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Alimentatori per Apparati Valvolari: Filtri
0 - Introduzione
Molte apparecchiature, fra questi gli amplificatori, richiedono una tensione di alimentazione sostanzialmente pulita e perfettamente continua per poter funzionare al meglio.
Quanto è il ripple che un amplificatore può tollerare? Dipende da un parametro che è la reiezione dei disturbi dell'alimentazione o reiezione del ripple, parametro che quantifica di quanto l'amplificatore attenua un disturbo che gli arriva sulla linea di alimentazione e si misura in termini di rapporto che vi è fra disturbo e la tensione che questi produce in uscita.
Si misura in dB secondo la seguente formula: PSRR=20log (Ri/Ro) dove PSSR è l'acronimo di Power supply ripple rejection ratio (ovvero rapporto di reiezione del ripple di alimentazione) mentre Ri è il ripple in ingresso e Ru il ripple in uscita, dove l'ingresso in questo caso è la linea di alimentazione e l'uscita è l'uscita dell'amplificatore.
1 - Filtri
All'uscita del rettificatore abbiamo una tensione continua pulsante che per poter essere impiegata come fonte di alimentazione deve essere depurata dal ripple.
A questo punto entrano in gioco i filtri che servono, entro certi limiti, a rimuovere il residuo di alternata sovrapposto 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.
A questa componente alternata possono aggiungersi disturbi indotti dal carico o dovuti al funzionamento interno dell'alimentatore.
Tornando ai filtri, Iniziamo con il più semplice.
In alcuni dei prossimi schemi per semplicità abbiamo utilizzato dei diodi semiconduttori essendo il filtro valido per tutti i tipi di rettificatori.
2 - Filtro a Condensatore o capacitivo
Il filtro a condensatore non è altro che un condensatore di grossa capacità in parallelo al carico.
Come si può notare si tratta di una soluzione 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.
Più il condensatore è grande più il suo comportamento si approssima a quello di una batteria.
Se RC invece richiede molta corrente come negli amplificatori di potenza il condensatore per fungere efficacemente da filtro dovrebbe avere una capacità enorme cosa il più delle volte non possibile per costi e ingombri.
Sopra lo schema di un alimentatore con filtro capacitivo.
Come vedete si tratta di un circuito molto semplice, poco costoso ma quasi sempre dalle prestazioni troppo limitate.
Il condensatore C1 è un condensatore elettrolitico di grossa capacità mentre C2 è un condensatore non polarizzato di capacità molto più piccola ma con una induttanza parassita serie molto bassa e serve per alimentare il carico quando questi richiede elevata corrente per tempi ridotti.
Per ridurre l'induttanza serie del condensatore C1 un altro metodo è impiegare più condensatori di bassa capacità in parallelo.
Va anche ricordato che a valle dei diodi termoionici la capacità che si può collegare (la capacità immediatamente successiva al diodo) ha un valore massimo indicato nel datasheet dal costruttore del diodo allo scopo di ridurre la corrente di picco che passa attraverso il diodo e allungarne la vita operativa.
Inoltre la resistenza parassita serie dei diodi termoionici è molto alta e si somma alla resistenza serie del trasformatore, quindi sotto carico questo tipo di alimentatore fornisce una tensione sensibilmente più bassa che a vuoto.
Questo implica che la tensione massima del condensatore deve essere scelta tenendo conto della tensione massima a vuoto.
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Con riferimento ai disegni visibili sopra, durante la prima semionda il condensatore si carica (immagine a sinistra), quando la semionda ha una tensione inferiore a quella del condensatore, questi funge da generatore ed alimenta il carico scaricandosi.
Il ciclo si ripete alla semionda successiva.
La differenza fra la massima tensione ai capi di C1 e la minima tensione è il valore picco-picco del ripple ed è inversamente proporzionale alla capacità di C1 e al valore di RC.
Il ripple tende quindi a zero per C1 tendente a infinito e sempre a zero per Rc tendente a infinito.
Quindi in ultima analisi si può dire che è inversamente proporzionale alla costante di tempo RcxC1.
