Válvulas: teoría y fundamentos

Un análisis funcional de sus esquemas

Hola foreros, vamos a tratar de hacer un post sobre nuestras queridas válvulas, encaminado a conocer mas su funcionamiento en nuestros amplificadores y previos.

Lo primero, como siempre, advertir que en este caso se trabaja con tensiones elevadas del orden de 100 a 450 voltios y son peligrosas si no se tiene un mínimo de precaución con ellas, asi que los que cacharreen por favor, experimentos con gaseosa.

FENOMENO EDISON O TERMOIONICO.

Este fenómeno contempla la capacidad de los metales de irradiar electrones a una determinada temperatura en virtud del efecto Joule. Para los profanos simplemente CALOR.

En un principio se constato que un filamento de una bombilla aparte de luz, irradia electrones que escapan del material que compone dicho filamento.

Para saber mas sobre el tema teórico-físico podeis consultar enlaces como el siguiente...Válvula Termoiónica

ELECTRODOS DE LAS VALVULAS.

Las válvulas en su interior tienen diversos electrodos, cada uno tiene su caracteristica propia, que le diferencia fisicamente del resto, tanto en construccion como en comportamiento electrónico.

DIODO

CATODO: El principal emisor de electrones, los hay de dos tipos. Caldeo directo. El mismo Cátodo es el elemento calefactor necesario para empezar la emisión de electrones:
Caldeo indirecto. El cátodo ya no recibe la tensión de caldeo, ahora envuelve un filamento que es independiente en tensión de los circuitos electronicos de la valvula.

ANODO: Tambien llamado "placa", es el receptor principal de esos electrones.

Aquí hay que hacer una apreciación, a diferencia de la corriente eléctrica, la corriente electrónica circula de cátodo al ánodo.
El sistema actual de corriente eléctrica esta tomado de los albores de la electricidad cuando se suponía que el polo positivo era el cargado eléctricamente, luego se comprobó que la corriente de electrones en realidad va del polo negativo donde se concentran todos los electrones hacia el positivo donde hay una falta de esos electrones.


TRIODO

El triodo consta de un electrodo mas, llamado reja, grilla, rejilla.
Esencialmente es un electrodo que permite "regular" el flujo de electrones de catodo a anodo, permitiendo realizar operaciones de bloqueo, paso bajo determinadas condiciones, etc.

En nuestro caso vamos a trabajarlo como amplificador
teniendo en cuenta que amplificador es el dispositivo capaz de incrementar el valor de la intensidad, tension o potencia de entrada.

En la imagen podemos ver un triódo con sus principales elementos de polarización para trabajar como un amplificador.
En este caso un triódo como cátodo-común, que es el montaje mas utilizado como amplificador.

POLARIZACION TRIODO

Para que el triódo trabaje en unas circunstancias prefijadas en el diseño, se tiene que polarizar bajo unas determinadas tensiones, estas haran que trabaje con unas ganancias, distorsiones armonicas y clipping o distorsion pura que deseemos.

En el diagrama superior vemos que esencialmente, hay que disponer de una tensión de alimentación en alta tensión AT, que en el trabajo de diseño llamaremos Vb, o tensión de batería.
En los triodos suele oscilar de los 100 a 300 v.

La siguiente tensión importante seria la tensión de reja, esta es la mas importante ya que determina las circunstancias de trabajo de la válvula. Otro punto es que la tensión de reja siempre sera negativa respecto al cátodo.

Esa tensión negativa puede ser de distintos valores, dependiendo del tipo de triodo etc. Pero hay dos valores fundamentales a tener en cuenta, cuando la reja llega al valor 0, la función de la reja es nula y por tanto el flujo de electrones es máximo, en esta circunstancia la válvula entra en saturación ya que la corriente es máxima en este punto.
Al contrario si la tensión negativa es muy elevada la rejilla rechaza todos los electrones de emisión y la válvula entra al corte.

Esto hay que tenerlo muy en cuenta, ya que válvulas como la ECC83, 82, 81, etc tienen características muy diferentes entre ellas aparte de la ganancia propia, y ciertos cambios pueden afectar al comportamiento del amplificador con resultados incluso chocantes

Mas adelante veremos como realizar esos calculos para la correcta polarizacion (teoria, y como nosotros deseemos )


PARAMETROS VALVULARES

Las válvulas, al igual que los transistores, tienen unos parámetros característicos, que van a indicarnos su modo de funcionamiento, como podemos emplearlos, en que funcion.

Estos parámetros son los siguientes y con ellos podemos saber como se comportara la válvula que utilicemos, o si deseamos un montaje determinado, buscar la valvula adecuada.

Ganancia esta expresado por la letra u (mu) griega.

Muchos veréis parametros como 100, 60, 30, 17.
Esto solamente indica que la válvula experimenta una variación de la tensión de placa de X voltios a 1 voltio de variación en la reja. Esta ganancia siempre la tomaremos como "teórica" ya que en la practica es prácticamente imposible alcanzar.

Resistencia Interna Ri Es la resistencia interna "teorica" de la válvula, a menor resistencia interna, la valvula trabajara con un rango de intensidades mayor, a mayor resistencia, ya deducimos que las intensidades seran de menor valor.

Pendiente Tambien llamada transconductancia, generalmente podéis encontrar su forma expresada en ohms.. o la mas habitual en europa expresada en mA/V, se identifica con la letra S

mas adelante veremos la importancia de estos parametros, hasta el punto que conociendo solo dos de ellos podemos calcular el tercero para tener la informacion necesaria en un montaje.

Pero de donde se saca toda esa información, sencillo del fabricante.

Por ejemplo, la ECC83, y su equivalente americana 12AX7 actuales, son variaciones de válvulas fabricadas hace 50 años.
Variaciones, en construcción interna por materiales, ya que se busca siempre la correspondencia con la valvula original.

Dicho esto veamos donde pillar esos parámetros, evidentemente de los Datasheet del fabricante, circulan los originales incluso de las principales válvulas... os dejo un link super bueno donde estan casi todas las válvulas.

Datasheet

aquí encontraremos muchísima información al respecto, la principal sera algo como esto....

]

Esto serian las características de placa de una ECC83, como veis, tenemos un eje X de voltajes, indican los voltajes de alimentación que podemos usar llamados Vp, y el eje Y que serian las intensidades de trabajo Ip . Las lineas interiores expresadas en voltios negativos serian las Vg, o tensiones de reja, aunque vengan este caso indicadas como Ug, las tomaremos siempre como Vg.

