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Esempio di Progetto di un amplificatore finale in classe "A"

Amplificatore finale in classe "A" con due valvole.

Amplificatore in classe "A"

Nota: con qualche piccola modifica è possibile trasformare un pentodo in un triodo collegando la resistenza R7 fra il piedino 4 e il piedino 3 della valvola, praticamente fra anodo e griglia schermo. Questo altera notevolmente il suono e riduce l'amplificazione del pentodo, quindi la potenza in uscita sarà più bassa. C'è chi preferisce il suono del triodo rispetto a quello del pentodo.

Quello che si vede in figura è uno schema classico di amplificatore finale in classe “A” composto da un triodo preamplificatore e un pentodo amplificatore finale di potenza. In questo amplificatore finale è assente un circuito di controreazione globale. Sull’ingresso troviamo il condensatore C1 e la resistenza R1 che determina la resistenza di ingresso dello stadio preamplificatore. Le resistenze R2-R3 e il condensatore C3 servono per ottenere la tensione di polarizzazione negativa della griglia del triodo.
In effetti ai fini della polarizzazione e del regime statico di funzionamento il gruppo R2-R3 si comporta come un’unica resistenza ottenuta dalla somma della serie R3+R2.
Il segnale attraverso C1 arriva alla griglia del triodo e modula il flusso di elettroni che migrano dal catodo all’anodo.
Il segnale a questo punto viene prelevato ai capi della resistenza di carico anodica R8.
Il Condensatore C2 serve per disaccoppiare la tensione continua dall’alternata presente sulla R4 e inviarla alla griglia del pentodo.
La resistenza R4 polarizza la griglia del pentodo al potenziale di massa.
Il gruppo R5-C7 serve per polarizzare il catodo ad una tensione leggermente positiva rispetto a massa in modo che la massa e la griglia a cui è collegata tramite R4 siano ad un potenziale negativo rispetto al catodo.
Il condensatore C7 serve per minimizzare ai fini della polarizzazione la fluttuazione della corrente anodica.
In pratica stabilizza la tensione ai capi di R5 per fare in modo che la griglia del pentodo sia sempre polarizzata ad un potenziale costante.
L’impedenza Z1 e il condensatore C6 servono per filtrare la tensione di alimentazione sia per eliminare il ripple sia per evitare fenomeni di diafonia nel caso allo stesso alimentatore sia collegato un altro amplificatore (amplificazione stereo).
La resistenza R9 e i condensatori C4 e C5 servono per alimentare lo stadio preamplificatore riducendo sia il ripple di alimentazione che le variazioni di tensione prodotte dall’assorbimento del pentodo.
Il preamplificatore è sempre molto sensibile al rumore presente sulla tensione di alimentazione , lavorando con segnali più deboli dello stadio finale.
Il trasformatore T1 adatta l’impedenza del pentodo al carico, l’altoparlante in questo caso, per ottimizzare il trasferimento di potenza.
La resistenza R7 serve per polarizzare la griglia schermo del pentodo.
Di seguito viene sviluppata la progettazione di questo amplificatore finale di potenza nel dettaglio .

Questo progetto può venire scisso nei seguenti stadi:
a) Stadio di ingresso preamplificatore (C1-R1)
b) Circuito di polarizzazione del triodo (R2-R3-C3)
c) Stadio di ingresso del pentodo (C2-R4)
d) Circuito di polarizzazione del pentodo (R5-C7)
e) Circuito accessorio di alimentazione del triodo (R9-C4-C5)
f) Circuito accessorio di polarizzazione del pentodo (L1-C6)
g) Stadio di uscita (T1)
g) Induttanza L2 e condensatori C4 e C5 (alimentazione del triodo e riduzione della diafonia e dei feedback di alimentazione)

