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Alimentatori per Filamento

Indice Argomento Corrente

1) Premessa

2) Valvole con catodo a riscaldamento indiretto

3) Alimentatore minimale

4) Costruire un alimentatore stabilizzato specifico per filamento

5) Valvole con catodo a riscaldamento diretto

Premessa

Normalmente negli amplificatori di medio/basso livello il filamento di riscaldamento del catodo delle valvole viene alimentato in alternata direttamente da un secondario del trasformatore di alimentazione curando il collegamento con cavi ritorti su se stessi per evitare i campi magnetici dispersi.
Fa eccezione il filamento delle valvole a riscaldamento diretto.
Per evitare il ronzio dovuto alla modulazione dell'emissione per la bassa inerzia termica del filamento (in pratica il filamento si scalda e si raffredda con un andamento della temperatura sinusoidale che rispecchia le sinusoidi della tensione di alimentazione del filamento stesso), che funge anche da catodo, deve essere alimentato in continua.

Valvole con catodo a riscaldamento indiretto

Nel caso si insegua il massimo risultato e si voglia evitare di far girare una corrente alternata per non rischiare di avere ronzii specie per quello che riguarda gli stadi preamplificatori, si ricorre all'alimentazione del filamento delle valvole in corrente continua.
Questo è un espediente "moderno", infatti è possibile da quando esistono i diodo a semiconduttore, non è realizzabile con nessun altro mezzo.

In sostanza esistono due modi per ottenere questo risultato:
a) Raddrizzare la tensione di filamento del trasformatore con un ponte di diodi e un condensatore, mettendo poi in serie una resistenza per fornire la tensione di filamento esatta.
b) Costruire un alimentatore stabilizzato specifico atto allo scopo (o comprarlo già fatto).

NOTA: Ricordatevi sempre che vi è una tensione massima fra catodo e filamento (tensione per cui è garantito l'isolamento fra catodo e filamento) che non deve essere mai superata ed è sempre specificata nel datasheet della valvola.
Nel caso tale tensione ecceda il valore massimo consentito occorre alimentare il filamento con un alimentatore dedicato con un potenziale di riferimento flottante o diverso da quello di massa.

a) Alimentatore minimale

Questo tipo di alimentazione per filamento richiede delle prove sperimentali per determinare il valore della resistenza da inserire in serie, implica una certa dissipazione di potenza sulla stessa, quindi la resistenza deve essere in grado di gestire la grande corrente che la attraversa e dissipare il calore che ne deriva.
Il sistema non è autoadattante e nel caso di cortocircuito di un filamento di una valvola la tensione sale per tutte le altre con la possibilità di un effetto domino che porta alla bruciatura di tutte le valvole alimentate dallo stesso alimentatore per filamento.

b) Costruire un alimentatore stabilizzato specifico per filamento

Di seguito alcuni esempi di diversa complessità di alimentatori stabilizzati per filamento.
Con o senza feedback.

Il disegno sopra rappresenta un alimentatore stabilizzato con zener e transistor finale di uscita (meglio se darlington).

Vi=tensione in ingresso dal rettificatore Vu=tensione di uscita per filamento a 6,3Volt. Ponendo che Vi>Vu+5Volt (per avere un margine per pilotare il transistor) Mettiamo di avere un trasformatore da 9Volt di secondario. Vi=9+1,41 (dove 1,41 è radice quadrata di 2)=12,69Volt VDz1=Vu+VbeTran.1 (dove VbeTran.1=tensione di polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore di Tran.1)=6,3+0,6=6,9 Diciamo che ci serve uno zener da 7Volt (approssimato di 0,1Volt per eccesso). Se si tratta di un transistor darlington Vbe=1,2Volt quindi Vdz1=6,3+1,2=7,4Volt approssimato 7,5Volt. Ponendo che la potenza dissipata dallo zener è 0,5Watt IDz1max=0,5/7,5=66mA. Ponendo 50mA di corrente nello zener per avere un margine R1=(Vi-VDz1)/IDz1=103,8Ω. Il transistor deve avere un hfe molto elevato e dissipa alcuni Watt quindi deve essere montato su un'aletta di raffreddamento.. Valori reali: R1=100Ω VDz=7,5Volt C1=C3=1000microFarad C2=100nanoFarad Tran.1=Darlington BDX53c