Con este diagrama, y ciertas operaciones matematicas, podemos realizar los calculos pertinentes para el diseño de los circuitos.
Tanto Polarizaciones, biasing, como ganancia se calculan a partir de este esquema fácil y rápidamente....


POLARIZACION DEL TRIODO

Para la polariacion del triodo y otras valvulas, se usan tres sistemas generalmente.

Bias fijo



Este método necesita una alimentación exterior, ya sea pila, o de la propia fuente de alimentación mediante una tensión auxiliar. Este procedimiento es mas usado en los pentodos por ejemplo

Polarización por cátodo (cátodo bias)



En este caso la polarización se efectúa mediante una resistencia entre cátodo y masa, y depende de la corriente de placa de la válvula que previamente calculemos, es el método mas usado en todos los montajes de amplificación de tensión que veremos con el paso del post. (la resistencia de reja esta ahi por una cuestión que comentaremos en el montaje que se hara paso a paso )


Polarización escape de reja



Es un tipo de montaje poco empleado en amplificadores de baja frecuencia, pero es conveniente tenerlo en cuenta por su interacción con el montaje de polarización por cátodo.
En la practica hay una pequeña corriente de reja, del orden de microvoltios , con una resistencia de elevado valor, del orden de 8 a 10 Mg, puede provocar una diferencia de potencial del orden de 1V, suficiente para polarizar la reja.
Por eso en datasheet suele indicarse que en la polarización de cátodo la resistencia Rg no supere cierto valor para que la intensidad Ig no afecte a los cálculos de polarización de la válvula.

DISEÑO AMPLIFICADOR BASICO

Vamos a empezar por el diseño básico de cualquier amplificador de tensión.

Aquí vamos a puntualizar una cuestión muy muy importante y que algunos montajes DIY no tienen en cuenta, dando luego resultados poco previstos y dejando algunos con cara poker al encontrar que no da los resultados apetecidos.

Siempre tenemos que basarnos en el diseño de la fuente de alimentación y cual va ser la tensión de partida del montaje

Muchos diseños son copias de previos originales, pero para su funcionamiento no se tiene en cuenta que el diseño original trabaja a una tensión de alimentación preestablecida por el fabricante.

Si la tensión original es de 325V, hay que procurar alimentar nuestro diseño con la misma tensión o lo mas próxima. Desde luego alimentar un diseño en bae a 325V con 225V va a cambiar totalmente los parámetros de funcionamiento de la válvula, ya que la tensión de polarización, ganancia, tensiones prefijadas de cutoff y cliping nos varían totalmente.

Si no podemos llegar a esas tensiones, podemos analizar el circuito y "rediseñarlo" para que trabaje en el mismo segmento del original y si bien no ser completamente exactos, aproximarnos muchísimo al original.

Esquema base amplificador tensión

Podemos ver los elementos esenciales para polarizar nuestro triodo en este caso y por ser el mas común polarización por cátodo y que seria conveniente se tuvieran un tanto en la memoria para distinguirlos en distintos montajes, estos son

Vb = Tensión batería, o tensión de alimentación entregada por la fuente

Vk Tensión de cátodo

Vgk Tensión entre cátodo y reja

Vg tensión de reja, suele ser la tensión que apliquemos a amplificar, mas en el tipo de montaje que estamos polarizado por cátodo.

Rp Resistencia de placa, o tambien resistencia de carga de anodo. Suele tener valores predeterminados por fabrica de 47k, 100k, 220k ohms.

Rk Resistencia catodo, es la resistencia que nos va a fijar el punto de trabajo o bias del montaje.

Rg Resistencia unida entre reja y masa, que tambien puede ser el potenciometro de un paso anterior, tiene un valor limite para evitar la polarización por escape que nos alteraria el resultado.

Ip Intensidad de placa, la intensidad que circulara por nuestro triodo bajo determinadas condiciones.

Ya que tenemos los conceptos descritos, vamos a diseñar un amplificador como primera etapa, con la entrada directa de nuestra guitarra, con un alto nivel de impedancia y una ganancia alta sin buscar en este momento distorsiones.

En el diseño aplicaremos una tensión de 300V de alimentación o Vb. Con una resistencia Rp de 100K que es muy utilizada en todos los montajes. Utilizaremos también la hoja de características de placa que mencionamos anteriormente, asi que si alguno quiere ir haciendo practicas, que se imprima unas cuantas

Determinacion Recta de Carga Estatica

Para su calculo utilizamos algo tan simple como la ley de Ohm.

Tenemos una tension de 300V y una R de 100K. Nos queda ver donde ira su intensidad en el eje Y.

I = V / R
I = 300 / 100000 = 0.003 A o 3 mA

Ya tenemos la intensidad, ahora trazamos una recta que vaya desde los 300Vb en el eje X a los 3 mA en el eje Y. Nos quedara algo como esto.

Ya tenemos nuestra recta de carga, y vemos que cruza las distintas lineas Vg de la gráfica. Ya a simple vista nos informa de que la obtención de una tensión de polarización de 4 voltios nos va ser imposible por que no corta en ningún momento la recta de carga esa linea de polarización..




Ahora para nuestro primer paso tenemos que pensar en una tensión que nos de la máxima ganancia con el mínimo de distorsión momentáneamente, ya que lo que queremos es fijar un nivel de tensión para poder trabajar en los siguientes pasos, donde si moldearemos la señal para obtener unos sonidos mas valvuleros .

Si aceptamos que las pastillas no nos van a dar mas de 1V de salida (las activas ya sabemos que pueden darlo a maxima ganancia, pero hay que considerar que en si llevan un previo interiormente) una tensión de polarización optima seria mas o menos el punto medio que va de -4 que es la máxima tensión que podríamos obtener, aunque sin resultados, a -0 que es la tensión de saturación de la válvula, donde ya no obtenemos resultados en la amplificación por llegar a la saturación.

Muchos diran, claro pues -2 que es la mitad y punto pelota pero en este caso no queremos distorsión y si vemos la gráfica, en la parte inferior las lineas de reja se curvan, indicación que se entra en una zona de distorsión por falta de intensidad de placa.