a)
La resistenza R1 è la resistenza di ingresso dell'amplificatore finale e deve avere un valore molto alto dell’ordine del MΩ per non caricare lo stadio precedente per il quale funge da carico.
Il condensatore C1 deve essere calcolato di conseguenza in quanto la frequenza di taglio del filtro passa-alto che compongono C1-R1 deve avere un valore molto basso ovvero permettere anche alle frequenze più basse di passare.
Sotto è riportato nei dettagli il calcolo necessario per verificare che la frequenza di taglio di questo filtro sia compatibile con le caratteristiche di Hi-Fi che vogliamo ottenere.
Consiglio: i condensatori reali, quelli che si possono comperare nei negozi hanno una resistenza parassita in serie dovuta a vari fattori che è proporzionale alla capacità del condensatore, quindi è buona norma metterne sempre 2 in parallelo uno di grande valore e uno di piccolo valore.
Per quello che riguarda la resistenza, adottare dei valori non troppo alti per non alzare troppo l’impedenza in ingresso altrimenti si allungano troppo i tempi di stabilizzazione e normalizzazione in presenza di tensione continua sull’ingresso.

Ft= Frequenza di taglio del filtro
R= Resistenza espressa in ohm
C= Capacità espressa in Farad
π = Costante approssimata a 3,14 per semplicità

Frequenza di taglio di un filtro

b) La resistenza R8 deve essere calcolata con le caratteristiche anodiche del triodo alla mano.

Caratteristiche anodiche triodo ecc83

La retta di carico si calcola mettendo il primo punto per contrassegnare la tensione di alimentazione sull’asse “X” del grafico.
Il secondo punto, quello sull’asse “Y” si determina empiricamente tracciando la retta in modo che passi sotto la curva di massima dissipazione (con un certo margine per mettersi al riparo da un possibile sovraccarico della valvola).

A questo punto si può determinare l’amplificazione della valvola (che è determinata dalla pendenza della retta di carico).
In linea di massima aumentando la resistenza di carico anodica si aumenta l’amplificazione e di pari passo la distorsione della valvola.
Per esempio: fissando una tensione in ingresso di 2vpp (2 volt picco picco) e riportando questo dato sulle caratteristiche anodiche del triodo si ottiene il seguente grafico, che in linea di massima e senza un errore troppo elevato ci permette di determinare con un procedimento grafico l’amplificazione in tensione dello stadio preamplificatore.
Si riportano sulla retta di carico i punti relativi alla tensione che la griglia assume sommando e sottraendo 1V alla tensione a riposo (punto di lavoro in assenza di segnale) e si conducono dai suddetti punti delle rette parallele all’asse X fino ad intercettare l’asse Y.
A questo punto si rileva la tensione dall’asse Y fra i due punti tracciati.
In pratica il primo punto è a 105V e il secondo punto è a 250V (circa).
Quindi 250-105=145V.
Questa è la tensione che abbiamo in uscita applicando all’ingresso 2 volt e (Vu/Vi=A) corrisponde anche all’amplificazione della valvola.
Quindi 145/2=72,5.

Caratteristiche anodice triodo ecc83

A questo punto abbiamo determinato la tensione in assenza di controreazione.
Tuttavia questo amplificatore finale di potenza ha una controreazione locale generata dalla resistenza R2 che non essendo bypassata (come R3) da un condensatore per quello che riguarda la parte alternata della corrente che la attraversa genera una tensione di polarizzazione variabile della griglia che è composta da una componente continua più una alternata che si somma vettorialmente alla tensione di ingresso.
Quindi la tensione in ingresso è in realtà decurtata della componente retroazionata da R2.
Questa componente si calcola determinando la variazione della corrente anodica (picco-picco) determinata dal segnale in ingresso moltiplicata per R2.
In pratica Vr (tensione reazione) = dIa * R2 (dove dIa è la variazione di corrente massima).
Quindi approssimativamente Vu=A* (Vi-Vr).