Nella immagine sotto si può vedere la tensione in uscita dal raddrizzatore a onda intera (o a due semionde che dir si voglia) 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 valore massimo della tensione e il ciclo ricomincia.
Il valore massimo della tensione di ripple va dal valore massimo della tensione della sinusoide al valore minimo che raggiunge nella scarica.
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 | A sinistra: un tipico condensatore elettrolitico impiegato per stabilizzare la tensione anodica di capacità 400 microFarad e 325 Volt di tensione massima. |
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 ogni 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'impedenza di un condensatore (Xc o reattanza capacitiva) è riportata nella formula sotto.
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 bypassata dal condensatore nella misura del rapporto fra l'impedenza Xc del condensatore e la resistenza Rc di carico.
Un'altra regola empirica 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=3000 Ω.
Quindi Xc deve essere uguale o più piccola di 3000/100=30 Ω.
 | Nel cassetto abbiamo un condensatore da 100microFarad 450Volt compatibile come dimensioni con lo spazio a disposizione, potrebbe andare bene? |
La componente alternata sovrapposta all'alimentazione (ripple) incontrerà sul ramo del condensatore una impedenza di 15,9 Ω e sul ramo del carico 3000 Ω, 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 grossi condensatori una grossa induttanza serie che li rende un po' "lenti".
Se volessimo invece calcolare la tensione del ripple di un carico noto e un condensatore noto possiamo fare nel seguente modo: Si parte dall'energia immagazzinata nel condensatore, si decurta l'energia impiegata dal carico nel tempo di scarica che possiamo approssimare al tempo di una semionda (approssimazione per eccesso) e poi in funzione dell'energia residua sul condensatore si calcola la tensione presente sullo stesso al termine della scarica.
Si tratta di un metodo più complesso di quello empirico utilizzato in precedenza e in genere non si usa.
L'approccio dell'hobbista in genere consiste nell'acquistare il più grosso condensatore che ci si può permettere sia come dimensioni che come costo.
Ma facciamo un po' di conti partendo dai dati dell'esempio precedente:
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Tensione ai capi del condensatore= 300V
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Corrente sul carico= 100mA ovvero 0,1 A
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Capacità del condensatore= 100uF quindi 0,0001Farad
Ora facciamo un po' di calcoli.
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L'energia in Joule immagazzinata dal condensatore è uguale a Ji=0,5xCxV2=0,5x0,0001x300x300=4,5 Joule
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L'energia consumata in Joule dal carico in un tempo di una semionda ovvero in 1/100 Sec è uguale a (300x0,1)/100=0,3 Joule.
Si calcola in pratica l'energia consumata in un secondo e poi si divide per 100. -
L'energia residua al termine del ciclo di scarica è Jf=4,5-0,3=4,2 Joule
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Che corrisponde ad una tensione ai capi del condensatore di Vf=radq((2x4,2)/0.0001)=289 V (dove radq è la radice quadra)
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Quindi la tensione picco a picco del ripple è uguale a Vr= 300-289=11V
3 - Filtro Induttivo
Si tratta di un induttore di elevato valore (dell'ordine di diversi Henry) posto in serie al carico.
La stabilizzazione è dovuta all'effetto volano dell'induttore che tende a mantenere costante la corrente che lo attraversa variando la tensione ai suoi capi e fungendo da generatore di tensione variabile.
L'energia viene immagazzinata nell'induttore sottoforma di energia magnetica.
L'energia immagazzinata in Joule è uguale a J=0,5xLxI2 dove L è l'induttanza espressa in Henry e I la corrente che attraversa l'induttore espressa in Ampere.
Visto in altro modo, si tratta di un filtro passa-basso tarato ad una frequenza di molto minore di quella del ripple che viene attenuato.
 | La frequenza di taglio di un filtro di questo tipo è riportata nella formula a sinistra dove R è la resistenza di carico, Ft la frequenza di taglio e L è il valore dell'induttanza in Henry. |
 | Questo filtro è tanto più efficace quanto più è grande il valore di induttanza dell'induttore. |
Caratteristiche costruttive: Questo tipo di induttore funziona a corrente continua, quindi per evitare la saturazione del nucleo la corrente che lo percorre dovrà essere mantenuta entro limiti bel precisi.