Asi que buscamos otro nivel y vemos que -1.5 nos da una recta de carga mas limpia, sin entrar en zonas donde la señal se vea alterada.... Ya tenemos nuestro punto de polarización, sera de -1.5 V... y recordemos, usamos la polarización por cátodo, así que lo siguiente es calcular la resistencia adecuada Rk

El procedimiento para calcular esa resistencia sera el siguiente, siempre dentro de la grafica...

Marcamos un punto A justo en la interseccion de la recta de carga con la tension que queremos en reja, en este caso -1.5, y seguidamente trazamos una linea recta y paralela al eje X de voltajes hasta llegar al eje Y de intensidades. Este punto B nos marca una intensidad de 1,1 mA.

Para deducir la Rk echamos mano de nuevo de nuestro amigo Ohm R = V / I
R = 1.5v / 0.0011 A = 1364 ohm.

En la practica vemos que esa resistencia no existe dentro de los valores estandar del mercado, y puede ser un contratiempo, para solventarlo podemos escoger la mas próxima en valor por ejemplo 1k5 y calcular el resultado de esa resistencia dentro del montaje.
Ojo ya no nos vale el resultado de 1.1mA, lo que buscamos es una aproximación lo mas cercana al voltaje deseado...

Para ello dentro de la misma gráfica vamos a trazar otra linea en este caso la recta de carga de cátodo.

Para calcularla, utilizaremos una intensidad de referencia por encima de la que buscamos de 1.1mA digamos que 1.5mA, esto nos dara segun el colega ohms V= R*I.
V= 1500*0.0015A=2.25V nuestro punto C
y para el punto D de referencia la intensidad mínima de la gráfica por ejemplo 0.2mA por comodidad, podemos cojer cualquier punto que sea inferior a la intensidad de 1.1mA de referencia.

Dentro de la grafica vemos que esta recta pasa ligeramente por debajo del punto de -1.5 V aumentando ligeramente la tensión hasta los -1.6V. Creo que podemos darlo por bueno ya que entra dentro de los parámetros que requeríamos, una zona sin distorsión y con una máxima ganancia

Ya tenemos nuestra valvula polarizada, ahora podemos conseguir graficamente extraer como funcionara en reposo nuestro triodo.
Asi como las variaciones que tendremos al aplicar 1 voltio positivo o negativo en reja

Ya tenemos unos datos interesantes, en reposo la tensión sera de unos 195 voltios en placa, si metemos una tensión negativa de 1v en reja, esta sube hasta los -2.6V y la tensión en este caso sera de 252v, en el caso contrario de aplicar 1V positivo, la reja baja hasta los -0.6 y la tension queda en unos 130V.

Ojo una puntualizacion, esto no es alterna, hablamos de continua y una respuesta "teorica" de la valvula. Lo que si nos da seguro es la situacion de reposo y el punto de trabajo que buscamos.
De echo he dejado a un lado el condensador de catodo, ni hablo del corrimiento del punto de bias cuando se aplica una tension ya que este tipo de polarizacion depende de la intensidad de placa que como vemos en la grafica, tambien varia cuando aplicamos una tension. Repito, es un punto de reposo absoluto y una vista previa de las magnitudes que podemos manejar....

Creo que esta claro el funcionamiento de la válvula con determinados elementos muy simplificados. Solamente hemos conectado una resistencia de carga a una alimentación, y una resistencia de polarización para polarizar la válvula en el segmento deseado.
Es mucho parece, pero con esto poco podemos hacer, simplemente tenemos un dummy para su conexión a un circuito.

Empecemos pues a usar nuestro dummy y ver como se lo curra.


ETAPA AMPLIFICADORA

Al principio comentamos que seria un amplificador lo mas plano posible en cuanto distorsión, y con un elevado nivel de ganancia.
Ideal para un primer paso de amplificación, como por ejemplo el necesario para la conexión de nuestra guitarra.

De paso comentaremos la función de cada componente que en muchos amplificadores van montados de manera similar, cambiando los valores según el tipo válvula o diseño, pero que en si suelen realizar la misma función..

En este caso tendríamos este esquema, con las dos resistencias ya calculadas la de carga y la de catodo

Ademas tenemos unos elementos nuevos, R1 , Rg , Ck, Co, RL.
Todos ellos se pueden identificar en casi todos los esquemas de válvulas que encontréis, así que si tenéis uno a mano podéis familiarizaros con ellos.

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Rg Resistencia de carga de reja, esta resistencia suele tener un valor predeterminado, aunque podemos llevarla a unos limites fija la reja a masa para que la reja no se polarice ella sola y nos cambie el parametro.

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R1 Esta resistencia tiene cierta controversia en el mundo de las modificaciones, al ser una resistencia en serie con la entrada, se tiende a bajar su valor o incluso eliminarla. Creo y es mi opinion que se comete un error, técnicamente esa resistencia conforma un divisor de tensión con Rg, para evitar que el paso se vea interferido por RF (eso de que te salga "LA COPE" por el altavoz sin haber sintonizado nada ), y ademas para atenuar el efecto Miller implícito en las válvulas por la capacidad parásita interior. Esencialmente, con esa resistencia se crea un filtro pasa altos, pero con un corte muy muy elevado, que no afecta al rango de frecuencias de nuestra guitarra. Su valor suele estar fijado en 68K aunque se ven valores de 33k también.
Si tomamos como divisor 68k, y la resistencia Rg de 330k como mínimo, vemos que la caida de tensión va a ser mínima, aun así para evitar posibles caídas, se sube la Rg hasta un valor de 1Mg.

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Ck El famoso condensador de cátodo, también muy discutido en ciertas modificaciones. Si trabajásemos en continua, simplemente fijaría la tensión ante cortes abruptos en la tensión de reja, como los condensadores permanecen en carga, si bajase la intensidad de placa, bajaría la tensión de cátodo, y varia el punto, pero el condensador se encarga de fijar esa tensión, entregando parte de su carga para "estabilizar" el montaje. Pero aquí vamos a trabajar con señales alternas, señales que varían continuamente de polarización y que intentan variarnos todos los parametros cada milisegundo;)

Aqui tendriamos tres tipos de montajes.

Full bypassed el Ck, tiene una capacidad capaz de absorber todas las frecuencias, la intensidad de placa tiende a desplazarse, pero el condensador fija la tensión de cátodo sin permitir variaciones en la ganancia. De echo si el valor del condensador supera los 21uf ya "bypasea" todo el rango de frecuencias. En estos casos la ganancia es máxima, practicamente la maxima que sacamos del montaje.
Tonalmente tiene mas cuerpo, con una ecualización plana a todas las frecuencias, ya que son prácticamente amplificadas por igual.

