Introducción

El amplificador Williamson es un diseño del ingeniero británico D.T.N. Williamson y fue publicado por primera vez en la primavera de 1947 en la revista “Wireles World” y después de una actualización por segunda vez en 1949. Williamson trabajaba para la compañía M-O Valve Company (Marconi-Osram Valve Company) en Inglaterra como ingeniero de aplicaciones y después en Ferranti.
La idea de hacer un nuevo diseño de amplificador vino por un lado por su propio interés y también como medio de promocionar el nuevo tetrodo de haces dirigidos de M-O tipo KT66.
La válvula KT66 fue creada por M-O para competir con los triodos de potencia que dominaban en el mercado de los amplificadores de audio, después vinieron la EL34 de Mullard y Philips y su versión americana que era la 6CA7.
El amplificador se diseñó para utilizar un par de tetrodos KT66 conectados como triodos en una configuración en Push-Pull en clase A dando una potencia máxima de unos 16 Wrms. Se aplicó también realimentación negativa de una manera controlada consiguiendo una banda pasante de 20 Hz a 20 KHz con un margen de 0,2 dB y una distorsión menor de 0,1 % con 15 W. de potencia de salida y lo mas importante; un cuidadoso diseño del transformador de salida partiendo de unas ideas que hasta entonces nadie había usado.
Este diseño que marco un punto de inflexión en la historia de la Alta Fidelidad se hizo famoso por su bajo nivel de distorsión.
Después de la guerra mundial, Europa tenía otras cosas que hacer y la Alta Fidelidad era un lujo al alcance de unos pocos.
Cuando el circuito se popularizó unos años después, muchos fabricantes no estaban de acuerdo con él debido a su sencillez. La Alta Fidelidad era fruto de un cuidadoso diseño y de un muy complicado transformador de salida.
Después de un corto periodo de popularidad muchos fabricantes se decantaron por los llamados modelos “Ultra-lineal” que fueron desarrollados unos pocos años después.
Estos daban mas potencia con válvulas más pequeñas y parecían tener la misma calidad de sonido que los Williamson. Hay que tener en cuenta que los componentes para los amplificadores eran muy caros en aquella época. Un buen transformador de salida para un Williamson costaba el salario de varias semanas de un trabajador y los fabricantes valoraban mas el aspecto financiero que la mejora de sonido que un triodo en clase A les pudiera dar.
El amplificador Williamson ha estado sujeto a muchas críticas a lo largo de los años pero en muchos casos debido a un desconocimiento del funcionamiento del circuito original o porqué mucha gente ha modificado el circuito original para “mejorarlo”.
La mas usual de las “mejoras” ha sido el uso de transformadores de salida diferentes del especificado, acoplamiento ultra-lineal de la etapa de salida, cambio en las válvulas en la etapa driver sin modificar valores de otros componentes del circuito o cambios en las válvulas de salida, pasando de la original KT66 a otros modelos mas antiguos.
La mayoría de estos cambios no ofrecían ninguna mejora respecto al diseño original, al contrario muchas de estas modificaciones incrementaban la distorsión, reducían la banda pasante o introducían inestabilidad comparados con el diseño original.
El amplificador Williamson en su forma original con sus valores específicos del circuito, válvulas y transformador de salida es todavía un buen amplificador incluso comparado con los nuevos diseños ya sea con válvulas o transistores.
Se han hecho muchas adaptaciones sobre el diseño Williamson, por ejemplo Dynaco en Estados Unidos, Philips en Holanda y Roselson en España por poner algunos casos usaron adaptaciones de este diseño.
Hoy en día la construcción de amplificadores a válvulas vuelve a ser costosa y el motivo por el que la gente los construye es mas por satisfacción personal y no importa una válvula adicional o un raro transformador de salida.
Cuando no se necesita mucha cantidad de potencia, el diseño de Williamson es una opción a considerar ya que suena muy bien a bajos niveles de escucha (en casa por la noche) y parece que mejor que otros equipos de tipo Ultra-lineal.
Williamson diseño un amplificador mono con una cantidad bastante elevada de realimentación negativa. Después cuando salieron los equipos stereo se pasó a construir dos amplificadores mono en un único chasis y se decía que era un equipo stereo.
Los amplificadores stereo deben sonar dando una sensación de llenar un espacio y a la vez definir la posición del sonido y esto no se conseguía del todo usando dos amplificadores mono.
En la mayoría de los casos bajando la cantidad de realimentación hacen a un amplificador mejor para su uso en stereo.
El diseño de Williamson funciona lo suficientemente bien con muy poca realimentación debido a su cuidadoso diseño.
Muchos diseños comerciales están pensados para dar la máxima potencia con el mínimo de componentes y aquí entra el Ultra-lineal.
A menudo se ha dicho que el circuito Ultra-Lineal da a la etapa de potencia la calidad de una etapa a triodo sin las desventajas de estos. De hecho no es realmente cierto.
La resistencia interna permanece dos veces más alta con el mismo nivel de realimentación y la distorsión a baja potencia es más alta. La ventaja típica de una etapa de potencia conectada como triodo como es el caso de Williamson es la baja resistencia interna y el buen factor de amortiguamiento (damping) que se consiguen con una baja realimentación.
Estas dos ventajas quedan prácticamente compensadas haciendo trabajar el montaje Ultra-lineal en clase AB con el nivel de polarización adecuado, pero esto es ya otra historia.

