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Alimentatori Valvolari per tensione Anodica

Schema a blocchi

Gli alimentatori per valvolari si dividono in varie categorie in base al funzionamento e alle caratteristichi di realizzazione.

In linea di massima tutti gli alimentatori sono caratterizzati dai seguenti stadi:
1) Trasformatore (con semplice o doppio secondario)
2) Raddrizzatore (a singola o doppia semionda)
3) Filtro (capacitivo, induttivo o pigreco)
4) Regolatore (parte non sempre presente)

Schema di principio di un alimentatore

Il trasformatore isola galvanicamente il tutto dalla rete e modifica l’ampiezza della tensione alternata di ingresso.
All’uscita del trasformatore otteniamo una tensione sinusoidale alternata.
Il rettificatore “ribalta” la semionda negativa in positiva.
Il filtro livella la tensione riducendo la componente variabile. All’uscita del filtro abbiamo una tensione continua con un residuo di alternata denominato “ripple”.
Il regolatore modifica la tensione di uscita, abbassandola e limita ulteriormente la tensione di ripple. Questo stadio è presente solo in apparati di alto livello in quanto implica una notevole complicazione circuitale dell’alimentatore che, ovviamente ha un costo. In genere per abbassare il ripple in vece del regolatore si usano dei filtri passivi di tipo capacitivo-induttivo-capacitivo, i cosidetti “filtri pigreco” per la loro forma circuitale.

Di seguito verranno trattati solo alimentatori “tradizionali” ovvero realizzati con tubi termoionici e non con dispositivi a semiconduttore.
Iniziamo analizzando i singoli componenti dell’alimentatore.

Trasformatore

Il trasformatore tipico di alimentazione ha il primario alla tensione di rete, un secondario a 6,3 Volt che serve per alimentare il filamento delle valvole e un secondario ad alta tensione con presa centrale che serve per ricavare la tensione anodica.

Trasformatore

Nell’esempio qui a fianco il secondario ad alta tensione è a 360 volt con una presa centrale. Dimensionalmente il trasformatore deve avere una potenza adatta ad alimentare tutto il circuito senza surriscaldarsi, quindi occorre fare precisi calcoli per stabilire l’entità della potenza richiesta e poi surdimensionare il trasformatore di almeno un 20-30%.

Raddrizzatore o rettificatore

Il rettificatore converte la tensione alternata in uscita dal seconadario del trasformatore di alimentazione in una tensione continua pulsante.
Un diodo termoionico fa passare corrente solo in una direzione, ovvero quando l’anodo è positivo rispetto al catodo.

Raddrizzatore ad una semionda a diodo termoionico

La fugura a sinistra mostra un diodo connesso ad un trasformatore in serie con la resistenza di carico Rc. Durante la semionda positiva il diodo entra in conduzione e la resistenza di carico è percorsa da una corrente IRc proporzionale alla tensione applicata alla serie diodo-resistenza di carico che produce ai sui capi una tensione che nella figura è chiamata Vrc. In verità una parte della tensione applicata alla serie Diodo-Resistenza di carico cade ai capi del diodo e dipende dalla resistenza interna di quest’ultimo. In un raddrizzatore a singola semionda come si può notare dalla immagine a fianco il diodo conduce solo in un senso quindi la tensiose su Rc la resistenza di carico arriveranno solo le semionde positive. Le semionde negative della tensione alternata vengono soppresse dal diodo. Questo tipo di raddrizzatore chiamato a singola semionda non è usato perchè il residuo di alternata ovvero il ripple alla sua uscita indipendentemente dal filtro successivo è molto più alto che non per un raddrizzatore a doppia semionda.