Un bypassed El Ck no existe, la válvula esta sujeta a todo tipo de variaciones de cátodo y por tanto el bias se desplaza continuamente de un punto máximo a mínimo. La respuesta en grabes es mas baja, pero la rápida variación de medios agudos altos no afecta tanto, así que la amplificación se ecualiza hacia un punto medio alto. La ganancia cae estrepitosamente prácticamente a la mitad en todo el rango

Parcial bypassed El Ck tiene un valor indeterminado, que no supera los 21 mF que comente. En estos casos dependiendo del valor del Ck el amplificador se comporta como un booster a un rango determinado de frecuencias. Como ejemplo un condensador de 1mf en cátodo, dispara la ganancia a los 150Hz alcanzando el máximo a los 1000Hz.

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Co Es el condensador de acoplo entre etapas, con una sola etapa de amplificación no tenemos mucho donde exprimir, así que hay que echar mano de otro triodo para que la señal tenga unos parámetros adecuados. Este condensador evita el paso de tensión continua de la placa hacia el siguiente paso amplificador, aunque la señal como señal alterna si pasara

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RL Esta resistencia vista asi parece descuadrada, pero conforman un grupo de separación RC junto a Co. La continua queda bloqueada en Co, pero la alterna pasara por el condensador. Para que la caída de tensión alterna sea mínima, se utiliza un valor elevado 330k 470k. Tiene importancia para los calculos de ganancia en alterna.
Si os fijáis casualmente es el mismo valor que se da a una Rg, así que se aprovecha para inyectar la señal a la siguiente reja sin dilación (Aclaración. en este caso por llegar una señal con un elevado valor y de un paso con una elevada impedancia la R1 no es necesaria, cualquier señal parásita es rechazada por Co)

Ya tenemos los componentes elegidos nos tiene que quedar algo como esto

Están los valores, vamos a ver que características requiere cada componente. si alguno tiene alergia a los números lo siento pero ya andamos con matemáticas a cuestas, pero tranquilos que abra herramientas excel, y tampoco son tan complicadas.

R1, el paso de corriente por ella es prácticamente nulo, asi que un valor de 68k 1/4W es perfectamente correcto, respecto al tipo de construcción, cualquiera del mercado, metálica o carbón, realmente no tendrá incidencia en el sonido.

Rg. Con esta resistencia hay que tener cierto cuidado, si es la resistencia de entrada como es el caso de este montaje. Al igual que la R1, el paso de corriente es nulo o prácticamente inapreciable, así que con 1/4W nos basta.
La diferencia esta en si el input es el de la guitarra, o de un paso anterior de amplificación, RL en este caso. Aquí las variaciones de continua no existen pero si las de alterna ojo. Sabemos que el Co nos dejara pasar la tensión alterna, en algunos casos de 200v. Asi que le daremos un valor un poco mas alto para evitar ruidos térmicos sobre todo, asi que 1/2w es lo mas adecuado. Respecto al valor de 1Mg, es para dar una alta impedancia de entrada y asi no tengamos perdidas en la señal de entrada, tener en cuenta que ira en paralelo con el potenciometro de volumen , asi se obtiene el valor 330k 470k estandar para esa resistencia.

Rk Esta resistencia ya tiene un paso de corriente apreciable, que calculamos al referenciarla de unos 1.1mA. Pero esa intensidad varia realmente dentro de la recta de carga desde los 0 a los 3 mA maximos, para una mayor fiabilidad y estabilidad es recomendable tomar la Ip max como posible.
para calcular la resistencia de disipación mejor usar la ley de Joule para estos casos. P = R * (I al cuadrado)

P= 1500 * (0.003 al cuadrado) = 0.0135 W, 1/4 w nos sera suficiente.

Rp Nuestra resistencia de carga principal, en estos casos hay dos tipos posibles de resistencia, carbon compuesto o metalica. La respuesta de la pelicula metalica es mas rapida y abrupta, da un limpio mas claro y cristalino. La de carbon tiene una respuesta mas retardada, e internamente tiende a bajar hasta cierto limite su resistencia por el calor. El sonido de la pelicula carbon es mas "comprimido".

Hemos escojido el valor 100k que es el mas estandar, pero hay muchos montajes de high gain como los soldano que montan 220k, y otros que usan 47K si la alimentacion no sube de 250v.

Esto tiene una explicación a nivel armónicos, sobre todo el segundo armónico que el que nos da un tono mas musical y con mas presencia, ademas de generar una compresión tipo overdrive.

La valvula tiene dentro de su amplificacion, una distorsion armonica implicita.. si se usan resistencias de 47k esta distorsion armonica llega hasta un 10% segun la tension de entrada.
Con 100k es de 7.8% y con 220k baja hasta los 3.8%.

Respecto a la potencia a elejir volvemos a la anterior formula.
contando un maximo de intensidad, su potencia seria de 0.9 W.

Otro factor a tener en cuenta es la posibilidad de ruido térmico en estos casos. Ese hisss que algunos nos vuelve loco.
En sistemas de alta ganancia puede ocurrir que ese ruido termico llegue hasta un 2% de la señal, algo molesto.
La solucion. Elevar la potencia disipacion de la resistencia.
En este caso 1W en pelicula metalica va de perlas, pero en carbon es casi preferible unos 2W, asi ganamos tambien en estabilidad.

Ck ya he explicado su funcionamiento y su montaje.
En este caso he puesto un condensador de 1mf, su valor de voltaje, pues hasta 6.3v que es el valor comercial nos vale.
Los electrolíticos son perezosos en respuesta a frecuencias elevadas, asi que podemos usar un poliester de bajo voltaje, que son menos voluminosos, ya que el poliester tiene una respuesta mas rápida para las frecuencias que queremos enfatizar.