El circuito

El amplificador mas famoso en la historia de la Alta Fidelidad a válvulas es el diseño de Williamson. De hecho prácticamente la mayoria de los amplificadores actuales tienen alguna parte de él. En la siguiente figura de puede ver el esquema básico sin la fuente de alimentación.

De hecho es muy simple, consiste en tres etapas:
Etapa de entrada combinada con un desfasador Tipo “concertina o phasesplitter” usando válvula 6SN7.
Etapa driver para amplificar la señal desfasada proveniente del desfasador usando tambien la válvula 6SN7.
Etapa de potencia, usando en la versión original las válvulas KT66 pero que después cada fabricante sustituyó por su preferida (EL34, 6L6, 6550, etc). Esta consiste en un montaje en push pull usando la válvula tetrodo configurada como triodo y trabajando en clase A.
Viendo las tres etapas de manera individual se ve que son muy simples y que una vez juntas hicieron este amplificador de “fama mundial”. Por tanto pocos cambios se han hecho a lo largo de su historia.
La razón principal por lo que el amplificador Williamson se hizo famoso fue por el transformador de salida. Fue una “obra maestra” nunca vista hasta entonces. Williamson lo calculó con una banda pasante plana desde los 2 Hz hasta los 60 KHz. Solo el mejor transformador posible permitía al amplificador trabajar de una manera estable con una fuerte realimentación negativa.

Etapa de entrada

La etapa de entrada parece simple pero fue una novedad cuando la presentó Williamson. La ausencia de un condensador de entrada hace que la señal de entrada tenga que estar libre de componente continua,
La resistencia R4 no está desacoplada con ningún condensador ya que recibe una cantidad importante de realimentación que da como resultado muy poca amplificación pero una muy baja distorsión (con la 6SN7 la ganancia es aproximadamente de 12 sin el lazo de realimentación).
La placa de V1 está conectada directamente a la rejilla de V2 por lo que define las tensiones y corrientes de esta última.
V2 queda funcionando como seguidor catódico debido al elevado valor de R5 y por tanto su ganancia es prácticamente igual a 1 y además sin distorsión y con una capacidad rejilla-placa prácticamente nula. La excursión de tensión que existe en el lado de la placa es la imagen espejo de la del cátodo (la misma pero invertida de fase) ya que las resistencias R5 y R7 son iguales.
Lo que ocurre es que la impedancia de salida del lado del cátodo es solo de 1Kohm y en el lado de placa de 22 Kohm, la cual es todavía bastante baja. Al llegar aproximadamente a los 100 KHz (dependiendo de la capacidad rejilla-placa del seguidor) la salida de la placa empieza a decaer.

Etapa driver

La etapa driver parece poco interesante quedando en un segundo plano, ambos triodos tienen en común una única resistencia de cátodo. Puede existir la tentación de pensar en desacoplar R10 con un condensador, por ejemplo 100 uF, pero no hay que hacerlo.
Esta es la gracia del amplificador Williamson, no hay realimentación a través de esta resistencia y la ganancia no se verá incrementada desacoplándola. De hecho hay muy poca actividad en AC. sobre esta resistencia e incluso reduce la distorsión del circuito enormemente.
Cuando se observa el circuito se ve que tiene una gran similitud con el llamado “long tailed pair phase Splitter”, en realidad es un amplificador diferencial.

