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Progettazione di un preamplificatore a valvole

Elementi distintivi di un preamplificatore audio

Si dice preamplificatore audio un dispositivo elettronico attivo atto ad incrementare l'ampiezza di un segnale audio applicato al suo ingresso per renderlo adatto ad una amplificazione successiva. Quindi un apparato atto ad amplificare una tensione la cui frequenza rientra nell'insieme delle frequenze audio, senza introdurre apprezzabile distorsione o rumore.
Nella sua variante stereo collocato in una catena di amplificazione stereo necessita di alcuni accorgimenti atti a renderlo adattabile a diverse fonti di segnale caratterizzate da diverse ampiezze dello stesso.
Questo implica la possibilità si selezionare più ingressi e di avere dove necessario una amplificazione differente per i vari ingressi.
Nello specifico gli ingressi che differiscono in modo sostanziale dagli altri per quello che riguarda l'ampiezza del segnale e quindi il fattore di amplificazione richiesto sono quelli phono, ovvero relativi ai giradischi con pick-up MM o MC (dove ricordiamo che MM stà per Moving Magnet o magnete mobile ed MC stà per Moving Coil o bobina mobile).
Questi pick-up forniscono una tensione che va da 0,5 mV per gli MC a 5 mV per gli MM. Contro i 0,5-1V per i CD, Tape, Dat e Tuner che sono quindi ad un livello di segnale nettamente più alto. Questa differenza di amplificazione si ottiene introducendo stadi aggiuntivi dedicati a tali ingressi che servono anche per la equalizzazione RIAA richiesta, sempre nel caso del giradischi.

Progettazione di un preamplificatore audio: Prefazione

In questo paragrafo tratteremo la progettazione di uno stadio preamplificatore audio generico, quello che potremmo trovare, ad esempio, prima dello stadio finale in un amplificatore integrato, quindi come preamplificatore audio non intenderemo in senso stretto il dispositivo che in una catena di amplificazione viene prima dell'amplificatore, ma tutti quegli stadi che in qualche modo operano una amplificazione di tensione.
Si può considerare un caso particolare di preamplicatore audio anche uno stadio a guadagno unitario o inferiore all'unità come gli adattatori di impedenza (buffer) che spesso sono necessari qualora l'uscita di uno stadio e l'ingresso di quello successivo non siano compatibili a livello di impedenze.

Progettazione di un preamplificatore audio: Parametri generali di progettazione

Di seguito vengono riportati i parametri fondamentali di cui occorre tenere conto quando si intraprende la progettazione di un preamplificatore audio.
a) Amplificazione in tensione (numero adimensionale)
b) Resistenza di ingresso (espressa in Ω)
c) Resistenza di uscita (espressa in Ω)

Progettazione di un preamplificatore audio: Amplificazione e scelta della valvola termoionica

L'amplificazione si determina sapendo quale deve essere la tensione di uscita per pilotare lo stadio successivo e la tensione del segnale in ingresso. A=Vu/Vi dove A è l'amplificazione, Vu è la tensione del segnale in uscita e Vi la tensione del segnale in ingresso.
E' necessario che le tensioni Vu e Vi siano misurate in valore picco-picco.
Una volta determinato il valore di A occorre scegliere una o più valvole adatte, se il segnale da amplificare è di basso livello occorre tenere anche conto del rumore introdotto, quindi è d'obbligo quasi sempre scegliere un triodo.
Per questo motivo negli schemi di esempio di seguito sono stati sempre utilizzati dei triodi.
Se l'amplificazione ha un valore alto occorre progettare un preamplificatore a più stadi. In linea di principio bisogna coniugare la maggior semplicità circuitale possibile con la necessità di mantenere entro certi limiti l'amplificazione di un singolo stadio (mai "spremere" troppo una singola valvola, mai usarne due se è possibile usarne solo una).
Ovviamente trattandosi di un preamplificatore è inutile scegliere una valvola progettata per gestire una grande potenza.

Primo esempio: preamplificatore audio a un singolo stadio.

Dati di progetto:
a) Tensione di ingresso 2Vpp
b) Tensione di uscita 40Vpp
Quindi si calcola A=40/2=20. Si tratta di un valore di amplificazione abbastanza basso, facilmente ottenibile con una sola valvola. Cercheremo nel contempo di mantenere la resistenza di ingresso alta e la resistenza di uscita accettabilmente bassa senza ricorrere a buffer in uscita. Praticamente un preamplificatore audio minimale.

