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Classi di funzionamento degli amplificatori audio a valvole

Indice Argomento Corrente
1) Introduzione
2) Classe "A"
3) Classe "AB"
4) Classe "B"
5) Classe "C"
6) Conclusioni
7) Riassumendo
8) Nota

Introduzione:

La classe di funzionamento si discrimina in base al tempo di conduzione di un dispositivo non lineare in rapporto alla durata di una onda sinusoidale applicata al suo ingresso.
Per permettere una più chiara comprensione a questo punto tratterò il caso reale di un amplificatore di tensione che funziona nelle classi A, AB, B e C.

Amplificatore di tensione a triodo termoionico

L’amplificatore di tensione posizionato a sinistra è composto da un triodo tipo Ecc82 (si tratta di un doppio triodo di cui usiamo solo una metà), Cg e Cu sono rispettivamente le capacità di disaccoppiamento di ingresso e uscita, Vg è un generatore di tensione continua che polarizza la griglia con una tensione che va da 0V a -30V, Rg è la resistenza di ingresso (quella che vede lo stadio precedente) e Ra è la resistenza di carico del triodo.
Di seguito è riportato il grafico delle caratteristiche anodiche di una Ecc82 (datato 20/06/1953).

In fase di progetto si procede in questo modo:
a) Si sceglie la tensione Vcc (300V nel nostro caso)
b) Si sceglie la resistenza Ra (300/0,025=12KoHm)
c) Si traccia la retta di carico controllando che sia sotto la massima potenza che la valvola può sopportare (Wa=2,75W).

Per lavorare in classe "A" il segnale in ingresso non deve mai mandare in interdizione la valvola ne renderla positiva. Quindi il punto di lavoro della valvola deve essere scelto in modo che la tensione Vak e la tensione VRa siano uguali. Questo per consentire la massima elongazione del segnale.

Per lavorare in classe "AB" occorre polarizzare la griglia della valvola ad una tensione prossima al punto di interdizione della valvola, le semionde negative la manderanno in interdizione, le semionde positive ne aumenteranno la conduzione.

Per lavorare in classe "B" la tensione di griglia senza segnale di ingresso deve essere tale da mantenere esattamente in interdizione la valvola.
Le semionde negative manterranno la valvola interdetta, mentre quelle positive la porteranno in conduzione.

Per lavorare in classe "C" la tensione di griglia senza segnale di ingresso deve essere tale da mantenere la griglia ad un potenziale oltre l'interdizione, quindi di qualche Volt più negativa dell'interdizione.
Le semionde negative manterranno la valvola interdetta, mentre quelle positive la porteranno in conduzione la valvole quando arrivano ai valori di cresta.

Classe "A"

Ora vediamo come si calcola il punto di lavoro di una valvola operante in classe "A".

Caratteristiche anodiche doppio triodo termoionico ecc82

Si sceglie una tensione di polarizzazione della griglia di controllo (nel caso della figura 6Volt) e questa determina la classe di funzionamento, unitamente al valore del segnale in ingresso.

Si applica sull’ingresso una tensione di 4Vpp (per comodità).
La tensione applicata alla griglia di controllo è la somma della componente continua di 6Volt più la componente alternata di 4Vpp, quindi la tensione di griglia va da -2V a -8V.
Questo provoca una variazione della corrente anodica e come conseguenza una variazione della caduta di tensione sulla Ra, quindi una variazione di tensione anodica.
Per il caso trattato la variazione di tensione anodica è di 43V e viene direttamente portata in uscita e disaccoppiata con il condensatore Cu .
L’amplificazione in questo caso è data da Vupp/Vipp quindi (215-172)/4=10,75.
Come si può notare nella valvola circola corrente per tutto il periodo del segnale in ingresso, quindi lavora in classe A.
Questo perché la somma fra la tensione di polarizzazione della griglia e il segnale in ingresso non porta mai la valvola a funzionare in interdizione quindi nella stessa passa corrente per tutto il periodo del segnale in ingresso.