Raddrizzatore e due semionde con diodo termoionico

Più complesso il caso di un raddrizzatore a doppia semionda con trasformatore con presa centrale (nel disegno a fianco e sotto). Se prendiamo in esame la sinusoide all’ingresso del trasformatore si nota che nella prima semionda la tensione al secondario polarizza positivamente l’anodo del diodo D1 e passa una corrente ID1=IRc = VS1/(RD1+RC) dove RD1 è la resistenza interna del diodo (in realtà la resistenza interna del diodo non ha un valore costante ma è ottenibile dalle caratteristiche anodiche dello stesso). Quando la tensione ai capi del trasformatore si inverte ovvero arriva la semionda negativa la polarizzazione ai capi del secondario combia. Diviene in questo caso positivo l’anodo del diodo D2 e passa una corrente ID2=IRc=VS2/(RD2+RC). Abbiamo in questo caso raddrizzato tutte e due le semionde della tensione in ingresso al trasformatore T1. In un raddrizzatore a doppia semionda si sfrutta la presa centrale del trasformatore. Praticamente in questa configurazione è come avere due raddrizzatori a singola semionda uniti con due trasformatori posti in controfase. In effetti avendo il secondario sdoppiato è come se fossero due trasformatori distinti. In questo modo all’uscita sulla Rc abbiamo una tensione raddrizzata molto più stabile.

Funzionamento di un raddrizzatore a due semionde Funzionamento di un raddrizzatore a due semionde
Raddrizzatore reale a due semionde

Nella figura a fianco è rappresentato un raddrizzatore reale a due semionde, in cui è visibile il secondario del trasformatore dedicato all’alimentazione dei catodi a riscaldamento indiretto dei due diodi. La tensione che si ottiene all’uscita viene calcolata nel seguente modo: quello che ci interessa è la tensione massima e non quella efficace perchè è la tensione a cui si caricheranno i condensatori dello stadio successivo e la resistenza serie dello stadio completo di alimentazione, perchè la resistenza serie andrà a decurtare la tensione in uscita in funzione della caduta di tensione sulla stessa. Fondamentale è determinare la resistenza di carico che è costituita dall’amplificatore che verrà alimentato.

Esempio:
Rc ovvero la resistenza equivalente del circuito alimentato 10Kohm
Tensione sul secondario del trasformatore 180V
Resistenza serie del diodo 500ohm
La tensione massima sul secondario è data da 180V (tensione efficace) moltiplicato per radice quadrata di 2 (circa 1,41). Il valore della tensione massima al secondario è dunque
Vmax=180X1,41=254Volt
Dove Vmax è la tensione massima al secondario.
A questo punto si calcola la tensione in uscita che è data dalla tensione massima al secondario decurtata della tensione che cade ai capi del diodo. Quindi
Vu=(254/(10000+500))X10000=(254/10500)X10000=241Volt che è la tensione massima all’uscita del raddrizzatore.

Raddrizzatore reale a due semiondea ponte

Una configurazione poco usata per gli alimentatori valvolari è quella a ponte (detta anche a ponte di Graetz, dal nome del suo inventore, il fisico tedesco Leo Graetz ), in cui si impiegano quattro diodi e un trasfornatore con un secondario semplice. Il motivo per cui è poco impiegata è da ricercarsi nel costo che è maggiore rispetto all’impiego di un trasformatore con secondario a presa centrale ed ha anche lo svantaggio che la corrente attraversa due diodi e quindi la resistenza serie dell’alimentatore è più alta. Nel disegno a sinistra è riportato lo schema di un alimentatore a doppa semionda in configurazione a ponte. Nei disegni sotto, sono riportati i versi delle correnti nel circuito per la prima (Blu) e la seconda semionda (Rosso). Sono evidenziati i diodi che vengono attraversati dalla corrente per le due semionde.

Versi di circolazione delle correnti in un raddrizzatore a due semionde a ponte Versi di circolazione delle correnti in un raddrizzatore a due semionde a ponte

In questo caso la tensione sulla resistenza di carico è data dalla seguente formula
Vu=(Vi/(Rc+(2XRd))XRc
dove
Vu è la tensione di uscita
Rd è la resistenza serie di un diodo
Rc è la resistenza di carico
In questa formula non si tiene conto della resistenza serie del trasformatore che deve essere sommata a Rd.