Co Nuestro condensador de salida, acoplo a la siguiente etapa. Para el calculo de su valor, hay que tener en cuenta la resistencia RL que montaremos, ya que nos hara como filtro pasa bajos. Vamos que ciertas frecuencias bajas perderan tension en el camino por su Xc o reactancia capacitativa.
El condensador se comporta como una resistencia a frecuencias determinadas, si son bajas, peor lo pasan.
Lo facil seria poner un condensador de 22mf y tirar palante, grande y hermoso, error, un condensador grande tiene un tiempo de carga demasiado elevado, y bloquea al final la señal.
Matematicamente se puede puede averiguar la frecuencia mas baja a partir de la cual hay una atenuacion apreciable.

f = 2pi * RL (en ohms)* Co (en faradios ojo)

f= 6.28 * 470000 * (0.022/1000000)= 15.40 Hz

Vemos que la atenuacion apreciable se efectua sobre los 16Hz, frecuencia por debajo del rango audible....

Respecto a la tension, aunque la placa no nos de mas de 300v en su caso extremo, la Vb de referencia. En alterna se generan picos muy elevados, y tambien hay que evitar cierta deriva de tension por la proximidad de las placas y el dielectrico de que esta construido el condensador. Como norma se suelen usar condensadores del doble de voltaje que aguantan en continua.
Su funcionamiento sera el mismo, y salvo la incomodidad del tamaño, evitan hirss por deriva.

Hay diferentes tipos de condensadores usados en este cometido.
Los famosos Orange Drop. Los mustard Philips. Papel, aceite, encapsulados, etc etc.

Cada uno por su tipo de construccion reacciona de diferente manera a las señales en alterna, de ahi su uso en determinados montajes.

Por ejemplo, para marshall plexi, estilo vintage, se usan los mustard. Si quieres algo mas "lineal" pero con respuestas tonales calidas los Orange drop, y asi etc etc..

RL Resistencia del grupo RC de desacoplo-acoplo. En este caso prepara la señal para la siguiente etapa. Puede ser un potenciometro de gain para el siguiente paso, o un divisor con dos resistencias, en cualquier caso para los cálculos hay que tomarla como una sola resistencia. Su valor como ya he comentado esta prefijado dentro de un rango de 330k a 1Mg.
La potencia por su carga de alterna es conveniente que sea de 1/2 w.

Ya están explicados los componentes y sus valores.
En la próxima entrega veremos que ganancia tiene nuestro ampli a una tensión de 1Vpp y 1000hz y la tensión de salida.
También cambiaremos la frecuencia para ver como cambia la respuesta.
Luego usaremos un amplificador sin condensador para ver como trabaja muy diferente . Como es logico ya no comentare el valor de cada componente y nos centraremos solo en su respuesta. Asi que los interesados repasen un poco cada componente para avanzar mas rápidamente.

Ya tenemos nuestro montaje de primera etapa.

Vamos a ver como se comporta con una entrada de señal determinada 1vpp y 1000Hz.

Como trabajamos en alterna, nuestro montaje quedaria asi.

Resulta curioso, nuestra Rp esta ahora en paralelo con RL, ¿por que?....... Bueno hemos visto que Co en alterna nos dejara pasar una frecuencia por encima de los 15 hz asi que para nuestra frecuencia Co es un cortocircuito, no existe asi unimos esos puntos.
Y Rp???? por que esta a masa??????

Rp, esta unida a unos electroliticos de filtrado en alimentacion. Y por supuesto la alterna pasa por alli que es un gusto , resultado, como si estuviera unida a masa......

A Ck y Rk han desaparecido????
Hemos comentado que Ck si fuera mayor de 21mF supondría un fullbypassed, esto ni mas ni menos es que la Xc o reactancia, expresada en Ohms, es de 144 ohms a 50 Hz y en el caso de 1000Hz de solo 7.24 Ohms.

Antes de todo, creo que es mas conveniente ver como se calcula en modo fullbypassed, donde Xc se considera 0, y por tanto la Rk desaparece (aunque esta ahí para la componente continua )para comprender primero como funciona en alterna el montaje.

Primero, calculamos la R equivalente de Rp RL que llamaremos R`L
las dos estan en paralelo.

R´L =Rp//RL= Rp*RL / Rp+RL = 47000000000 / 570000= 82456

Esta seria la carga "real" a la tensión alterna producida por el triodo.

Ahora entra en juego un "factor" de la valvula su Ri.
Su oposición a la corriente alterna se toma como una resistencia real derivada también a masa. Esto nos dará también el valor de impedancia de salida
En este caso le llamamos Rce (Resistencia carga equivalente)

Rce = Ri*R´L / Ri+R´L = 5153508772 / 144956 = 35552

Conociendo este dato podemos echar mano de un "axioma" valvular.

Tension salida= S * v-entrada * Rce

Recordemos que S es la pendiente del triodo, un factor entregado por el fabricante al igual que Ri y u

Vs= 0.0016 mA * 1 * 35552 = 56

Como vemos estamos lejos del 100 teórico de esta válvula, esto es normal, esos niveles de ganancia serian con Rp del orden de 5Mg y con tensiones continuas, en alterna como vemos nos afectan mas factores externos.
Aun asi es un factor de ganancia importante unos 35 dB.

Eso si, tener en cuenta que son valores aproximados, no exactos.
Tolerancias de resistencias, condensadores, etc. influyen para un resultado exacto, incluso el propio comportamiento de la valvula que según el segmento de trabajo pude tener distinta S, Ri, u.
Son parámetros que influyen notablemente y una ligera variación puede hacer que nuestro montaje de una ganancia de 50 o 53.

Un saludo.. continuaremos con el montaje con Ck parcial y el montaje sin Ck o Unbypassed que es muy interesante para empezar a "modelar" la señal.

Refrescamos, nuestro montaje principal era el siguiente.
(siento ser repetitivo pero es para que tengais en cuenta las variaciones)

Anteriormente hemos realizado los calculos para un amplificador fullbypassed, amplificando todo el rango de frecuencias.

Nuestro paso siguiente es el método unbypassed. Sin ningún tipo de condensador en el cátodo que estabilice la tensión de bias, y por tanto con un corrimiento del punto del trabajo a lo largo de la linea de carga.

Esto es importante, ya que con una señal aplicada a la rejilla, el punto de trabajo cambia dependiendo de la amplitud de la misma.
Intenta "correr" hacia el punto máximo o mínimo de la señal, al tener un mayor o menor consumo en IP. Esto salia en nuestro gráfico del punto de trabajo con tensiones.

Tenemos varios datos, el punto de polarización -1.6 representa un consumo de 1.1mA. Cuando inyectamos una señal de 1 V positivo, la reja baja hasta los -0.6V y representa un consumo de 1.7mA y en el caso contrario si aplicamos -1V a la reja, esta sube hasta los -2.6 representando un consumo de 0.5mA.