Classe "AB"

Nella figura riportata di seguito lo stesso circuito variando la polarizzazione lavora in classe AB ovvero la corrente attraversa la valvola per un tempo inferiore al periodo dell’onda sinusoidale ma superiore al mezzo periodo.

Amplificatore di tensione in classe AB, retta di carico

Come si può notare dalla figura la tensione applicata al circuito anodico è in questo caso di 160V, la tensione di interdizione per tale tensione anodica da applicare alla griglia di controllo è -12V e nella massima elongazione la semionda negativa del segnale porta la griglia controllo (che ha una tensione continua di polarizzazione di -10V) a -12,5V tensione per la quale la valvola non conduce (stato di interdizione).

Classe "B"

Con riferimento all'esempio precedente, se la tensione continua di polarizzazione della valvola fosse stata in questo caso -12V la valvola sarebbe stata in conduzione solo in corrispondenza della semionda positiva del segnale e avrebbe lavorato in classe B.

Classe "C"

Con riferimento all'esempio precedente, se la tensione di polarizzazione della valvola fosse stata ancora più negativa la conduzione si sarebbe ridotta a meno del 50% del periodo del segnale in ingresso, quindi l’amplificatore avrebbe lavorato in classe C.

Conclusioni

Diagramma di circolazione della corrente in funzione dellaClasse di funzionamento di un amplificatore

Nell'immagine a fianco si notano le diverse classi di funzionamento.
In realtà quelle realmente usate in un amplificatore audio sono la "A" e la "AB" per motivi di distorsione.
Nel caso di un amplificatore in classe "A" come si può notare la distorsione è molto bassa e il segnale di uscita ricalca esattamente quello di entrata.
Nell'immagine è stato omesso per motivi di chiarezza il ribaltamento di fase che subisce il segnale in uscita.
Come è noto nel caso dell'esempio sopra, il segnale in uscita è sfasato di 180° rispetto a quello in ingresso.

Nel caso di un preamplificatore è praticamente obbligatorio progettare degli stadi in classe “A”, mentre la classe “AB” viene usata negli amplificatori finali di potenza audio per aumentare il rendimento.
Le classi “B” e “C” si usano negli amplificatori RF sempre per motivi legati al rendimento.
Esistono poi, e li cito per completezza, amplificatori in classe “A” fittizia in quanto hanno la polarizzazione della griglia di controllo che varia, per quello che riguarda la componente continua in funzione dell’ampiezza del segnale in ingresso mantenendo la valvola sempre in conduzione.
Questa soluzione peraltro di difficile attuazione presenta dei problemi per quello che riguarda i segnali che presentano picchi e forte dinamica (la polarizzazione non si adatta in tempo reale).

Riassumendo:

Classe "A"

Amplifica il 100% del segnale, nel caso di una sinusoide l'angolo di conduzione è di 360°.
Con questa tecnica vengono realizzati amplificatori per bassa frequenza, media frequenza e alta frequenza.
L'efficienza teorica massima del 50% ne limita l'impiego solo alle basse potenze.
I classici amplificatori audio con una sola valvola in uscita per canale sono tutti in classe "A" e vengono denominati "single ended classe A".
Da notare che l'amplificatore in classe "A" senza segnale in ingresso assorbe la massima potenza dall'alimentatore come in qualsiasi altro stato di funzionamento.
Praticamente assorbe sempre la massima potenza.
E in uscita sentiremo sempre il ronzio dovuto al massimo ripple di alimentazione.
Quindi non si bara!! Occorre un buon alimentatore.

Classe "AB"

Amplifica più del 50% ma meno del 100% del segnale, l'angolo di conduzione è compreso fra 180° e 360° estremi esclusi.
Per amplificare l'intera onda sinusoidale (360°) si ricorre a due amplificatori in classe AB che lavorano rispettivamente, uno per la semionda positiva e l'altro per la semionda negativa.
Notare che in questo caso una certa porzione del segnale viene amplificata da entrambi i dispositivi attivi, in questo modo si riduce enormemente la distorsione che si ha nella regione di commutazione di questi.
Questa distorsione è anche nota con il nome "distorsione di attraversamento" (o crossover).
Il valore dell' efficienza teorica è compreso fra il 50% e il 78.5% (Classe B).
Da notare che in assenza di segnale in ingresso l'amplificatore in classe "AB" assorbe una corrente abbastanza bassa che serve per mantenere in conduzione le valvole finali ed evitare la distorsione di crossover.
Questo implica che l'alimentazione deve fornire una corrente molto inferiore, quindi lavora con una resistenza di carico maggiore, questo riduce di molto il ripple dando la sensazione che l'amplificatore sia più silenzioso anche se ha un alimentatore peggiore.