Etapa de potencia

La etapa de potencia trabaja bien con 6L6, 5881, 6550, EL34, KT66, KT88, etc. de buena calidad. No trabaja bien con las imitaciones baratas que lo mejor que tienen es sus impresionantes ampollas de cristal y sus bases cromadas y brillantes.
Tiene los mínimos componentes posibles. R21 controla la corriente de polarización y R17 el balance entre válvulas, Es importante que todos los componentes conectados entre las rejillas y masa sean de primera calidad para evitar desequilibrios con el paso del tiempo. Todas las resistencias del circuito catódico han de ser de 5 Watios como mínimo.
Aquí se puede desacoplar el cátodo con un condensador de 100 uF, que ayudará a obtener una impedancia de salida mas baja.
Hay circuitos que usan polarización negativa fija por la rejilla y una resistencia de cátodo nula o muy baja, máximo 10 ohm. Tien la ventaja de evitar la disipación de las resistencias de cátodo y aumentar ligeramente la potencia de salida.
En función de la válvula puede ser necesario variar ligeramente R16 y R18. Se podrían suprimir R23 y R24 pero en algunos modelos de válvula puede producir oscilaciones.

EL TRANSFORMADOR WILLIAMSON

Se ha dicho que el transformador de salida especificado por Williamson fue diseñado partiendo de un camino diferente comparado con muchos otros, esto no es cierto del todo, ha habido otras empresas y diseñadores pensando mas o menos la misma idea, por ejemplo en el trabajo de F. E. Terman publicado ya en 1928 “Radio engineers handbook” ya se habla de una idea similar.
Sin embargo el concepto de diseño del transformador especificado por Williamson es que originalmente ya consideraba que tenía un cierto nivel de distorsión, cosa no usual en aquella época en que los transformadores eran normalmente diseñados para manejar una determinada potencia a un cierto límite de bajas frecuencias sin tener en cuenta la distorsión que generaban.
Un transformador puede ser diseñado para trabajar a un límite de baja frecuencia o para un específico nivel de distorsión de la forma de onda, uno u otro parámetro determina el número de espiras del primario o el tamaño del núcleo. En la mayoría de los casos el diseño para baja distorsión determina el tamaño del transformador y no el límite de baja frecuencia, esto es una cosa que incluso hoy día no es reconocida por muchos fabricantes de transformadores.
Por tanto el transformador Williamson es grande principalmente no porqué fue diseñado hace muchos años si no porqué fue diseñado para obtener una baja distorsión.
El transformador está bobinado con un núcleo EI similar al EI-150 DIN actual (150 mm de altura, un grosor de aproximadamente 45 mm, chapa de 0,25 mm de espesor y unos 6 Kg de peso con el cobre montado).
El material magnético usado era chapa Super Silcor que actualmente es equivalente a la chapa normal de hierro con un 4 % de silicio que se usa para fabricar transformadores de alimentación en general.
Actualmente se usan núcleos de grano orientado (mediante un proceso a altas temperaturas se consigue que todos los granos de la chapa queden mas o menos orientados en la misma dirección). Con este tipo de chapa se reducen las perdidas magnéticas y se aumenta el valor del punto de saturación magnética de la chapa por lo que se pueden usar núcleos de menores dimensiones sin perdida de prestaciones.
Para reducir la inductancia de fuga y la capacidad entre bobinados, el primario y el secundario se usó la técnica de “interleaving” que consiste en dividir el primario y secundario en varias secciones y se va intercalando una sección de primario y una de secundario a modo de sándwich de manera que cada sección de secundario queda siempre entre dos secciones de primario. Generalmente cuantas mas secciones son usadas mejor es el acoplamiento, reduciendo la inductancia de fuga. Sin embargo la capacidad entre bobinados aumenta lo que hace necesario un compromiso entre inductancia de fuga y capacidad entre bobinados.
Muchos transformadores de salida están bobinados usando 5 secciones de primario y 4 de secundario, este parece ser el mejor compromiso en la mayoría de los casos.
Los bobinados estaban montados en lo que se llama un carrete partido, esto es, dividido en 2 partes idénticas una al lado de la otra, de esta manera se consigue que los dos semi primarios del push pull sean idénticos y con la misma resistencia.
Cada parte consistía en 5 secciones de primario y 4 de secundario. Cada sección de primario tenia 5 capas con 88 espiras de hilo de 0,25 mm. Cada sección de secundario tenia 2 capas de 29 espiras de hilo de 0,9 mm. Cada capa estaba aislada con papel de 0,05 mm de grosor y entre primarios y secundarios habían 3 capas de papel de 0,13 mm de grueso.

