UNIVERSITY OF EXTREMADURA Escuela Politécnica Master in Telecommunication Engineering Final Master Project “Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar” Sergio Búrdalo Hernández June 2015 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 2 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering UNIVERSITY OF EXTREMADURA Escuela Politécnica Master in Telecommunication Engineering Final Master Project “Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar” Author: Sergio Búrdalo Hernández Signature: Director: Antonio Gordillo Guerrero Signature: Tribunal Calificator President: Signature: Secretary: Signature: Vowel: Signature: Date: CALIFICATION: Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 3 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering Agradecimientos Con este proyecto pongo punto y aparte a una feliz etapa de mi vida. Han sido seis años en los cuales un folio se queda corto para mencionar a toda la gente que ha puesto de su parte para que hoy esté donde estoy. Algunas de esas personas seguramente nunca sepan que su nombre figura en este documento, pero darles las gracias es lo mínimo que puedo hacer para agradecerles su apoyo, esa mano en los momentos duros… el haber estado ahí. Mi familia son los principales culpables de mi éxito. Han estado a mi lado en todo momento aguantando mis malos ratos, poniéndome los pies en la tierra, haciendo fácil lo imposible y eso vale más que todas las matrículas de honor del mundo. “Máma”, “Pápa”, Paula: con nuestra foto delante a muchos quilómetros de vosotros me vienen a la cabeza los “tapers” que me dejabais en la mesa para que comiese en la biblioteca, los sábados que habéis limpiado la casa por mí para que no parara de estudiar y esa frase de “Suerte hijo. Suerte y al toro que eso lo tienes hecho” que me decíais SIEMPRE antes de irme a los exámenes y me daba la vida. Es imposible que no se escape una lágrima al recordar esos buenos momentos pero siempre estarán ahí y os lo agradezco de corazón. Sois muy grandes. También estáis vosotros, hermanos del “SD”, que seguro vais a echar de menos las “rabiadas” a las 5 de la mañana cuando me acordaba de que al día siguiente tenía que estudiar. Hemos celebrado aprobados y suspensos, pasado horas y horas en la biblioteca… ¡gracias chavales y mucho ánimo! Qué decir de Serapio, Porro, Alfonso, Serna, Carmen, Eva, Adol… los Telecos. Un grupo inmejorable, donde siempre ha primado el buen rollo entre todos y hemos aprendido a ser compañeros y facilitarnos la vida. Me llevo grandes amistades de la carrera y estoy seguro de que nos veremos pronto. Gracias a todos por estos maravillosos 6 años. Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 4 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering Gordillo, ¡una vez más no te libras de salir aquí! Por segunda vez he tenido la suerte de contar con este pedazo de profesional con el que siempre es un placer trabajar. Aun teniendo la dificultad añadida de dirigir un proyecto en el que de inicio las cosas tendrían que hacerse de otra forma debido a mi traslado a Madrid, no dudó en repetir conmigo y gracias a su flexibilidad, implicación y profesionalidad ha sido aún más fácil si cabe llevar a cabo el proyecto. Los que bien me conocen saben que solo tengo buenas palabras para él y no es para menos. Ha sido un auténtico placer compartir tantas horas juntos y estoy seguro de que seguiremos en contacto. Las “illas”, Claudia y Celia, dos bellísimas personas que pude conocer gracias a la Universidad y que me llevo conmigo. Ha sido genial compartir descansos, comidas improvisadas en la biblioteca y nervios antes de saber las notas… ¡gracias por estar ahí! Mi abuela Ana… ¡cuántas veces habrá rezado a San Antonio para que me fuese bien en los exámenes…! Santos a parte, siempre creyó en mí y a pesar de su completo desconocimiento de la materia se interesó por todos y cada uno de los exámenes. Te doy las gracias por tu apoyo incondicional. Te quiero abuela. Y por último darle las gracias a toda “la buena gente” de la Escuela, compañeros y profesores. Esos que por temporadas se han convertido prácticamente en familia y que no han dudado nunca en poner todo lo que estaba de su parte. A todos os debo una canción. Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 5 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering INDEX Picture list ................................................................................................................... 8 1. Abstract .............................................................................................................. 12 2. Keywords ............................................................................................................ 13 3. State of the art ..................................................................................................... 14 3.1. Why valves? Previous concepts ....................................................................... 15 3.2. Commercial amplifiers model ......................................................................... 17 4. Circuit analysis ..................................................................................................... 21 4.1. Analysis of the key components. Thermionic valves. ....................................... 21 4.2. Descripción general y definición de especificaciones del amplificador. .............. 33 4.3. Diagrama y definición de bloques funcionales................................................ 