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Polarizzazione positiva della Griglia di controllo delle Valvole Termoioniche

Perché polarizzare positivamente la griglia di controllo?

Si tratta di un espediente per aumentare il flusso di elettroni verso l'anodo, estraendoli dal catodo con un potenziale positivo posto in prossimità dello stesso. Questo ha come effetto un abbassamento della resistenza anodica.
Si tratta di un espediente utilizzato nelle valvole destinate al funzionamento a bassa tensione anodica.
I limiti di utilizzo di questa soluzione sono la inevitabile corrente di griglia e il surriscaldamento di quest'ultima che potrebbe danneggiarsi, nonché la possibile saturazione della valvola.
Questo tipo di polarizzazione viene chiamato configurazione "carica spaziale" in quanto ha come obbiettivo il "prendere" gli elettroni dalla carica spaziale (la nube di elettroni che staziona attorno al catodo) e inviarli all'anodo. Questo tipo di configurazione con valvola controllata in tensione e impedenza di ingresso molto alta non è possibile sul triodo per mancanza della griglia schermo, ma solo sul tetrodo e sul pentodo. Sul triodo è possibile implementare la polarizzazione positiva della griglia a patto di pilotare la stessa in corrente, quindi con una impedenza di ingresso relativamente bassa.

Impiego dei triodi, tetrodi e pentodi standard in configurazione con griglia di controllo positiva

Esempio con un generico triodo:

La griglia di controllo viene collegata al positivo. Con questo tipo di configurazione la valvola è controllata modulando la corrente che passa nella griglia di controllo, variando il potenziale di quest'ultima rispetto al catodo, il comportamento della valvola esula da tutte le possibili misure fatte sui datasheet quindi dovremo testarla e rilevare nuovamente le caratteristiche anodiche. In questa configurazione l'impedenza di ingresso scende drasticamente, per qualche verso il funzionamento diventa simile a quello di un transistor.

Esempio con un generico pentodo:

La griglia di controllo viene collegata al positivo e la griglia schermo diventa la griglia di controllo. Tutto il resto rimane invariato rispetto ad una configurazione classica a catodo comune. Con questo tipo di configurazione il comportamento della valvola esula da tutte le possibili misure fatte sui datasheet quindi dovremo testarla e rilevare nuovamente le caratteristiche anodiche. Questo è uno schema di principio. E' opportuno aggiungere sperimentalmente un resistore di limitazione sulla griglia di controllo per limitare la corrente che vi passa e che sarebbe decurtata dalla corrente anodica. In questo caso l'impedenza di ingresso rimane invariata, l'amplificazione in tensione diminuisce a causa della più grande distanza dalla griglia schermo (che funge da griglia di controllo) dal catodo.

Esempio con un generico tetrodo:

La griglia di controllo viene collegata al positivo e la griglia schermo diventa la griglia di controllo. Tutto il resto rimane invariato rispetto ad una configurazione classica di un tetrodo a catodo comune. Con questa configurazione ci si può aspettare che le caratteristiche anodiche assomiglino di più a quelle di un triodo. Anche in questo caso l'impedenza di ingresso rimane invariata, l'amplificazione in tensione diminuisce a causa della più grande distanza dalla griglia schermo (che funge da griglia di controllo) dal catodo. Anche in questo caso è opportuno limitare la corrente di griglia controllo con l'utilizzo di un resistore il cui valore dovrà essere determinato sperimentalmente (Essendo un utilizzo non documentato).

Altro aspetto da prendere in considerazione è che usando la prima griglia per accelerare gli elettroni verso l'anodo la resistenza interna della valvola si abbassa, si riduce la carica spaziale e di conseguenza si dovrebbe ridurre in egual misura il rumore prodotto dalla valvola stessa.
Infatti come è noto, gli elettroni presenti nella carica spaziale e non inviati all'anodo ricadono ciclicamente sul catodo con un andamento tipicamente statistico, generando rumore.

Esempio pratico di impiego di un triodo in configurazione con griglia di controllo positiva

Per la prova utilizzeremo un doppio triodo russo di tipo 6n2p (voskhod), valvola NOS di derivazione militare. Ne utilizzeremo una sola sezione. Questo tipo di valvola è stata progettata per funzionare con delle tensioni anodiche di qualche centinaio di volt, noi la alimenteremo a 30V. Il procedimento sperimentale che adotteremo per definire i valori dei resistori di polarizzazione è il seguente:

Il circuito dovrà essere alimentato a 30V quindi la tensione che deve cadere sul resistore Rc per avere la massima elongazione del segnale in uscita è 30/2=15V. Quindi:

• Alimenteremo l'anodo della valvola a 30V

• Collegheremo una decade resistiva fra la griglia di controllo e la tensione positiva di alimentazione del circuito.

• Metteremo un resistore sull'anodo calcolando che dovranno caderci 15V con una corrente il triplo di quella che passerebbe se la griglia fosse a potenziale zero.

• Varieremo la decade resistiva fino a che la tensione Vgk del triodo non sarà 15V (che è il requisito per avere la massima elongazione del segnale di uscita.

• A questo punto sostituiremo la decade resistiva con un resistore fisso, completeremo il circuito con dei condensatori di disaccoppiamento e proveremo il tutto con un generatore sinusoidale e l'oscilloscopio.

• Poi calcoleremo i nuovi valori di amplificazione di tensione, impedenza di ingresso e di uscita.

Schema di prova con relativi valori dei componenti e tensioni rilevate. Come noterete la polarizzazione non è ottimale, la tensione fra anodo e catodo non è la metà esatta della tensione di alimentazione, questo è dovuto alla approssimazione dei componenti ai valori standard. La tensione di griglia è +0,4V.

Passiamo ai calcoli:

La corrente IRg=(Vcc-Vgk)/Rg=(50-0,4)/196.000=0,00025=0,25mA
La resistenza di ingresso quindi è Vgk/IRg=0,4/0,00025=1580 Ω (molto bassa per un circuito valvolare)
La corrente anodica è IRc=(Vcc-Vak)/RC=(50-28,6)/22000=0,00997A=0,97mA
L'impedenza di uscita è circa circa RC/2=11000Ω=11KΩ

Questo circuito va bene come distorsore per chitarra a patto di collegare in ingresso il segnale prelevato da un amplificatore operazionale e sull'uscita di collegare un carico con una impedenza di almeno 47-50KΩ. Si potrebbe diminuire di molto l'impedenza in uscita per adattare il circuito a carichi di impedenza più bassa aumentando la corrente di griglia, quindi diminuendo ulteriormente l'impedenza d'ingresso.

Nota: Per l'alimentazione del filamento è stato impiegato un alimentatore in corrente continua lineare regolabile, per l'alimentazione anodica per questo circuito di prova è stata impiegata la stessa tensione di filamento innalzata utilizzando un DC-DC converter step-up (un piccolo alimentatore switching in salita stabilizzato).
Di seguito i risultati rilevati all'oscilloscopio.

	Tensione in ingresso misurata con una sonda con divisore 10 e segnale in ingresso di 1KHz. Quindi 630mVpp
	Tensione in uscita misurata con una sonda con divisore 10. Quindi 14,1Vpp

L'amplificazione di tensione è data da A=Vu/Vi=14100/630=22,3. Siamo lontani dalla zona in cui la valvola inizia a distorcere in modo evidente (la distorsione per questa tensione di ingresso è rilevabile solo con un analizzatore di spettro). Il tutto funziona perfettamente, nel senso che questo triodo con una tensione di griglia positiva funziona perfettamente e amplifica correttamente il segnale posto in ingresso.