El transformador tenía las siguientes características:

Inductancia primaria 100 Henry con pequeña señal
Inductancia de fuga < 22 mHenry
Distorsión a 30 Hz y 15 Watios < 1 %
Banda pasante a 15 Watios y – 3 dB 30 Hz 60 KHz

Estas características son todavía comparables con las de muchos transformadores de hoy en día.
En la figura adjunta se puede ver como están distribuidos los bobinados en el carrete.

El lazo de realimentación negativa

La cantidad total de realimentación depende del valor de una resistencia y determina la mayor parte de las características de los amplificadores. Esta es R25. El amplificador puede funcionar muy bien sin esta resistencia pero su respuesta en bajos queda lejos de lo ideal y alguna distorsión y zumbido pueden oírse, hay demasiada sensibilidad.
Muchos ingenieros hablan de la realimentación en dB. El autor del artículo encuentra mas practico hablar de la cantidad de veces que esta reduce la sensibilidad de entrada del amplificador.
La sensibilidad de entrada del amplificador sin realimentación es de 200 mV y después de aplicar realimentación se reduce a 600 mV. El factor de realimentación es 600/200 = 3.
Williamson especifica 20 dB de realimentación, lo que significa nada menos que un factor de 10. La resistencia R25 retorna una parte de la señal de la salida hacia la entrada donde es comparada con la señal de entrad mediante una resta. Cualquier componente de la señal en la salida que no estuviese en la entrada es inmediatamente corregida. Mediante la aplicación de la realimentación, la etapa de entrada tiene una reserva de amplificación que corrige cualquier cosa que vaya mal.
El factor de realimentación determina cuan grande es la reserva y cuanto se permite al amplificador corregir cosas. No hay que olvidar que el sistema no ha sido construido inteligente y puede también tratar de corregir cosas que no pueden ser corregidas causando incluso más distorsión.
Aparte de reducir la sensibilidad, reduce la distorsión, incrementa el factor de amortiguamiento y amplia el ancho de banda de paso del amplificador. Hace todas estas cosas más o menos con la misma relación en que reduce la sensibilidad. No obstante la sensibilidad es lo mas fácil de medir.
Si se va a experimentar con la realimentación hay que tener la precaución de medir siempre a la misma frecuencia y al mismo nivel de salida, suele ser a 1 KHz y unos 3 Voltios de salida y usando una resistencia de carga que no sea inductiva y de la potencia adecuada (no vale hacerlo con altavoces).
Pues bien, si la realimentación parece una buena cosa. ¿Porqué no usar una gran cantidad de ella? Pues por que todo lo que corrige hace al amplificador nervioso. Es mejor dejarlo trabajar en una zona cómoda.
Un factor de realimentación de 10 (20 dB) tal vez es demasiado y en realidad con un factor de 3 (10 dB aproximadamente) es mas que suficiente. La distorsión es lo suficiente baja para que sea inaudible y el ancho de banda es suficiente.
Hay que tener cuidado con el valor de C10. El valor que hay en el circuito original es el correcto cuando todo el circuito, incluido el transformador es el de Williamson puro.
Para ajustarlo correctamente en otro amplificador hay que aplicar una señal cuadrada de 10 Khz y ajustar el valor de C10 para ver en la salida una señal también cuadrada con muy poca sobretensión inicial. Si se modifica la cantidad de realimentación debería comprobarse otra vez el valor de C10.
Algunos amplificadores tienen un condensador en paralelo con R25 con el mismo propósito, ajustar la sobre compensación en las señales cuadradas (de hecho ajustan el desplazamiento de fase). Algunos llevan ambos condensadores.