Quindi riassumendo in regime statico: Va=175Volt (si ricava dal grafico sopra) Ia=0.75mA
La tensione che deve cadere ai capi di è data dalla tensione di alimentazione meno la tensione ai capi della valvole VR8=330-175=155Volt
Quindi la resistenza R8=(155*1000)/0.75=206Kohm
La somma delle resistenze è data dalla tensione di griglia che ci occorre fratto la corrente anodica, quindi R2+R3=(1.5*1000)/0.75=2Kohm.
In funzione della controreazione che vogliamo implementare possiamo variare il valore di R2 ed R3 in via sperimentale, fino ad ottenere il risultato che ci piace di più.
Dimensionando ad esempio R2=R3 la tensione di controreazione è uguale a metà della tensione del segnale, quindi l'amplificazione si riduce del 50%.

Il gruppo C2-R4 è di facile calcolo, la resistenza R4 deve avere un valore abbastanza alto da non caricare lo stadio precedente e il condensatore C2 deve avere un valore abbastanza alto da non ostacolare (componendo con R4 un filtro passa-alto) le frequenze più basse.
Di norma R4 si pone R8x10 e poi si da un valore arbitrario abbastanza alto a C2, per esempio 100nF (100 nanofarad) poi si verifica qual'è la risultante frequenza di taglio applicando la formula già usata per R1-C1.
Unico vincolo, C1 deve avere una tensione di lavoro almeno alta quanto la tensione di alimentazione anodica.

Ora per poter proseguire con il calcolo del parallelo R5-C7 occorre capire come far lavorare il pentodo finale, quindi occorre determinare la sua resistenza di carico e stabilire poi la polarizzazione di griglia (funzione appunto svolta dal parallelo R5-C7).
Occorre poi verificare il comportamento in regime statico, cioè quando l'impedenza del trasformatore finale è costituita solo dalla sua resistenza ohmnica.

Quindi ci occorrono le caratteristiche anodiche del pentodo.
Per questo esempio useremo quelle di un pentodo EL34, una valvola comunemente usata in questo ruolo.
Di seguito un sunto delle caratteristiche salienti di questa valvola:

Specification and max ratings EL34

Filament Voltage

6.3 V

Filament Current

1.5 A

Plate Voltage (max)

800 V

Plate Current (max)

140 mA

Plate Dissipation (max)

25 W

Screen Voltage (max)

425 V

Screen Current (max)

50 mA

Screen Dissipation (max)

8 W
Valvola Pentodo EL34

Caratteristiche anodiche EL34

A questo punto occorre determinare un punto di funzionamento che sia relativamente lontano dalla massima potenza che l'anodo può dissipare per mettersi al riparo da danni, sia dal punto di vista del funzionamento dinamico che, in questo caso più critico per il funzionamento statico (in assenza di segnale all'ingresso).
Si procede nel seguente modo: si traccia una riga verticale dal punto sull'asse orizzontale del grafico poi calcolatrice alla mano si determina qual'è la corrente massima che a quella tensione la valvola può sopportare.
Nel nostro caso Imax=25/330=0.075 ovvero 75ma.
Per stare in sicurezza si è scelta a questo punto la tensione di polarizzazione di griglia di -12Volt che corrisponde ad una corrente Ia=62mA.
A questa corrente la potenza dissipata dalla valvola è Wa=330*0,062=20,46Watt che è inferiore di 25Watt quindi accettabile.
Quindi si calcola la resistenza R5 facendo riferimento al regime statico.
Con una approssimazione accettabile la resistenza R5=12/0,062=193,5Ω (valore commerciale 196Ω all'1% di tolleranza).

Per quello che riguarda la tensione di griglia schermo è fissata dalla curva anodica che abbiamo usato, quindi 200Volt.
Non avendo a disposizione dei dati circa la caratteristica della griglia schermo adottiamo un valore tipico per la R7 (si può trovare negli application note di varie case costruttrici), riservandoci poi di cambiarlo dopo aver verificato la tensione con il tester .