Filtro

A questo punto all'uscita del rettificatore abbiamo una tensione continua pulsante. Molte apparecchiature, fra questi gli amplificatori, richiedono una tensione di alimentazione sostanzialmente pulita e perfettamente continua per poter funzionare al meglio. A questo punto entrano in gioco i filtri che servono, entro certi limiti, a rimuovere il residuo di alternata sovraposto alla componente continua chiamato ripple. Il ripple è uno dei parametri che caratterizzano la qualità di un alimentatore, la sua misura si effettua con l'oscilloscopio accoppiando l'ingresso in AC. Si tratta principalmente del rimanente residuo della componente alternata della rete elettrica, rettificata dai diodi e livellata dai filtri; a questa piccola componente oscillatoria spuria, possono aggiungersi disturbi indotti dal carico o dovuti al funzionamento interno dell'alimentatore. Tornando ai filtri, Iniziamo con il più semplice.

Il filtro a Condensatore

Il filtro a condensatore non è altro che un condensatore di grossa capacità in parallelo al carico.

Filtro a condensatore

Come si può notare si tratta di una soluziona banale che tuttavia funziona abbastanza bene laddove il condensatore ha una capacità notevole rispetto alla corrente che il carico richiede. Praticamente se il condensatore è abbastanza grande si carica e poi si scarica di una percentuale piccola e la tensione ai suoi capi sostanzialmente non cambia. Se RC invece richiede molta corrente come negli amplificatori di potenza il condensatore per fungere efficacemente da filtro dovrebbe avere una capacità enorme cosa non possibile per costi e ingombri.

Filtro a condensatore Filtro a condensatore

Durante la prima semionda il condensatore si carica.

Quando la semionda ha una tensione inferiore a quella del condensatore, questi funge da generatore ed alimenta il carico scaricandosi.

Alimentatore anodico ripple
Alimentatore anodico: corrente condensatore filtro per ripple

In questa immagine si può vedere la tensione in uscita dal raddrizzatore a onda intera che alimenta il carico. Le semionde negative (rosse) vengono ribaltate sulla parte positiva dell'asse delle ascisse. In verde la scarica del condensatore che inizia quando la semionda ha passato il valore massimo e finisce quando arriva la prossima semionda e il valore della tensione supera quello ai capi del condensatore. Poi in condensatore si ricarica al valor massimo della tensione e il ciclo ricomincia. Il valor massimo della tensione di ripple va dal valor massimo della tensione della sinusoide al valor minimo che raggiunge nella scarica. In questo caso, sul grafico, 50Volt. Ovviamente aumentando il valore della capacità in condensatore si scarica meno e il ripple diminuisce. Da questa immagine togliendo le semionde ribaltate (quelle sopra quelle rosse) è possibile capire quale sarebbe a parità di condensatore l'impatto di un rettificatore a mezza onda. La scarica del condensatore continuerebbe per un tempo più che doppio e il ripple sarebbe molto più alto.
Sotto: un tipico condensatore elettrolitico impiegato per stabilizzare la tensione anodica di capacità 400 microFarad e 325 Volt di tensione massima. Come vedete le dimensioni sono ragguardevoli.

Condensatore stabilizzazione anodica

Calcolo della capacità di filtro (CF): ci sono molti modi diversi per calcolare questa capacità, si tratta di una capacità non critica, in linea di massima più è grande meglio è. C'è chi adotta la tecnica di usare 1 microFarad per ogno milliAmpere di corrente che eroga l'alimentatore. In realtà è utile calcolare il valore minimo di questa capacità sotto il quale non è conveniente andare. Un altro modo un po' più laborioso consiste nel trattare il circuito dal punto di vista dell'impedenza. L'inpedenza di un condensatore è:

Formula di calcolo dell'impedenza di un condensatore

A questo punto basta porre il limite, ovvero quale deve essere il rapporto fra la resistenza di carico e l'impedenza del condensatore. Essendo il ripple una componente alternata verrà dypassata dal condensatore nella misura del rapporto fra l'impedenza Xc del condensatore e la resistenza Rc di carico. Un'altra regola impirica consiste nel fissare questo rapporto a 100, quindi Xc<=Rc/100. Per determinare Rc=Vcc/Icarico (tensione di uscita dell'alimentatore fratto corrente erogata).
Per esempio: il nostro alimentatore deve erogare una tensione di 300V con una corrente di 100mA.
La resistenza Rc=300/0.1 (corrente in Ampere) Rc=3000Ohm.
Quindi Xc deve essere uguale o più piccola di 3000/100=30Ohm.
Nel cassetto abbiamo un condensatore da 100microFarad 450Volt compatibile come dimensioni con lo spazio a disposizione, potrebbe andare bene?
Xc=10^6/6,28*100*100=10^6/(6,28*10.000)=10^6/62800=15,9Ohm.
Il condensatore va bene!! Possiamo usarlo. La componente alternata sovrapposta all'alimentazione (ripple) incontrerà sul ramo del condensatore una impedenza di 15,9Ohm e sul ramo del carico 3000Ohm, quindi passerà praticamente tutta sul condensatore.
Non dimenticate mai di mettere in parallelo ad un grosso condensatore almeno altri due condensatori più piccoli di capacità diverse fra loro e più basse, ad esempio in questo caso 1microFarad e 100nanoFarad poliestere. Serve per migliorare la risposta ai transienti veloci, ovvero alle richieste di maggior corrente transienti come ad esempio quando l'amplificatore deve riprodurre delle note acute avendo i grosso condensatori una grossa induttanza serie che li rende un po' "lenti".

Filtro LC

Il prossimo filtro leggermente più complesso ma molto più costoso per la presenza di una grossa induttanza avvolta su nucleo ferromagnetico è un filtro del tipo LC. Dal punto di vista circuitale l'induttanza lascia passare la corrente continua mentre si oppone al passaggio della componente alternata sovrapposta (ripple) e subito dopo il condensatore elimina ulteriormente l'alternata bypassandola verso massa. I due effetti combinati fanno si che la tensione anodica sia ulteriormente pulita. Unica condizione da rispettare per detto filtro è che la frequenza di risonanza LC sia molto distante dalla frequenza fondamentale del ripple (50 Hz per raddrizzatori singola semionda, 100 Hz doppia). Di norma i valori di L1 e C1 devono essere scelti più grandi possibili. L'unico limite è che una grossa induttanza ha anche una grossa resistenza parassita serie, detto in parole diverse l'induttanza ha anche una resistenza serie che provoca una cadura di tensione che diminuisce la tensione anodica. Un vantaggio invece è da ricercarsi nella maggiore durata del condensatore C1 che è meno sottoposto al ripple (essendo questi già attenuato dall'induttanza a monte).

Filtro LC

Importante: Unica condizione da rispettare per detto filtro è che la frequenza di risonanza LC sia molto distante dalla frequenza fondamentale del ripple (50 Hz per raddrizzatori singola semionda, 100 Hz doppia)

La frequenza di risonanza si calcola:

Frequenza di risonanza LC

Dove f è la frequenza di risonanza, L l'induttanza espressa in Henry e C la capacità espressa in Farad. Per esempio se abbiamo un'induttanza di 10 Henry e un condensatore di 400 microFarad (come quello della foto sopra) la frequenza di risonanza è f=1/(6,28*0,063)=2,51Hz quindi va bene perchè è molto distante sia da 50 Hz che da 100 Hz.

Una variazione sul tema è il filtro LC a doppia cella.

Filtro doppia cella LC

Si tratta di un filtro LC doppio, e come tale è anche molto efficiente. Ovviamente per contro è più ingombrante e costoso e ha una resistenza serie più elevata. Adando avanti di questo passo si possono aggiungere ulteriori celle.