Si imagináis esto a una frecuencia de 2000Hz, hacer los cálculos de esas variaciones puede ser imposible...
Bueno hay una formula expresa para ello.

Ganancia =u*R´L / R´L+Ri+Rk*(u+Ve)
Ve seria la tensión de entrada que para los cálculos lo tomaremos como 1.

Recordar que R`L es el valor de calcular Rp y RL... ojo. Estamos en Alterna.

si en fullbypassed la ganancia era de 56, con una resistencia de 1500 ohms y sin condensador nos da una ganancia de 27 como veis prácticamente la mitad.
Si escogemos una resistencia de mayor valor por ejemplo de 5k escogiendo un punto de polarización mas alto de -3V la ganancia se nos quedaría en 13
Por contra si escogemos un punto de -1 con una resistencia de 820 (aproximacion estandar) la ganancia es de 36

Por que??? sencillo, gráficamente cuando el punto es mas aproximado al punto de corte de reja, en este caso -4, hay una compresión mayor entre las lineas de reja (menos espacio grafico)
El punto de bias en unbypassed tiene menos sitio donde recorrer la linea de carga.

Incluso con un sistema bien polarizado y fullbypassed, esa compresión es evidente y es la que da ese grado de tonalidad a la válvula que el transistor no tiene
En la gráfica ya nos lo está diciendo, fijaros en las tensiones de placa. Si aplico una tensión de 2vpp en alterna. La reja ira de -1.6 a -0.6 en el periodo positivo de la señal. Vemos que la señal de placa ira de los 195v a los 130v. Esto son unos 65v variación negativa. Por contra cuando la señal esta en su máximo negativo. La reja sube hasta los -2.6 V, con una tensión de placa de unos 252v equivalen a 58v variación positiva.

Esto es la distorsión armónica inherente a la valvula. ojo

Se puede medir en el segundo armónico, el mas musical con la siguiente formula, es una aproximación, pero da una idea del porcentaje de "compresión"

Da2 = Vneg-Vpos / 2 (Vneg + Vpos)* 100

Da2 = 2.85 %

Ya tenemos nuestra distorsion natural, cuttoff. Recorte por punto de reja. Esta presente en cualquier punto que escojamos incluso no buscándolo. Siempre esta presente en mayor o menor medida.

Ni que decir tiene que si buscamos un punto de polarización lo mas bajo de la gráfica posible, mas cutt off tendremos... aun que no hay que detenerse ahí solo.

La próxima el clipping o recorte....

Hemos llegado al montaje unbypassed, con una polarización hacia el cutt off, leve, pero evidente.

Ni que decir tiene que si lo que buscamos es una compresión mayor, con muchos armónicos. Buscaríamos un punto de polarización mas cercano a la zona de compresión.

Eso si sin recortar en demasía la señal. ya que contra mas plano es el recorte, la aparición de armónicos impares es mas evidente y llegan a ser molestos (todo en su justa medida) si nos pasamos podemos convertir nuestra onda cuasi sinoidal en una onda cuadrada perfecta, al añadir mas armonicos impares.
Algo como esto....

Siempre dentro de nuestra recta de carga inicial. Tenerla en cuenta siempre.

Por ejemplo una polarización de -2.5V, ya esta próxima a la zona de curvatura inferior, y por tanto la zona de cutt off es evidente.
Esta zona es una zona de distorsión asimétrica , mas adecuada para rock, tiende a ser mas fría. Fijaros en el recorte abrupto de la señal en su parte superior.

De esto podemos deducir tambien lo siguiente, ¿si bajamos el punto de polarización, que ocurre ?

Pues que entramos en zona de saturación de la válvula. Esta no puede conducir por encima de los 0V reja, de hecho deja de conducir en una zona próxima pero aun con tensión negativa.

Esto hace que la distorsion sea muy parecida a la asimétrica, pero con una caida mas suave hacia el valle. Mas overdrive, con una riqueza aun mayor de segundos armónicos...
Distorsión por limite de reja. (Grid-current limiting en ingles).

Lo que obtenemos es una distorsión mas caliente con una mayor presencia de la nota, ya que no se ve afectada por armonicos impares tanto como la distorsión por cutoff.

Esto en la parte inferior en este caso de la señal indicada en el osciloscopio.

Y la distorsión simétrica ?????? Pues si calculamos que la tension de entrada de nuestro amplificador (aunque no es el caso) llegase a los 4vpp en la reja... el recorte seria por cutoff y por limite de reja, asi que tenemos un recorte, en los dos picos de la señal

Notese que la onda esta saturada tanto en su cresta superior como inferior.

Para los amantes de los pedales de distorsión, la distorsión asimétrica seria un SD1 de boss y simétrica seria un TubeScramer.

Resumiendo, el método unbypassed, es el método mas adecuado para modelar con distorsion nuestros montajes o mods.
Podemos hacerlo por elección de punto de trabajo, buscando la tonalidad mas fría o caliente que queramos. Distorsión asimétrica.
O por saturación total de la válvula. Distorsion simetrica.

Terminaremos la descripción del montaje con el montaje Parcial bypassed, donde tenemos la oportunidad de enfatizar ciertas frecuencias y aumentar su ganancia.

Polarización parcial bypassed.

Ya hemos visto las diferentes posibilidades de polarizar nuestra válvula. Pero nos queda una intermedia, la de polarización parcial, donde nuestro montaje va a funcionar de una manera diferente segun el rango de frecuencias que introduzcamos.

Aquí quiero hacer una aclaración, el condensador de cátodo, no es que filtre frecuencias a masa, si fuera así, a través del cátodo derivaríamos todo el espectro con un condensador de apenas 1mf.

Lo que hace es que al fijar la tensión de cátodo, la ganancia sea mayor. Aproximándose lo mas posible al máximo teórico del montaje.

Si escogiendo un condensador de 21mf, la valvula se comporta como un amplificador lineal a todo el espectro audible.

¿que pasa si tomamos un condesador de menor capacidad?
¿como actuaria?....

Como dos amplificadores en uno
A frecuencias bajas, si su capacidad no es elevada, tiende a comportarse como un amplificador unbypassed, pero a frecuencias mas altas, boostea, amplifica en mayor medida las señales de mayor frecuencia.