Nel disegno sopra uno dei più semplici regolatori di tensione per filamento che è possibile costruire, pochi componenti, abbastanza affidabile, aggiungendo un condensatore in parallelo al diodo zener è possibile anche implementare un "soft start" ed accendere il filamento con una rampa di tensione di qualche secondo.
Il funzionamento è banale, i condensatori C1 e C2 costituiscono un filtro capacitivo all'uscita del rettificatore, la tensione ai capi del diodo zener decurtata della soglia di polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore del transistor ce la troviamo in uscita, mentre la massima corrente in uscita è determinata dalla corrente che passa nel ramo R1-Dz1 moltiplicata per il fattore di amplificazione in corrente del transistor (meglio se darlington perché ha una maggiore amplificazione).
Il condensatore C3 è una capacità in uscita che migliora ulteriormente il filtraggio.
Usando lo stesso circuito cambiando solo il darlington si possono pilotare correnti anche molto elevate, fermo restando che il transistor va in ogni caso montato su un'aletta di raffreddamento perché dissipa come tutti i regolatori lineari diversi watt e precisamente WTran.1=(Vi-Vu)*Ic dove Ic è la corrente di collettore del transistor.

Nell'immagine sopra un alimentatore stabilizzato con integrato per filamento a 6,3Volt. L'integrato 7805 ha il piedino 2 collegato in modo da avere una tensione di riferimento di 1,2-1,3Volt dovuta alla polarizzazione diretta dei due diodi, quindi alla sua uscita possiamo prelevare 6,2-6,3Volt. La corrente che questo integrato è in grado di erogare è circa 1 Ampere.

Nell'immagine sopra il massimo che si può avere per quello che riguarda l'alimentazione del filamento. Un alimentatore stabilizzato regolabile. Per ottenere ciò è stato impiegato l'integrato LM317. Il trimmer da 2000 Ω dovrebbe essere multigiri per avere una maggiore accuratezza nella regolazione. Questo circuito garantisce una reiezione del ripple praticamente totale. Unico limite la massima corrente erogabile, nella versione con contenitore TO3 circa 1,5 Ampere. Per incrementare tale parametro oltre questi limiti è necessario usare un transistor come buffer di corrente come nello schema sotto. In questo modo si possono tranquillamente superare i 5 Ampere a patto di raffreddare con una adeguata aletta di raffreddamento anche il transistor.

Per i più pigri c'è anche la possibilità di acquistare un alimentatore già fatto da uno dei tanti produttori di alimentatori switching o comprarlo in kit di montaggio.
Il vantaggio degli switching è che non hanno neppure il problema della dissipazione termica e forniscono in uscita correnti relativamente alte.
Occorre sempre optare per uno a tensione regolabile con regolazione fine.
Non bisogna dimenticare che le caratteristiche di una valvola termoionica sono profondamente influenzate dal funzionamento del filamento che regola l'emissione di elettroni in funzione della temperatura.

Valvole con catodo a riscaldamento diretto

Si tratta di valvole progettate per la maggior parte prima del 1940, i progetti successivi prevedono quasi tutti l'impiego di catodi a riscaldamento indiretto che semplificano di molto il circuito anodico e di alimentazione dei filamenti.
Nelle valvole con catodo a riscaldamento diretto non vi è una netta separazione fra il circuito anodico e quello di alimentazione del filamento-catodo, quindi occorre adottare configurazioni circuitali particolari.
In molti casi il circuito si complica molto, o meglio diventa molto ridondante in quanto è necessario costruire un alimentatore galvanicamente isolato per alimentare ogni filamento-catodo.
Questo per evitare di mettere in contatto elettrico diretto i vari catodi.
Un altro aspetto che occorre tenere in considerazione è che il catodo essendo costituito da una resistenza non è equipotenziale, questo può generare effetti indesiderati quando viene alimentato in continua come, ad esempio, che una parte del filamento per la caduta di tensione sarà più negativa di un'altra e ci sarà una disomogenea emissione di elettroni.
In ogni caso gli alimentatori in continua sono esattamente uguali a quelli usati per le valvole a riscaldamento indiretto se non per il fatto che non hanno mai un potenziale riferito a massa, ma flottante.