Un metodo alternativo per misurare l'efficienza di questi filtri consiste nel trattarli come dei filtri passa-basso calcolandone la frequenza di taglio, la pendenza e di quante ottave si discosta la frequenza da tagliere (il ripple).

Filtro RC

Un altro tipo di filtro usato prevalentemente per alimentare carichi a basso assorbimento di corrente, come gli stadi preamplificatori è il filtro RC. La resistenza R1 va calcolata in funzione della corrente e della caduta di tensione ai suoi capi mentre i condensatori C1 e C2 dando la preferenza a C1 devono avere la maggior capacità possibile. In realtà nel circuito reale il condensatore C1 fa anche parte del circuito di alimentazione delle valvole di potenza, quindi la nostra progettazione si semplificherà dovendoci occupare solo di R1 e C2.

Filtro RC Filtro completo LC RC

Circuito completo per l'alimentazione dello stadio di potenza (RC1) e delle valvole preamplificatrici (RC2). Praticamente è la somma di un filtro LC usato per alimentare lo stadio di potenza, unito ad un filtro RC usato per alimentare lo stadio di preamplificazione e pilotaggio dello stadio finale. Si tratta di un circuito classico, usato molto spesso.

Arrivato a questo punto mi asterrò dal considerare anche il filtro CLC (pigreco), che è la combinazione di un filtro con condensatore e un filtro LC. Le combinazioni possono essere molteplici e tutte valide.

Regolatore di Tensione

A questo punto parleremo degli alimentatori stabilizzati, quindi del regolatore di tensione. Idealmente all'uscita di un alimentatore dovremmo avere una tensione costante, tuttavia questo non è facile da avere, principalmente per due motovi: La tensione di rete varia, il valore nominale in questo periodo in Italia è 230Volt ma con una tolleranza del 10% quindi la tensione va da 230Volt-23Volt a 230Volt+23Volt, quindi da 207Volt a 253Volt. Il secondo motivo è da ricercarsi nella resistenza di carico (RC) costituito da valvole che cambiano continuamente la loro impedenza, quindi il carico è variabile. Questa variazione di carico fa variare la corrente che passa nell'alimentatore, questi ha una resistenza serie, quindi varia anche la tensione che l'alimentatore fornisce alla sua uscita.

Resistenza serie Alimentatore

La resistenza Rs rapresenta la resistenza parassita serie dell'alimentatore dovuta alla somma delle resistenze del primario e secondario del trasformatore, dei flussi magnetici dispersi, della resistenza anodo-catodo dei diodi rettificatori e se c'è della resistenza ohmnica della bobina di filtro.

Invece Rc è il carico variabile costituito dalle valvole, specie le finali che assorbono molta corrente. Il tutto si somma alla variabilità della tensione di rete.

Esistono due modi per regolare una tensione su un carico. I regolatori di tensione si dividono in regolatori serie e shunt.

Regolatore di tensione serie

Regolatore Serie:La regolazione della tensione su Rc avviene modificando la resistenza Reg posta in serie alla resistenza di carico (Rc). In pratica quando la tensione in uscita dal filtro aumenta Reg aumenta, quindi aumenta la caduta di tensione ai suoi capi e la tensione su Rc rimane invariata.

Regolatore di tensione shunt

Regolatore Shunt: La regolazione della tensione su Rc avviene modificando il valore Reg in modo da aumentare o diminuire l'assorbimento, quindi di aumentare o diminuire la caduta di tensione su Rs. Per esempio quando la tensione in uscita dal filtro aumenta, la resistenza Reg diminuisce il suo valore, aumenta in questo modo la corrente che passa in Rs, quindi aumenta la caduta di tensione ai capi di Rs e la tesione su Rc rimane costante.

Ora diamo un corpo alla teoria sopra facendo degli esempi pratici di complessità crescente. Iniziamo con il regolatore shunt che è il più facile da implementare e descrivere.