Esto se puede calcular matemáticamente, recordar que algunos concepto como ganancia etc, las hemos podido deducir con sencillas formulas, y como gráficamente es mucho mas sencillo de asimilar. empecemos por nuestro amplificador sin Ck.

Vemos que nuestro amplificador, tiene una ganancia de apenas 28dB, con una respuesta totalmente plana (la linea no muestra tendencias a subir o bajar en ningún rango).

Por el contrario, si metemos un condensador Ck de 1mf la gráfica ya muestra algunos cambios....

Nuestra gráfica ya indica que las frecuencias mas altas se ven aumentadas en ganancia llegando a los 35 dB.
También se percibe que el mayor aumento se encuentra en el rango comprendido entre 100hz y 1kz.
Concretamente hay un punto donde la frecuencia es evidentemente amplificada en mayor medida, punto halfboost, donde la ganancia ya es aproximadamente el 70% de la ganancia total y se considera que entra dentro de las caracteristicas de ganancia en frecuencia de nuestro amplificador, cualquier punto de frecuencia por debajo de dicho punto se puede considerar como atenuada respecto a la ganancia total.
Este punto en el caso de la gráfica esta representado por 126.25 Hz. Que sera el punto de frecuencia medio amplificado. Por debajo, hay amplificación, pero en mucha menor medida, y perceptible por nuestro oído.

Si subimos aun mas nuestro condensador Ck hasta los 5mf, la grafica aumenta su ganancia mas aun en todo el rango.
Las frecuencias bajas aun son perceptiblemente menos amplificadas, pero el punto medio ha bajado hasta los 28hz.
Como respuesta tendremos una mayor respuesta de graves y unos medios aun mas contundentes ya que el punto de boost sube considerablemente sobre los 200hz

Visto esto vemos que nuestro Ck puede variar la respuesta del amplificador de modo notable..¿pero solo es este factor?
Realmente no.
En realidad tanto nuestra Rp, RL, Rk y Ck inciden notablemente en el circuito. Tanto en la ganancia total, como en el punto medio de frecuencia.

Como se que es algo complejo de entender, he preparado unas hojas de cálculo con las tres válvulas mas empleadas para que veáis y comprobéis las diferentes ganancias, incluso a diferentes tensiones de entrada, Rp, RL, Ck.

Como lo prometido es deuda, aquí os dejo un rar con los cálculos de las principales válvulas.. asi que una hoja donde se calculan las impedancias de entrada y salida de cada valvula.

Las celdas en naranja se pueden variar, como son Rp, RL, Rk y Ck.
Así podréis ver el comportamiento a diferentes valores.

La representación grafica esta al final, y os indica el punto medio donde la frecuencia ya es amplificada en toda la ganancia del triodo.

Respecto a las impedancias, que algunas veces ha salida a relucir en el foro.

La impedancia es la oposicion de un componente, ya sea bobina, resistencia, capacidad, etc. a la corriente en alterna CA.

Para un calculo exacto hay que tener muchísimos factores, como frecuencia, fase, etc etc.

Para simplificar se recurre a cálculos aproximados, como es el caso que expongo.

En todo caso, hay ciertas "normas" que hay que tener en cuenta.
Cuando queremos amplificar una tensión, la impedancia de entrada el amplificador tiene que ser un mínimo de 5 veces superior a la impedancia del generador. En este caso las pastillas de nuestra guitarra..

En el caso de las pastillas, la corriente inducida es realmente pequeña, casi imperceptible, no así la tensión. Así que el montaje de entrada tiene que tener una impedancia muy muy alta para que esa tensión no caiga por efecto de la impedancia entrada.

En nuestro montaje y contando una impedancia de 5k.. vemos que el primer paso tiene una Rg de 1Mg. Como se puede ver la relación es elevadisíma. En este caso podemos decir que el amplificador tiene acopladas sus impedancias, sin perdidas de tono, etc.

Cuando ya hacemos amplificadores en cascada, como es el caso de los amplis de guitarra. Tenemos que tener en cuenta la impedancia de cada paso (ahi el motivo de la hoja calculo).

Ni puede ser muy alta, en cuyo caso el siguiente paso no amplificara en toda su ganancia, dado que parte de la corriente cae en la propia impedancia de carga. Ni muy baja, ya que la perdida de volumen es excesiva, asi como una perdida de agudos notable.

Esto es lo que suele pasar cuando conectamos dos amplificadores a la misma guitarra, en paralelo, la definicion de agudos y medios se pierde. La impedancia de entrada es la mitad, y la bobina tiene que repartir la tension entre dos entradas.

Para esos casos se recurre a un pequeño amplificador buffer, que no es mas que un previo, con una entrada alta de impedancia y una salida muy baja, pero donde la señal ya se preamplifica a unos voltajes manejables por los amplificadores. Ademas esta salida de baja impedancia permite que los cables tengan un mayor recorrido (tampoco un campo furbo )

Por ejemplo con la ECC83 y ECC81, con un montaje de ganancias muy parejas sobre los 34dB, el tono de salida de una y otra es perceptible, mas "chillona" y tirando agudos de la ECC83 respecto a la ECC81, mas "melosa" con gran cantidad de medios.

Esto es debido sobre todo a la impedancia de salida intrínseca de cada válvula. Cada valvula tiene una Ri totalmente diferente que afecta a los calculos de impedancia, y por tanto a su respuesta.

Con esto ya tenemos la base suficiente para entender lo que es un amplificador de tensión montaje cátodo común, el mas usado.

En la próxima entrega daré idea de algunos montajes mas "raros" que se pueden usar en amplificadores de guitarra. Seguidor catodico, inversor de fase.
Eso si, factores como Rk, Rp, y RL, son importantisimos también, así que tenerlo en cuenta.

MONTAJES ESPECIALES

Seguidor catodico.

Cathodo follower en ingles......

Montaje muy utilizado en amplificadores a válvulas, en diversos pasos.

Por ejemplo en los envíos de send de los loop de efectos.

En la preparacion de la señal para un tone stack......

En micrófonos a válvulas .....

que tiene de particular ese montaje....

Su baja impedancia de salida, ademas de su ganancia en intensidad
A diferencia del amplificador por cátodo común, el seguidor catodico, no amplifica tensión, de hecho, su ganancia es menor que la entrada, generalmente del orden de 0.95.
su montaje típico es el siguiente....