Schema preamplificatore a valvole termoioniche

A sinistra lo schema più classico per un preamplificatore audio.
Come vedremo anche questo riserva delle sorprese per quello che riguarda la progettazione.
In questo circuito che è a polarizzazione automatica ottenuta con il gruppo R3-C3, la resistenza R2 serve per collegare a massa la griglia di controllo e polarizzarla, quindi al potenziale di riferimento che è negativo rispetto al catodo del valore di tensione che cade su R3.
La resistenza di ingresso è quindi approssimativamente del valore di R2.
R1 è la resistenza di carico, C1 il condensatore di disaccoppiamento in ingresso e C2 di disaccoppiamento in uscita.
Il condensatore C3 serve per bypassare la componente alternata della tensione che cade su R3 per effetto della corrente anodica per evitare di avere una controreazione locale.
La valvola termoionica V1, evidentemente un triodo, deve avere un fattore di amplificazione maggiore di 10.

Per la scelta della valvola, riferendoci a valvole commerciali potenzialmente alla realizzazione di un preamplificatore audio, ne selezioniamo tre facilmente reperibili sul mercato:

Tipo Valvola

Impiego Classico

Composizione

Potenza massima dissipabile

Amplificazione (mu)

Ecc81/12AT7

Amplificatore Oscillatore Miscelatore RF

Doppio Triodo con catodo a riscaldamento indiretto

2,5 Watt

60

Ecc82/12AU7

Amplificatore RF

Doppio Triodo con catodo a riscaldamento indiretto

2,75 Watt

17

Ecc83/12AX7

Amplificatore RF

Doppio Triodo con catodo a riscaldamento indiretto

1 Watt

100

La scelta, scartando la Ecc82 che ha un fattore di amplificazione troppo basso puntiamo sulla Ecc81, ma andrebbe bene anche la Ecc83 che tuttavia per quello che serve a noi ha un fattore di amplificazione troppo alto.

caratteristiche anodiche ecc81 preamplificatore a valvole termoioniche

Caratteristiche anodiche Ecc81 tratte da un datasheet philips del 1969.
Si nota la curva tratteggiata della massima dissipazione che mette un limite al prodotto tensione anodica - corrente anodica.
Il procedimento grafico che prendiamo in esame ci permette di avere la miglior visuale di quello che sarà il punto di lavoro della valvola.

Innanzi tutto dobbiamo stabilire la tensione di funzionamento del preamplificatore, tensione che quasi sempre è imposta dagli altri circuiti che dovranno essere alimentati con lo stesso alimentatore.
Mettiamo che sia 400Volt.
Poi cerchiamo di scegliere sul grafico un punto di lavoro in una zona abbastanza lineare, per esempio con una tensione negativa di griglia di 2 Volt, valore che può andare bene anche dal punto di vista della tensione di griglia che con un segnale di 2Vpp non diverrà mai positiva.

caratteristiche anodiche ecc81 preamplificatore a valvole termoioniche

A questo punto tracciamo il triangolo che comprende tutti i punti di possibile funzionamento della valvola, partendo dalla tensione di 400Volt fino a sfiorare la curva di massima dissipazione.
Il valore della possibile resistenza anodica è compreso fra infinito (per Ia=0) e R1=400/0,025=16KΩ (per Ia=25mA) che è la minima resistenza che possiamo usare senza superare il limite massimo di dissipazione.
Come si può facilmente desumere, variando la resistenza di carico R1 varia l'inclinazione dell'ipotenusa del triangolo che determina entro certi limiti, anche l'amplificazione della valvola.
Ma facciamo un paio di esempi, prendendo come resistenza R1 nel primo caso 16Kohm, nel secondo 40KΩ e nel terzo 80Kohm.

caratteristiche anodiche ecc81 preamplificatore a valvole termoioniche

Questo è il disegno risultante.
I quadrati sono stati fatti tracciandoli dall'intersezione fra la retta di carico e le caratteristiche anodiche relative al punto di lavoro con la massima elongazione del segnale in ingresso sovrapposto alla polarizzazione di griglia, quindi -2+1 e -2-1, quindi da -1Volt a -3Volt.
Il lato verticale del rettangolo rappresenta la variazione di corrente anodica in funzione del segnale di ingresso, mentre il lato orizzontale la variazione di tensione ai capi della valvola.
A questo punto è facile stabilire la tensione in uscita moltiplicando la lunghezza del lato verticale del rettangolo per la resistenza di carico equivalente, oppure contando i quadretti nel lato del rettangolo orizzontale.