MODIFICACIONES Y ACTUALIZACIONES DEL CIRCUITO

La primera versión del circuito de Williamson tiene ya 67 años y a partir de la década de los 60 del siglo pasado se comenzaron a sustituir componentes por otros mas modernos.
La modificación más sencilla consiste en el cambio de válvulas tan antiguas por otras más modernas.
Como los equipos se construyen ya en la versión estereofónica, la válvula V1 se puede sustituir por la ECC83, un triodo para cada canal y habrá que ajustar la corriente cambiando el valor de R4 para adaptarla al valor de dicha válvula (mucho mas bajo). R3 se puede pasar a un valor bastante más alto, esta válvula tiene mucha mayor ganancia, un bajo ruido y muy poca capacidad rejilla-placa. Con esto se mejora el ancho de banda y para un mismo factor de realimentación aumentará la sensibilidad de entrada.
También se puede usar la EF86, pentodo de pequeña señal y bajo ruido que todavía dará más ganancia aunque a veces causa problemas de inestabilidad.
Tanto con uno u otro modelo de válvula puede ser necesario poner en el circuito de rejilla una resistencia de 10 Kohm para evitar oscilaciones.
Para V2 se puede usar la ECC82 (también un triodo para cada canal) que permite manejar prácticamente la misma corriente que la 6SN7 pero tiene la mitad de la capacidad rejilla-placa que la anterior (mejora del ancho de banda), algunos usan la ECC81 que tiene mucha mas ganancia que la ECC82 pero hay que recordar que el desfasador tiene ganancia 1 y por tanto no importa la ganancia de la válvula.
Para V3 y V4 se usan las ECC82 o la ECC81 con lo que se mejora la ganancia total del amplificador y el ancho de banda.
Aprovechando las grandes ventajas que ofrecen los semiconductores se puede sustituir R10 por un generador de corriente constante que hace que el driver trabaje con un alto nivel de rechazo en modo común, consiguiendo una gran estabilidad y muy baja distorsión.
Para V5 y V6 se utiliza la EL84, EL34, 6L6 , KT66,KT77, KT88, KT90, KT100, KT120, 6550, etc. Cada uno utiliza su preferida en función de la potencia que se desea obtener del amplificador.
El circuito original usa en la etapa de potencia polarización automática usando una resistencia de cátodo común a ambas válvulas. Se puede usar una resistencia y potenciómetro para cada válvula (resistencias más pequeñas de menor potencia). Aquí se puede desacoplar el cátodo con un condensador de 100 uF, que ayudará a obtener una impedancia de salida mas baja.
Otra opción es usar polarización fija mediante la inyección de una tensión negativa en la rejilla. Tiene la ventaja de que se pueden suprimir las resistencias de cátodo o usar un valor muy bajo (solo para medir la corriente) y así evitar las perdidas que hay con las resistencias de la polarización automática, consiguiendo además un pequeño aumento de la potencia de salida. Inconvenientes, a medida que la válvula envejece es mas fácil que se desajuste la corriente, de todas maneras hoy en día hay sistemas para evitarlo.
Sustitución del transformador Williamson por un ultra-lineal usando las válvulas en modo tetrodo y trabajando en clase AB. Aumento de potencia seguro y nivel de distorsión lo suficiente bajo si el transformador es de buena calidad y el nivel de polarización correcto.
Hoy en día prácticamente todos los constructores usan el montaje ultra-lineal debido a su elevado rendimiento.
Debido al aumento de ganancia obtenido con las modernas válvulas muchos suprimen la etapa driver y atacan las válvulas de potencia directamente del desfasador.
Dynaco suprime el driver en sus versiones de 12 Watios con EL84 y 35 Watios con EL34.
Philips y Roselson usaron la misma opción para obtener 12 Watios con EL84.
En Converaudio utilizamos la misma opción para la versión de 12 Watios, pero usamos un desfasador y driver con un amplificador diferencial mejorado (con generador de corriente constante) en la versión de 35 Watios.
En fin, las modificaciones pueden ser infinitas, pero entonces. ¿Continuará siendo este amplificador el amplificador Williamson?