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Limitatore di corrente per l'accensione del filamento

Indice Argomento Corrente
1) Premessa
2) Serve il limitatore? Resistenza di filamento di una valvola fredda
3) Quanto tempo ci vuole per scaldare una valvola?
4) Circuito limitatore di corrente di filamento all'accensione
5) Circuito limitatore di corrente integrato nell'alimentatore stabilizzato

1 - Premessa

I filamenti delle valvole all'atto dell'accensione, quando sono ancora freddi hanno una resistenza che può essere 1/6-1/8 di quella a regime.
Questo provoca un innalzamento della corrente che scorre nel circuito di alimentazione dei filamenti e può provocare dei danni al circuito e dello stress alla valvola.
In questi casi si ricorre ad un limitatore di corrente.
Ma facciamo una veloce verifica sperimentale.

2 - Serve il limitatore? Resistenza di filamento di una valvola fredda

Per verificare questo parametro e dedurre l'assorbimento all'atto dell'inserzione dell'alimentazione abbiamo fatto un po' di misure per poi dedurre dei principi di massima.
Per la misura abbiamo utilizzato un multimetro Keithley 2015 fresco di taratura e una valvola EL34 nuova di fabbrica.

Resistenza di filamento di una valvola fredda Resistenza di filamento di una valvola fredda

Nella prima foto viene misurata la resistenza dei cavi utilizzati, nella seconda la resistenza del filamento della valvola (con temperatura ambiente di 22°C).
Nella fotografia a lunga esposizione (3sec) i numeri che si muovono si notano perché non leggibili.
Gli altri sono stabili.
Quindi la resistenza del cavo è di 0,28ohm, il cavo più il filamento 0,92ohm.
Quindi il filamento ha una resistenza di 0,92-0,28=0,64ohm.
Con la tensione nominale di 6,3Volt all'atto dell'accensione passano quasi 10A contro 1,5A a regime.
La resistenza a regime è 6,3/1,5=4,2ohm.
Sembra impossibile che possa cambiare così tanto, tuttavia questo dicono le misure!

Misura della resistenza del probe Misura della resistenza del filamento a freddo di una ecc82

Ora non ci resta che misurare la stessa cosa su una valvola preamplificatrice di piccola potenza.
Guarda caso nel cassetto ho un bel po' di ecc82.
Sottoposta allo stesso test utilizzando i piedini 4 e 5 la resistenza è risultata di 10,25 ohm, togliendo quella del filo della sonda dello strumento, misurata nella prima foto, 10,25-0,03=10,22 ohm.
La resistenza a regime citando il datasheet della ecc82 dovrebbe essere di 12,6/0,15=84Ω. Quindi la differenza è di 8 volte e all'atto dell'accensione passa una corrente di 8 volte più alta.

Infine per avere una visione d'insieme ho misurato la resistenza di una lampadina da 10W.
Prima l'ho alimentata e ho settato lo strumento per farle assorbire 10W, poi ho misurato la resistenza con il filamento freddo.
Per farle assorbire 10W (i dati di targa delle lampadine per auto sono sempre completamente sballati) la tensione di alimentazione è 13,7V e la corrente 0,73A (10,001W).
Quindi a potenza nominale la lampadina ha una resistenza di 13,7/0,73=18,7Ω. A freddo la resistenza del filamento della lampadina è 1,3ohm.
Il rapporto è 18,7/1,3=14,3 volte.
Questo è giustificato dal fatto che il filamento in tungsteno della lampadina partendo dalla stessa temperatura ambiente del test sulle valvole raggiunge una temperatura nettamente superiore.

resistenza di una lampadina da 10W a caldo resistenza di una lampadina da 10W a freddo

3 - Quanto tempo ci vuole per scaldare una valvola?

Per quello che riguarda le valvole di potenza, quelle in cui il problema è più sentito, ho fatto un po' di misure. Per uscire dalla condizione iniziale, la più pericolosa, circa 1 Sec. per arrivare ad una condizione stabile almeno 60 Sec. In genere questo valore è riportato anche nel datasheet della valvola.

4 - Circuito limitatore di corrente di filamento all'accensione

Limitatore di corrente per l'accensione del filamento

Circuito semplificato di limitatore della corrente di filamento all'accensione delle valvole.
La resistenza R1 funge da limitatore e va dimensionata in modo che riduca la corrente ma non inibisca il riscaldamento del filamento.
Il commutatore S1 (in genere un relè) cortocircuita la resistenza dopo un tempo sufficiente a portare i filamenti a regime.

In realtà negli alimentatori in corrente continua per filamento è molto facile introdurre una funzione di soft-start tale da limitare la corrente all'atto dell'accensione, quindi in definitiva è più producente integrare la funzione in tale apparato.
Negli alimentatori in corrente alternata la soluzione del limitatore di corrente all'accensione a relè ritardato è l'unica realmente praticabile.

5 - Circuito limitatore di corrente integrato nell'alimentatore stabilizzato

Con questo circuito di un alimentatore stabilizzato (ad anello aperto, senza feedback) per filamento dimostreremo come è possibile fargli anche svolgere la funzione di limitatore della corrente del filamento all'accensione.
Quando questo circuito viene alimentato all'inizio il condensatore C1 è scarico, quindi all'uscita avremo una tensione di 0 Volt.
Mano a mano che si carica la tensione all'uscita aumenterà con un andamento a rampa.
Quando la tensione arriverà alla tensione di zener del diodo DZ1 non potrà più crescere e il circuito sarà a regime.
Il tempo è funzione della costante di carica R1- C1.
La funzione di limitatore di corrente si ottiene aumentando gradualmente la tensione di filamento.

Alimentatore con Limitatore di corrente per l'accensione del filamento

Facciamo un esempio con i seguenti dati:

  • T1=bdx53c, Icmax=8A, hfe alle condizioni di utilizzo 1000, potenza massima dissipabile 60W.
  • DZ1=7,5V
  • Filamenti di 2 valvole EL34, corrente di filamento a regine If=1,5A (con 2 valvole If=3A), corrente di filamento all'accensione 10A (con 2 valvole If=20A).

Come possiamo facilmente calcolare la corrente all'atto dell'accensione sarebbe di 20A.
A regime 3A.
R1=(Vcc-VZ1)/(Icmax/hfe)562ohm.
Quindi la corrente IR1=(Vcc-VZ1)/R1=8mA.
Con un condensatore da 4700uF il ritardo sarebbe 2xR1xC1=5,2Sec. (dove 2 è una costante di carica empirica per circa il 50% della carica del condensatore.
La potenza dissipata a regime sul transistor T1 sarebbe:WT1=(Vcc-Vf)xIf=(12-6,3)x3=17,1W

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