Inoltre il circuito magnetico deve avere un traferro (air-gap in inglese), questo per limitare il flusso magnetico.
Caratteristiche elettriche: Il ripple in uscita da un filtro di questo tipo è sostanzialmente sinusoidale grazie alla caratteristica dell'induttore di ostacolare le alte frequenze, quindi eliminando tutte le armoniche superiori presenti nel ripple di cui rimane apprezzabile solo la frequenza fondamentale.
La tensione in uscita da un filtro di questo tipo è data dalla formula Vu=Vmax*0,63 dove Vu è la tensione di uscita e Vmax è la tensione massima presente all'uscita del rettificatore.
Vantaggi: Un pregio di questo tipo di filtro è di disaccoppiare i possibili disturbi presenti sulla rete di distribuzione dell'energia elettrica dal carico e viceversa evitare che il carico con le sue variazioni di assorbimento possa perturbare la rete elettrica.
Questo tipo di disaccoppiamento è efficace per tutto quello che sta prima dell'induttore, quindi anche i disturbi di commutazione dei diodi nel caso siano a semiconduttore.
Inoltre la corrente che attraversa i diodi è la stessa che abbiamo sul carico senza apprezzabili picchi che possono abbassare la durata di vita del diodo stesso. Unico limite sono le capacità parassite presenti fra una spita e l'altra dell'avvolgimento che in parte inficiano questo vantaggio fungendo da bypass per i disturbi.
Difetti: I difetti risiedono nella resistenza serie dell'induttore che provoca una caduta di tensione, nel grande ingombro e peso dell'induttore nonché nel costo dello stesso.
Altro difetto è che la corrente assorbita dal carico deve essere il più possibile costante, quindi è facilmente applicabile in circuitazioni in classe "A" ma non in classe "AB".
Le variazioni di assorbimento producono delle grandi escursioni della tensione in uscita dal filtro.
Facendo un raffronto in termini di energia immagazzinata un filtro di questo tipo è molto meno efficace a parità di ingombro e peso che un filtro a condensatore, quindi è meglio preferire quest'ultimo o una combinazione dei due come vedremo nei capitoli seguenti.
Facendo un esempio, in genere il valore di un induttore di filtro può essere di 10H, l'energia immagazzinata per una corrente di 100mA è di E=0,5xLxIxI2, quindi E=0,5x10x0,1x0,1=0,05 Joule. (E=0,5xLxI2)
Un induttore del genere ha un peso superiore al Kg.
Se rapportato all'energia immagazzinata da un condensatore di pari peso è inferiore. Per esempio un condensatore da 500uF carico a 400V (che ha un peso simile) immagazzina una energia di E=0,5x0,0005x400x400=40 Joule. (E=0,5xCxV2).
4 - Filtro LC
Il prossimo filtro leggermente più complesso ma molto più efficace nella riduzione del ripple è il 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 caduta 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).
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 che costituiscono la frequenza fondamentale del ripple, le armoniche superiori del ripple sono ancora più facilmente eliminabili).
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Il filtro riportato nella figura sopra durante la parte di salita della semionda (a sinistra) carica l'induttanza L1 (di energia magnetica) e il condensatore C1 (di energia elettrostatica), durante la parte calante della semionda l'induttanza L1 converte l'energia magnetica immagazzinata in corrente elettrica e si oppone al calare della corrente che la attraversa, mentre il condensatore contribuisce scaricandosi su Rc.
I due effetti combinati fanno si che questo filtro sia discretamente efficace.
Visto come un filtro passa basso, più L1 e C1 sono grandi più la frequenza di taglio del filtro si abbassa, più la frequenza del ripple si discosta dalla frequenza di taglio e più viene attenuata.
La frequenza di risonanza si calcola con la seguente formula: |  |
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 la frequenza di risonanza è f=1/(6,28*0,063)=2,51Hz quindi va bene perché è molto distante sia da 50 Hz che da 100 Hz.