Nel primo caso Vu=4,5mA*16Kohm=72Vpp A=72/2=36

Nel secondo caso Vu=2,2mA*40Kohm=88Vpp A=88/2=44

Nel terzo caso Vu=1,15mA*80Kohm=92Vpp A=88/2=46

A questo punto come si ottiene una amplificazione esattamente di 10 da questo circuito? Non è possibile.
Dobbiamo cambiare valvola oppure variare anche la tensione di alimentazione.
Proviamo a variare la tensione di alimentazione del circuito.
Per ottenere un abbassamento dell'amplificazione siamo costretti ad alimentare il tutto a 250Volt, quindi molto di meno dei 400Volt che abbiamo a disposizione.

caratteristiche anodiche ecc81 preamplificatore a valvole termoioniche

Ora ci siamo, la base del rettangolo misura 40Volt e il segnale di ingresso 2Vpp, quindi il nostro stadio preamplificatore guadagna esattamente 20.
Questo non è il modo più elegante di fare un preamplificatore audio di questo tipo, abbiamo inclinato la retta di carico fino ad un punto in cui il grafico della corrente va fuori scala.

Schema preamplificatore a valvole termoioniche

Questa è la versione modificata per abbassare la tensione di alimentazione del circuito preamplificatore audio.
La resistenza R4 deve provocare una caduta di tensione pari a VR4=400-250=150Volt.
Tenendo conto che passa a riposo una corrente di 7mA R4 dovrà essere di R4=150/0,007=21428Ω (si sceglie ovviamente il valore commerciale più vicino) e dovrà dissipare una potenza di WR4=150*0,007=1,05 Watt.
La resistenza R1 avrà un valore che si calcola sul grafico sottraendo alla tensione di alimentazione che è 250Volt la tensione che in regime statico cade ai capi della resistenza che è 208Volt (circa), Quindi VR1=240-208=32Volt.
La corrente che passa sulla resistenza è quella anodica, quindi 0,007mA.
Quindi R1=32/0,007=4571ohm.
La resistenza R3 deve produrre una caduta di tensione di 2Volt, quindi R3=2/0,007=285,7ohm.
Tutti i condensatori tranne C3 che ha una tensione di esercizio piuttosto bassa (2Volt circa) gli altri dovranno avere una tensione di lavoro di almeno 400Volt.
L'impedenza di ingresso corrisponde con R2 e si può mettere alta a piacere, optando ad esempio su 1Mohm.
La resistenza di uscita del preamplificatore audio è praticamente uguale ad R1, quindi 4-5Kohm, quindi per non caricarlo si consiglia di accoppiarlo ad un amplificatore con resistenza in ingresso di almeno 40-50Kohm.

Quello che abbiamo analizzato fino a questo momento è un preamplificatore audio classico, sul quale tuttavia non è possibile intervenire più di tanto, il trucco è usare una valvola che meglio si avvicina alle nostre esigenze, facendola lavorare nel punto migliore delle caratteristiche anodiche.
Nel circuito trattato sopra abbiamo forzato la valvola a lavorare in un punto non ottimale, in un punto in cui la resistenza interna della valvola è molto diversa come valore in regime statico da quella di carico, che è sempre la soluzione ottimale a livello di adattamento di impedenza e massima elongazione del segnale in uscita.

Secondo esempio: preamplificatore audio a un singolo stadio.