35 5. Proceso de diseño a nivel de circuito. ...................................................................... 42 5.1. Estudio del problema de diseño ................................................................... 42 5.2. Objetivos de diseño. especificaciones. .......................................................... 42 5.3. Decripción de componentes más importantes y determinación de valores......... 43 6. Modifications....................................................................................................... 62 6.1. Control de nivel de máster PPIMV ................................................................ 63 6.2. Retroalimentación negativA ........................................................................ 66 6.3. Conmutación Pentodo/triodo...................................................................... 67 7. Prototype construction.......................................................................................... 69 7.1. Componentes Empleados ........................................................................... 69 7.2. Contructions steps ..................................................................................... 73 8. Test configuration and testing proposals .................................................................. 82 9. Costs comparison ................................................................................................. 87 10. Conclusion and opinion ..................................................................................... 89 Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 6 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering 11. Bibliografy ....................................................................................................... 90 12. Appendix......................................................................................................... 91 Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 7 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering PICTURE LIST Ilustración 1. Audion. First amplifier device created by Forest history. ................................ 15 Ilustración 2. Outline of different vacuum and real view. .................................................. 16 Ilustración 3. Harmonic distortion suffered after amplification valve technology at a frequency of 60Hz with 5 harmonics............................................................................................. 17 Ilustración 4. Marshall Super Lead scheme. .................................................................... 18 Ilustración 5. Marshall Super Lead 100W commercial view................................................ 18 Ilustración 6. Vox AC30 commercial schema. .................................................................. 19 Ilustración 7. VOX AC30 commercial view. ...................................................................... 20 Ilustración 8. Triode definition. ..................................................................................... 22 Ilustración 9. Definición de válvula tríodo. ...................................................................... 24 Ilustración 10. Línea de carga a 100k ohmios para un voltaje de 300V................................. 25 Ilustración 11. Cambios de voltaje de cátodo para una Línea de carga a 100kOhmios para un voltaje de 300V........................................................................................................... 26 Ilustración 12. Clipping obtenido en una válvula ECC83. ................................................... 27 Ilustración 13. Soldano SL0 100. .................................................................................... 28 Ilustración 14. Características estáticas del ánodo en una válvula ECC83. ............................ 30 Ilustración 15. Función de transferencia de una válvula de pre-amplificación 12AX7. ............ 30 Ilustración 16. Efecto de una válvula rectificadora de corriente sobre una señal senoidal. ..... 31 Ilustración 17. Válvula rectificadora 5aR4 utilizada en el proyecto. ..................................... 31 Ilustración 18. Válvula de vacío. Esquema perteneciente a un tríodo. ................................. 32 Ilustración 19. Diagrama de bloques funcionales. ............................................................ 35 Ilustración 20. Ubicación de la etapa de alimentación en el circuito.................................... 36 Ilustración 21. Ubicación de la etapa de entrada en el circuito. .......................................... 37 Ilustración 22. Ubicación de la etapa de previo y ecualización............................................ 38 Ilustración 23. Características y valores típicos de operación de la 12AX7. ........................... 38 Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 8 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering Ilustración 24. Ubicación de la etapa de potencia en el circuito.......................................... 39 Ilustración 25. Características y valores típicos de operación de la válvula 6V6. .................... 40 Ilustración 26. División de etapas en el esquema Tweed Deluxe......................................... 43 Ilustración 27. Vista por etapas de la fuente de alimentación. ........................................... 44 Ilustración 28. Etapa de entrada.................................................................................... 