Punto di lavoro dinamico amplificatore in classa "A" con EL34

Per quello che riguarda il trasformatore diamo un po' di valori: la resistenza anodica della valvola in regime dinamico è circa Rak=165/0,060=2750Ω (dati ricavati dal grafico delle caratteristiche anodiche dove 165V e 0,060A sono ricavati con una valutazione puramente geometrica sul grafico delle caratteristiche anodiche dell'EL34 riportate di fianco, tenendo conto che in classe "A" la valvola dovrebbe lavorare al centro della retta di carico, nel punto indicato come "Punto di Lavoro in regime dinamico"), la resistenza di carico sul secondario è 8Ω (resistenza tipica delle casse), quindi il rapporto di trasformazione è la radice quadra di 2750/8 che equivale a 18.5.
Quindi dobbiamo trovare o costruire (vedere la sezione sulla costruzione dei trasformatori) un trasformatore che abbia un rapporto di trasformazione di 18.5.

Quello descritto in questa pagina è un metodo empirico per progettare un amplificatore finale, i valori calcolati sono stati determinati con formule approssimate, non tenendo volutamente conto di aspetti che impattano in misura minimale sui calcoli.
Del resto non c'è una valvola uguale ad un'altra, valvole con la stessa sigla prodotte da produttori diversi hanno diverse caratteristiche.
Le caratteristiche pubblicate sono praticamente sono poco più di un esempio.
Quindi il miglior modo è provare e poi adattare il circuito fino a farlo rientrare nei parametri che abbiamo imposti.
L'amplificatore finale trattato fino ad ora è reazionato per quello che riguarda il primo stadio, ma non per il secondo stadio di potenza.
Ora vedremo come si può implementare una reazione negativa globale per linearizzare ulteriormente il comportamento.

Reazione negativa globale

Si tratta di includere nell'anello di reazione anche lo stadio finale e il trasformatore adattatore di impedenza.
A questo scopo è necessario prendere il segnale dall'uscita e re indirizzarlo all'ingresso con fase opportuna.

Reazione globale

Come vedete il segnale preso dal trasformatore adattatore di impedenza viene riportato a V1 e sommato a quello presente sulla seria R2-R3 che già rappresenta una reazione negativa locale in corrente per V1.
La parte di segnale riportata all'ingresso è determinata dal valore di R6 ed R3 collegate come partitore resistivo.
Il condensatore C3 serve per attenuare le alte frequenze.
Quindi viene messa in opera anche una sorta di equalizzazione.
Inoltre serve per evitare autooscillazioni ultrasoniche.

Reazione globale

Nulla ci vieta di adottare soluzioni diverse.
In questo caso il segnale di reazione è stato applicato direttamente all'ingresso dell'amplificatore.
L'uso o meno della reazione negativa dal punto di vista filosofico ha sia estimatori che detrattori, in linea generale la reazione elimina (o nasconde) difetti più o meno grandi dell'amplificatore e ne linearizza la risposta in frequenza abbattendo la distorsione.
Se un amplificatore è fatto a regola d'arte la reazione negativa è superflua.
Nulla ci vieta comunque di mettere un interruttore sulla linea di reazione in modo da poterla escludere a piacimento.

Non dimenticare mai di collegare il carico

Una cosa che non dobbiamo mai dimenticare in un amplificatore di potenza a valvole termoioniche con trasformatore adattatore di impedenza e di collegare il carico, sia questo una cassa acustica o un carico fittizio.
L'assenza di carico all'uscita provoca un innalzamento dell'impedenza sul primario del trasformatore che si traduce in extratensioni sul primario stesso.
Il rischio in un amplificatore single-ended è limitato, molto più grande è in un amplificatore push-pull.
Il rischio consiste nel bruciare il primario del trasformatore per scarica distruttiva fra gli avvolgimenti.

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