Una variazione sul tema è il filtro LC a doppia cella.
 | 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.
Andando 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 tagliare (il ripple).
In questo caso ogni singola cella LC costituisce un filtro con una pendenza di 12dB/ottava, quindi due celle in serie 24dB/ottava.
Basta calcolare di quante ottave si discosta il ripple dalla frequenza di taglio del filtro per sapere di quanto verrà attenuato.
5 - Filtro LC con induttore saturabile (Swinging Choke)
Si tratta di una variazione sul tema dei filtri LC in cui L è un induttore saturabile.
Il funzionamento è il seguente: fino a che la corrente assorbita si mantiene sotto un valore di soglia il tutto funziona come un filtro LC classico.
Quando la corrente aumenta oltre un valore di soglia il nucleo dell'induttore va in saturazione, quindi è come rimuovere l'induttore dal circuito lasciando solo la sua componente resistiva.
Quindi la tensione raddrizzata dai raddrizzatori viene direttamente passata al condensatore che tende a caricarsi al valore massimo di tale tensione che è superiore al valore che avrebbe se ci fosse l'induttore.
Questo circuito contrasta l'abbassamento di tensione che si avrebbe con un aumento della corrente richiesta, funge in altre parole da stabilizzatore di tensione.
Infatti se ben calcolato l'aumento della tensione che si avrebbe alla saturazione dell'induttore è compensato dall'abbassamento della stessa per la resistenza serie dell'alimentatore.
Questo genere di induttore deve essere progettato con cura per funzionare bene, cosa non facile per le molte variabili in gioco.
6 - 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.
Sotto a destra il circuito completo per l'alimentazione dello stadio di potenza (RC1) e delle valvole preamplificatrici (RC2).
Praticamente è la somma di un filtro LC (costituito da L1 e C1) usato per alimentare lo stadio di potenza, unito ad un filtro RC (R1 e C2) usato per alimentare lo stadio di preamplificazione e pilotaggio dello stadio finale.
Si tratta di un circuito classico, usato molto spesso.
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7 - Filtro Pigreco
Con riferimento alla figura sotto, il filtro pigreco è costituito da una combinazione di un filtro a condensatore unito ad un filtro LC, quindi ha una attenuazione del ripple che è data dalla somma dei due filtri accoppiati.
Si tratta di un filtro molto utilizzato.
Le capacità C2 e C4 sono dei condensatori di piccolo valore adottati per migliorare le caratteristiche di velocità dei condensatori C1 e C3 che essendo di grossa capacità hanno una notevole induttanza parassita serie.
Esistono dei condensatori adatti a tale impiego e realizzati in un unico contenitore, i condensatori doppi a vite.
8 - Tabella dei vari filtri in ordine di efficacia
Di seguito una tabella comparativa fra i vari tipi di filtro impiegabili in ambito valvolare.
La Tensione in uscita non tiene conto della resistenza serie e di quella dell'induttore.
Vu è la tensione di uscita, Vmax è il massimo valore di picco della tensione all'uscita del rettificatore.
| Tipo di Filtro | Efficacia | Tensione in uscita | Costo |
| Capacitivo | Bassa | Vu=Vmax | Basso |
| Induttivo | Bassa | Vu=Vmax*0,63 | Medio |
| RC (Resistenza+Capacità ) | Bassa | Vu=Vmax-VR (dove VR è la tensione che cade ai capi della resistenza) | Basso |
| LC (induttanza+Capacità ) | Media | Vu=Vmax*0,63 | Medio |
| CLC (Capacità +Induttanza+Capacità ) detto anche Pigreco | Media | Vu=Vmax | Medio |
| LCL (Induttanza+Capacità +Induttanza) | Media | Vu=Vmax*0,63 | Medio / Alto |
| LC (induttanza+Capacità ) a doppia cella | Alta | Vu=Vmax*0,63 | Medio |
| Stabilizzatore | Alta | Valore calcolato da progetto e comunque Vu<<Vmax | Alto |
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