45 Ilustración 29. Tensiones requeridas en transformador de entrada para alimentación del circuito. ..................................................................................................................... 45 Ilustración 30. Transformador de alimentación utilizado en el diseño. Tensiones devanados.. 46 Ilustración 31. Válvula rectificadora de fabricación rusa: Sovtek 5AR4................................. 48 Ilustración 32. Banco de filtros ubicado en la alimentación del amplificador. ....................... 48 Ilustración 33. Conexión de terminales al banco de filtros. ................................................ 49 Ilustración 34. Potenciómetros de control de volumen Canal 1 y Canal 2 ubicados en etapa de previo. ...................................................................................................................... 50 Ilustración 35. Etapa de entrada multicanal. ................................................................... 50 Ilustración 36. Etapa de previo y ecualización.................................................................. 51 Ilustración 37. Válvulas 12AY7 y 12AX7 empleadas en el diseño. Fabricante: Electro-Harmonix. ................................................................................................................................ 52 Ilustración 38. Diagrama de conexionado y esquema de pines de la válvula 12AY7. .............. 53 Ilustración 39. Ubicación de la válvula de previo V1 tras la etapa de entrada. ...................... 53 Ilustración 40. Control de Bias en la primera válvula de pre-amplificación. .......................... 54 Ilustración 41. Válvula 12AY7 utilizada como válvula de baja ganancia. ............................... 55 Ilustración 42. Configuración de Tone Stack para el control de tono con la válvula 12AX7. ..... 56 Ilustración 43. Válvula rectificadora 12AX7. .................................................................... 57 Ilustración 44. Diagrama de pentodo y dirección de los electrones. .................................... 58 Ilustración 45. Etapa de potencia extraída del esquema de Tweed Deluxe. .......................... 59 Ilustración 46. Imagen comercial del transformador de salida Hammond 1750W de 15W...... 60 Ilustración 47. Esquema de la etapa de salida.................................................................. 60 Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 9 Design and construction of vacuum tubes amplifier for electric guitar Final Master Project Master in Telecommunication engineering Ilustración 48. Vista general y respuesta en frecuencia del modelo “Celestion V30”.............. 61 Ilustración 49. Configuración inicial de la etapa de previo. Inversora de fase sin control PPIMV. ................................................................................................................................ 64 Ilustración 50. Modificación realizada en la etapa de previo. Inversora de fase con control PPIMV. ...................................................................................................................... 64 Ilustración 51. Vista de la instalación del control de Máster sobre el chasis (izquierda de la imagen). .................................................................................................................... 65 Ilustración 52. Puntos de feedback negativo propuestos................................................... 66 Ilustración 53. Switch DPDT utilizado para la conmutación y estados que puede tomar. ........ 67 Ilustración 54. Conmutación interna del Switch DPDT de Pentodo – Triodo. ........................ 68 Ilustración 55. Resumen de componentes empleados. ..................................................... 69 Ilustración 56. Vista del interruptor de “stand by”. .......................................................... 70 Ilustración 57. Esquema de pines obtenido a partir del datasheet de la válvula 12AY7. ......... 71 Ilustración 58. Esquema interno de una resistencia variable. ............................................. 72 Ilustración 59. Relación de trabajo de potenciómetros en función del tipo. ......................... 72 Ilustración 60. Draft copy of construction board schema................................................... 74 Ilustración 61. Full view of the plate built by turret. ......................................................... 74 Ilustración 62. Top view of wiring installed on the board................................................... 75 Ilustración 63. Bottom view of wiring installed on the plate. ............................................. 76 Ilustración 64. Prototype view after implantation of the wiring board................................. 76 Ilustración 65. Interconnection of all circuit elements. Twisted wiring................................. 76 Ilustración 66. View of transformer................................................................................ 77 Ilustración 67. Prototype view after placement of sockets................................................. 77 Ilustración 68. Valve tube side view. .............................................................................. 78 Ilustración 69. Protector valve (above) and ceramic sockets (below) used in the installation of valves pre-amplification in the chassis............................................................................ 78 Ilustración 70. Back view of the chassis used in the construction of the prototype. ............... 79 Sergio Búrdalo Hernández | Picture list 10