Este seria el montaje tipo para la preparación de la señal al tone stack.... Como veis he indicado una R equivalente, que sera el resultado de los tres potenciometros, con sus variaciones en el cursor ni que decir tiene que la R sera totalmente distinta según ecualicemos. Ademas estará la reactancia producida por los condensadores de tono, y la resistencia en paralelo del potenciomentro de volumen.

Todo ello da como resultado un circuito con un bajo nivel de impedancia de entrada.

Anteriormente hemos comentado que los pasos tienen que ser con una baja impedancia de salida y una alta impedancia de entrada. En este caso, la impedancia nos va a variar considerablemente, sobre todo a un nivel bajo en cuanto tengamos cursores a la mitad en medios y graves.

La resolución de este problema, es buscar un circuito con una impedancia aun menor, y sobre todo donde la señal ya tenga cierta potencia, en este caso junto al ultimo triodo amplificador da como resultado un seguidor acoplado en DC, la placa de el triodo amplificador, ataca directamente la reja del seguidor catodico, el cátodo esta acoplado a masa con una resistencia de alto valor, generalmente de 100k, la tensión resultante es igual prácticamente a la de reja, que a su vez esta acoplada a DC con otra resistencia de 100k.
Por eso se llama seguidor catodico, por que la tensión de cátodo, sigue a la de reja. en este caso el triodo amplificador y el triodo seguidor tenemos que tomarlos como componentes del circuito seguidor, no por separado.



OJo, aqui alguno puede pensar, pero la impedancia de salida del circuito no seria la R de 100K ?????.
En el caso de la reja si se toma por valido, ya que la corriente de reja es infima, practicamente despreciable, pero en catodo tenemos ya una corriente elevada, y esta sujeta a la Ri y a la pendiente S o transconductacia de la valvula...
En este caso para calcular la impedancia de salida tenemos la siguiente formula...

Zout = (Rp+Ri)/(u+1) = (Rp seria 0 + 62.5K)/(101)= 626 ohms.

Y como tenemos una R en paralelo con la impedancia, lo resolvemos y nos da....

Zsalida= Zout || Rk = 626||100000 = 622 ohms.

como vemos una impedancia realmente baja a nivel de alterna, que va a permitir que la carga del circuito tone stack, aunque varíe , no nos afecte a nuestra señal.


Como ejemplo una parte del circuito de un amplificador en su loop de efectos, donde vemos dos seguidores catodicos completos.



La salida del loop proviene de un seguidor catodico, esto da una baja impedancia adecuada para un dispositivo de reverb, delay etc. su salida entra dentro del ampli por return, directamente al triodo amplificador del seguidor, y este a su vez al segundo triodo del seguidor, hacia la linea de tone stack o ecualización en este caso.

inversor de fase.

en ciertos montajes, sobre todo en montajes donde los pentodos van montados en pushpull o balanceados. Es necesario inyectar la señal en cada pentodo, pero con distinta fase para que los pentodos trabajen en un segmento diferente de la señal.

Para ello hay un diseño, derivado del seguidor catodico que nos permite obtener estas señales en contraposicion o desfasadas.



Como veis, la señal la obtenemos tanto de la placa como del propio catodo. Para que esta sea igual en amplitud, las R de carga, tanto Rp como Rk son del mismo valor, aproximadamente 100k.
A simple vista se puede deducir, que cuando la señal esta en su máximo pico en placa, la tensión es la menor posible en cátodo, y cuando es la señal de menor pico en placa, la tensión de cátodo sube hasta su máximo.
Todo hasta aqui, perfecto, pero tenemos un problema con el uso de este circuito, dado que la señal se obtiene del catodo, y como hemos comentado en el apartado del seguidor catodico, su ganancia es menor de 1.
Sencillo, fiable, con una impedancia compensada, pero que en el caso de querer atacar directamente la reja de los pentodos, la señal no seria suficiente para obtener su máxima potencia. Salvo que previamente subamos el nivel de tensión hasta unos niveles elevados. En ese caso tendriamos que optar por un triodo que admita esos niveles de tension de reja, ya que en estos pasos dejamos de modelar la señal y buscamos una señal limpia y que sea lo mas fiel a lo entregado por el paso anterior.

Para el caso de la mayoría de los amplis, se usa un montaje mas complejo, usando dos triodos, llamado inversor schmit, o inversor por acoplamiento de cátodo, que queda mas latin lover ..XD
El nombre ya lo dice, los triodos se acoplan por el cátodo, y en el caso de la reja del segundo triodo, se fija la tensión de polarizacion con un condensador de acoplo a masa.



En esencia la tensión de cátodo nos varia dependiendo de la señal, en el caso del primer triodo, recordemos el montaje unbypassed, esto hace que el cátodo varié en su señal, como el catodo del segundo triodo esta unido a este. Su señal se vera a su vez variada por la accion del primer catodo, pero la reja de este triodo, esta acoplada a masa con un condensador, fijando la tensión de reja a un valor determinado respecto a cátodo.

Facilitando su compresión, la señal del primer triodo, en reja, realiza una variación de la tension de reja, y en placa nos muestra la señal, amplificada y desfasada 180º respecto a la señal original. El segundo triodo esta acoplado en cátodo, las variaciones de tensión en realidad se producen en cátodo, de hecho el montaje es una derivación de rejilla común, donde la reja esta fija a las variaciones.

Con esto, cualquier variación en cátodo, es imitada por la placa, pero en este caso y al tenerla señal fija de reja, en fase

Respecto a las Rp de este montaje, hay muchas variaciones, hay montajes mas vintage que montan resistencias de igual valor. Montajes mas modernos buscan un mayor equilibrio de la señal ya que la ganancia del segundo triodo suele ser algo menor . Para ello se disminuye la ganancia del primer triodo montando una Rp de menor valor.
Esto ni es bueno, ni malo, simplemente diferente, sobre todo en el caso del amplificadores de guitarra, en amplificadores HIFI si se busca un mayor equilibrio para una mejor respuesta a la salida.
Yo he realizado pruebas de inyección de señal, y medidas con el osciloscopio no hay una diferencia apreciable.

Con esto tenemos ya de la mano lo básico para diseccionar cualquier previo que encontremos en esquemas.
espero que os sirva de ayuda en vuestras mods, como ejemplos la próxima entrega haremos algunas mods en amplificadores, sobre el papel claro esta, luego la busca del tono deseado, es cuestión de experimentar. Pero al menos tenemos la herramienta teorica para ir en la buena dirección.

gracias por el curro frasco