A questo punto progettiamo un preamplificatore audio leggermente diverso, introducendo una reazione locale in modo da adattare l'amplificazione e ridurre la distorsione.
Questo si ottiene facendo lavorare la valvola termoionica su una parte molto ridotta della retta di carico, riducendo il segnale che arriva alla griglia controllo del triodo.

preamplificatore audio con reazione negativa locale

L'unica differenza che notiamo è l'assenza del condensatore di bypass della resistenza di polarizzazione di griglia R3.
Questo comporta una reazione locale che di fatto riduce il modo dinamico il segnale che pilota la griglia di controllo.
Questo ci permette di far lavorare la valvola nel punto più lineare delle caratteristiche anodiche.
Ma facciamo una analisi dei parametri di funzionamento del circuito partendo dai dati di partenza.

Punto di funzionamento del preamplificatore

Come si può vedere dal disegno a sinistra il segnale che ci occorre in ingresso al preamplificatore audio per avere 40 Volt all'uscita è meno della metà di quello che abbiamo in ingresso.
La retta di carico è stata disegnata in modo che il punto di funzionamento statico della valvola coincida con esattamente la metà della tensione di alimentazione quando la tensione di griglia è -2Volt, punto di lavoro prescelto.
Questo impone una resistenza di carico R1=200/0,012=16,7KΩ circa (dove 200Volt è uguale a Vcc/2 e 12mA si ricavano dal grafico a fianco.
Per avere una tensione di polarizzazione di 2Volt fra catodo e griglia occorre che R3 abbia un valore di R3=2/0,012=166,6ohm.

A questo punto tenendo conto che R1 ed R3 sono percorse dalla stessa corrente e che la tensione della componente alternata ai capi di R3 è di Vi-1 dove Vi è la tensione di ingresso e 1 è il valore della tensione che serve per produrre in uscita 40 Volt (si calcola in modo approssimativo dal grafico), quindi VaR3=1 il guadagno è troppo elevato ancora una volta ed essendo il rapporto fra R1 ed R3 prossimo a 100, questo sarà il guadagno (limitato dalle caratteristiche intrinseche della valvola).
L'unico modo di svincolare il guadagno dell'amplificatore dalla polarizzazione in regime statico della griglia è quello di scindere le due cose, quindi frazionare in due parti il resistore R3 ed usarne una parte per polarizzare la griglia e l'altra per regolare la controreazione.

Progetto di preamplificatore audio a valvole

Finalmente per il nostro preamplificatore audio ora possiamo fare quadrare il cerchio!! Poniamo R3=166,6Ω in modo che la griglia venga polarizzata a -2Volt e la somma R3+R4=R1/40 quindi R3+R4=16700/40=417,5ohm.
Avendo R3=166,6Ω R4=417,5-166,6=250,9ohm.
Abbiamo finalmente ottenuto quello che ci eravamo prefissi.
Ovviamente questo è un metodo approssimativo per calcolare il tutto, tuttavia dà risultati abbastanza precisi.
Trattandosi di componenti che soffrono di notevoli tolleranze di costruzione è inutile essere troppo precisi.
Poi una volta realizzato il circuito si possono fare modifiche per adattare al meglio il funzionamento, variando di poco i valori delle resistenze.
Il più delle volte non è necessario. In questa fase ci si può avvalere di una decade resistiva per trovare sperimentamente il miglior valore.

Se proprio vogliamo lavorare di precisione possiamo collegare una decade resistiva al posto di R1 a variarla fino a che la tensione Vak non è uguale a VR1 ovvero la tensione che cade ai capi del triodo non è uguale a quella che cade ai capi della resistenza di carico.
A questo punto basta sostituire la decade resistiva con una resistenza fissa dello stesso valore trovato sperimentalmente e abbiamo il valore ottimale per R1.
Questa tecnica permette, al netto delle tolleranze, di avere il miglior punto di funzionamento e la minor distorsione unita alla massima elongazione del segnale in uscita senza clipping.

Preamplificatore Audio Multistadio

Questa configurazione, quella multistadio di solito per un preamplificatore audio è la norma, comprende lo stadio di ingresso ad alta impedenza, il preamplificatore audio vero e proprio e lo stadio adattatore di impedenza (buffer) di uscita.
Tuttavia questi stadi si possono progettare come se fossero composti da diversi preamplificatori collegati in cascata tenendo conto delle reciproche impedenze di ingresso ed uscita.
E' buona norma utilizzare sempre il minimo dei componenti per raggiungere l'obbiettivo che abbiamo scelto.
Questo per ridurre il rumore, le possibilità di guasto e il costo finale dell'apparecchiatura.

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