Classe "B"

Amplifica il 50% del segnale, l'angolo di conduzione è esattamente di 180°.
Con questa tecnica si realizzano amplificatori destinati all'uso in alta frequenza.
Adatto per amplificare singoli toni sinusoidali (es. sinusoide fornita da un oscillatore).
L'efficienza ha valori effettivi compresi fra il 50% e il 78.5%.
Per amplificare l'intera onda sinusoidale (360°) si ricorre a due amplificatori in classe B che lavorano rispettivamente, uno per la semionda positiva da 0° a 180° e l'altro per la semionda negativa da 180° a 360°.
In questo caso si amplifica tutto il segnale, come nella classe A, ma con l'efficienza propria della classe B.

Nella realtà la classe "B" è impossibile da ottenere, si finisce sempre per lavorare in classe "AB" o "C".

Classe "C"

Amplifica meno del 50% del segnale, l'angolo di conduzione è minore di 180°.
Con questa tecnica si realizzano amplificatori destinati all'uso in alta frequenza.
Adatto per amplificare singoli toni sinusoidali (es. sinusoide fornita da un oscillatore).
L'efficienza teorica può rasentare il 100%, anche se i valori effettivi sono compresi tra il 70% e il 90%.
La sinusoide del segnale in uscita viene di norma negli amplificatori a radiofrequenza ripristinata da un circuito oscillante LC.

Nota:

Sono state classificate altre classi di funzionamento più "moderne" (per lo più legate all'amplificazione di tipo digitale del segnale) che non ci interessano nell'ambito delle valvole audio.
Tuttavia per completezza (o magari per ispirare qualche sperimentatore estremo) le citiamo.

Classe "D"

Amplificatori a commutazione che amplificano un segnale digitale.
L'efficienza teorica è del 100%.
Data la massima efficienza il loro uso è nell'elettronica di alta potenza.
Spesso sono usati come amplificatori audio ma hanno bisogno di un modulatore d'ingresso PWM e di un circuito integratore d'uscita che ne limita la banda passante superiore.

Classe "E"

Amplificatore switching ad alta efficienza per radio frequenza, brevettato nel 1976.
Un unico transistor agisce da interruttore, collegato attraverso un'induttanza all'alimentazione e attraverso una rete LC al carico.
La rete di carico modula le forme d'onda di corrente e tensione al fine di evitare un'elevata dissipazione di potenza nel transistor.
In pratica, in qualsiasi istante almeno una tra tensione e corrente ha valore basso, e il prodotto delle due è minimizzato.
Una grossa capacità posta in parallelo al transistor evita che il segnale RF si diffonda all'alimentazione.
A parità di transistor, frequenza e potenza d’uscita è più efficiente di un classe B o di un classe C.
Il contenuto armonico è simile a quello di un classe B.

Classe "G"

Amplificatori in classe AB a cui è stato aggiunto un commutatore della tensione di alimentazione sugli stadi finali.
Il passaggio fra alimentazione a bassa tensione e alimentazione a tensione più elevata è dato dall' ampiezza del segnale d'ingresso.
La massima efficienza teorica è del 85-90%

Classe "H"

Amplificatore in classe AB con tensione di alimentazione variabile con continuità a partire da un minimo fisso.
La variazione della tensione è determinata dal segnale d'ingresso.
La massima efficienza è maggiore dell' 85.9 % ma minore del 100%.
Inizialmente la classe H era realizzata aggiungendo alla Classe G più commutatori di tensione, per approssimare l'inviluppo della sinusoide.

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