Regolatore di tensione shunt con tubo a scarica nel gas

Come possiamo vedere all'ingresso che corrisponde con l'uscita del filtro abbiamo una tensione di 150 Volt. Sul carico ci occorrono 90 Volt. Impieghiamo un tubo a scarica nel gas che ha una tensione nominale di 90 Volt e il gioco è fatto. Il tutto funziona a patto che IVr+IRc ovvero la somma delle correnti che passano nel regolatore e sul carico sia costante. Quindi quando IRc diminuisce perchè la resistenza di carico è aumentata passa più corrente nel regolatore e la tensione ai capi di Rc rimane costante. Questo è dovuto alla caratteristica del tubo a scarica di avere ai suoi capi una tensione costante anche al variare della corrente che lo attraversa. I limiti sono la massima corrente che può passare nel regolatore e la minima corrente di mantenimento della scarica attraverso il regolatore. Se superiamo questi limiti il circuito non funziona più correttamente. Detto in altre parole la variazione di corrente che attraversa Rc può essere al massimo uguale alla variazione di corrente che il tubo a scarica è in grado di gestire. Questo circuito così com'è viene usato unicamente per stabilizzare la tensione di alimentazioni degli stadi preamplificatori e pilota, questo per i limiti di regolazione insiti in questo componente che non è in grado di gestire grosse correnti. Per avere un'idea dei dati reali di un regolatore a gas guardate questo manuale.

Regolatore di tensione con buffer Regolatore di tensione con buffer

In questo schema viene usato un triodo come resistenza variabile per realizzare un regolatore di tensione serie. Viene utilizzato un regolatore shunt (nella seconda foto con due tubi a scarica in serie) come riferimento di tensione, il triodo viene usato nella configurazione a inseguitore catodico, unico limite è la massima corrente e la massima potenza che può sopportare il triodo. La fluttuazione di tensione che possiamo trovare sul carico è molto limitata ed è uguale alla differenza fra la tensione di griglia prima della variazione e dopo l'aggiustamento. In pratica qualche volt.

A questo punto prendiamo in considerazione un regolatore reazionato con amplificatore di errore, la configurazione più complessa e anche quella che da più garanzie di reiezione del rumore di alimentazione e regolazione.

Alimentatore stabilizzato regolabile

Questo a sinistra è un alimentatore stabilizzato in cui è possibile aggiustare la corrente di uscita con un trimmer. Viene anche in questo caso sfruttato un regolatore di tensione a gas, che funge da tensione di riferimento per la valvola triodo Tr2. La resistenza R3 serve per garantire a VR la tensione di innesco e il condensatore C5 crea una rampa in salita all'accensione in modo che la tensione all'uscita non cresca da 0V a +Vcc in modo troppo repentino ed elimina il residuo di rumore generato da VR. Il triodo Tr1 funge da valvole regolatrice serie. Tr2 funge da amplificatore di errore. Ovviamente come visto in precedenza D1 e D2 sono diodi rettificatori, C1-C2 primo filtro capacitivo, L1-C3-C4 costituiscono un filtro LC passa basso. Funzione a sommi capi in questo modo: quando Vu aumenta la griglia di Tr2 diventa più positiva, Tr2 conduce di più e la tensione sulla griglia di Tr1 essendo collegata sull'anodo di Tr2 cala. Tri conduce di meno e il sistema si regola. Questo circuito è un ottimo esempio di accoppiamento in continua.

Esistono anche sistemi più "creativi" per ridurre il ripple in uscita da un amplificatore e anche la diafonia e consistono nel mettere nel circuito di reazione dell'amplificatore una parte del segnale di ripple in modo che si elida per reazione negativa (l'ho visto in alcuni schemi pubblicati su vari siti). Ingegnoso!! Non l'ho mai provato personalmente ne conosco direttamante qualcuno che l'ha fatto. Certo questo sistema ha dei limiti, infatti il ripple deve essere eliso stadio per stadio per via del ribaltamento di fase e del fatto che viene aggiunto al segnale da ogni stadio di amplificazione. Se qualcuno ha del materiale, e lo vuole condividere sono a disposizione.