante en 1945. [93] Después de la guerra, según las publicaciones de Kiebert, trabajó para Bendix , Convair y Mallory .
- ^ La Campana de la marca de productos electrónicos domésticos no era propiedad de los sistema de Bell empresas, sino por TRW Inc. .
- ^ Según The Routledge Guide to Music Technology , la carrera de potencia entre los fabricantes de amplificadores de válvulas finalmente se estabilizó en75 W por marca de canal. Los amplificadores de transistores lo superaron fácilmente, y la carrera culminó en 1971 con el Phase Linear Model 700 diseñado por Bob Carver (250 W por canal). En la década de 1990, las clasificaciones de potencia de los amplificadores de cine en casa con certificación THX aumentaron aún más. [112]
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