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Alimentatori Valvolari Tradizionali per tensione Anodica

Indice Argomento Corrente

1 - Schema a blocchi di un alimentatore per tensione anodica

2 - Trasformatore

3 - Raddrizzatore o rettificatore

1- Schema a blocchi di un alimentatore per tensione anodica

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

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

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 cosiddetti “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.

2 - 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.
Nell’esempio qui sotto il secondario ad alta tensione è a 520 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%. Tradizionalmente venivano utilizzati trasformatori con lamierini tipo E+I che hanno dei flussi magnetici dispersi molto intensi, quindi in prossimità del trasformatore non potevano essere posizionate valvole preamplificatrici, pena la captazione del flusso magnetico che si traduceva poi in ronzio. I moderni trasformatori toroidali hanno ridotto di molto il problema anche se poco utilizzati per motivi di costo.

Tipico trasformatore di un apparato valvolare. Il secondario a 6,3Vca serve per l'alimentazione dei filamenti mentre il secondario 260+260Vca con presa centrale serve per l'anodica. Il trasformatore con la presa centrale serve per poter utilizzare un raddrizzatore a doppia semionda realizzato con due soli diodi.

3 - Raddrizzatore o rettificatore

Il rettificatore converte la tensione alternata in uscita dal secondario 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.
La figura sotto 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 tensione 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 perché 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, ed è più difficilmente eliminabile perché ha una frequenza fondamentale di 50 Hz (la stessa frequenza della rete elettrica).

Più complesso il caso di un raddrizzatore a doppia semionda con trasformatore con presa centrale (nel disegno 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 cambia.
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. Questo tipo di raddrizzatore ha una frequenza fondamentale del ripple di 100Hz (il doppio della frequenza della rete elettrica).

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.

Nella figura sotto 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 perché è la tensione a cui si caricheranno i condensatori dello stadio successivo e la resistenza serie dello stadio completo di alimentazione, perché 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 10KΩ Tensione sul secondario del trasformatore 180V Resistenza serie del diodo 500Ω 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 dunqueVmax=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.

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 trasformatore 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 doppia 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.

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.

Nella progettazione di un rettificatore occorre tenere presenti altri aspetti, che sono:

• La dissipazione di potenza, data dalla corrente efficace che attraversa il diodo moltiplicata per la tensione efficace presente ai capi dello stesso in concomitanza con il passaggio della corrente.

• La corrente di picco che il diodo può sopportare. Questo parametro in genere è presente nei datasheet del diodo sottoforma di massima capacità che si può applicare all'uscita dello stesso. Questo per l'ovvio motivo che il valore della prima capacità di filtro presente dopo il diodo ne determina la corrente di picco. Superare il valore consigliato determina la prematura morte del diodo.

Filtro

Per la trattazione completa dei filtri vi rimandiamo alla trattazione fatta nel capitolo relativo. La trattazione dei filtri è comune sia agli alimentatori tradizionali a valvole termoioniche che per quelli con diodi a semiconduttore essendo i filtri sostanzialmente uguali.

Regolatore di Tensione o stabilizzatore

In un alimentatore a valvole lo stabilizzatore di tensione viene utilizzato molto di rado, soprattutto per il costo, l'ingombro e la potenza dissipata in calore.