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La Reazione negli amplificatori a valvole

Indice Argomento Corrente

1) Di cosa si tratta

2) Tipologie di reazione

3) Studio dei comportamenti limite

4) Controreazione e potenza massima in uscita

5) Controreazione e fattore di smorzamento

6) Un caso particolare di controreazione: la reazione incrociata (espansore di immagine stereo)

1 - Di cosa si tratta

Per reazione si intende riportare parte del segnale di uscita di un amplificatore in ingresso allo scopo di linearizzarne la risposta, nel caso degli amplificatori audio o per trasformarlo in un generatore di segnale, nel caso di un oscillatore.

2 - Tipologie di reazione

Reazione positiva o rigenerazione. Viene attuata portando all'ingresso un segnale in fase con quello originale, quindi aumentandone l'ampiezza. E' il caso tipico degli oscillatori, nei quali una parte del segnale in uscita viene riportato in fase all'ingresso e serve per mantenere lo stato oscillatorio.

Reazione negativa o degenerazione. Si tratta di riportare una parte del segnale in uscita all'ingresso invertito di fase (sfasato di 180°), che quindi si sottrae al segnale di ingresso riducendo l'amplificazione. Tipica reazione adottata negli amplificatori audio al fine di linearizzarne il comportamento ed estendere la banda passante. Si divide a sua volta in tre sottospecie: Reazione negativa globale Reazione negativa locale Reazione negativa mista (globale + locale)

Quindi si parla di reazione negativa o controreazione globale quando il segnale in uscita viene riportato all'ingresso del primo stadio, mentre si parla di controreazione locale quando il segnale di ogni singolo stadio amplificatore viene portato al rispettivo ingresso, introducendo quindi tante reazioni negative localizzate in ogni stadio amplificatore.
La terza soluzione è la somma delle prime due, implementate in contemporanea.
Nella figura sotto è riportato un esempio tipico di reazione negativa.
Il segnale applicato alla griglia induce una variazione della corrente anodica.
Sulla resistenza Rk1 la variazione di corrente induce una caduta di tensione variabile che si somma, essendo la resistenza stessa sia parte del circuito anodico che di quello di griglia, alla tensione del segnale applicato alla griglia.
Analizzando il comportamento della corrente anodica vediamo che quando la tensione sulla griglia aumenta, aumenta anche la corrente anodica, quindi aumenta la tensione ai capi di R1 che si somma algebricamente con quella di ingresso dando come risultante, essendo sfasate di 180° la differenza delle due.
Praticamente al segnale di ingresso si sottrae quello di reazione.
Nell’esempio è possibile variare la reazione bypassando parte della resistenza Rk (scomposta in Rk1 ed Rk2 tali che Rk1+Rk2=Rk) con un condensatore Ck2, che funge da bypass per la componente alternata come visibile nel disegno.
Il condensatore Ck2 dovrà avere una capacità tale da essere un cortocircuito per la componente variabile della tensione Vrk2 (ai capi di Rk2).

Classico esempio di amplificatore di tensione a Triodo reazionato con resistenza di polarizzazione posta sul catodo.
Nell'immagine a destra, oltre a polarizzare negativamente la griglia rispetto al catodo determina anche una reazione negativa che può essere variata parzializzando la resistenza Rk.
Questo tipo di controreazione è detta "in corrente" in quanto è la corrente anodica che la determina scorrendo attraverso Rk che fa parte sia del circuito anodico che di quello di ingresso.

Nella figura in alto a sinistra è riportato il classico esempio di reazione globale ovvero fra l’uscita e l’ingresso.
Come si può facilmente notare la tensione da reazionare viene presa direttamente ai capi della resistenza di carico, ridotta come ampiezza da un partitore resistivo formato dalle resistenze R1, R2, R3 ed Ri (la resistenza di uscita dello stadio precedente, in questo caso visto che lo schema si riferisce ad un finale di potenza, presumibilmente la resistenza di uscita di un preamplificatore).
A destra sopra è riportato il circuito equivalente del circuito di reazione dell’amplificatore . G1 è Vu.
Si ottiene applicando i teoremi di Tevenin e Norton.
Si tratta di una semplificazione in quanto non si tiene conto dei comportamento nei casi limite, quando le capacità di accoppiamento iniziano a far sentire i propri effetti.
Da notare che con questo tipo di controreazione si compensano, entro certi limiti, anche le variazioni di impedenza tipiche dei carichi variabili al variare della frequenza, come le casse acustiche che hanno molte componenti reattive, sia negli altoparlanti che nel filtro crossover.

Nel disegno sopra un anello di reazione globale su un amplificatore single ended.
Rf insieme a R3 costituiscono il partitore resistivo che determina l'entità della reazione negativa e il valore della tensione che dal secondario del trasformatore adattatore di impedenza viene riportata sullo stadio pilota della valvola finale di potenza.
Nel caso la reazione venga presa dal secondario del trasformatore occorre prestare molta attenzione al filo del secondario da mettere a massa e a quello a cui collegare l'anello di reazione perché invertendoli si inverte la fase del segnale reazionato e il tutto diventa un ottimo oscillatore.

La controreazione globale può anche servire per correggere comportamenti anomali e modificare la banda passante introducendo elementi reattivi nel circuito di reazione. Nel caso sopra, ad esempio se volessimo limitare la banda passante dell'amplificatore potremmo facilmente farlo introducendo un condensatore in parallelo a Rf.
In questo modo all'aumentare della frequenza la reattanza capacitiva prevarrebbe sulla resistenza di Rf, il segnale reazionato aumenterebbe e diminuirebbe il guadagno dell'amplificatore per i toni alti.
Viceversa si possono aumentare i toni alti mettendo un condensatore in parallelo ad R3, in questo modo il segnale reazionato per quello che riguarda i toni alti diminuirebbe e l'amplificatore per queste frequenze avrebbe una maggiore amplificazione.

3 - Studio dei comportamenti limite

Per casi limite si intendono tutti quei casi in cui l'amplificatore diventa instabile, anche aldifuori della banda passate audio.
Lo studio dei casi limite serve per verificare la stabilità dell’amplificatore, infatti le capacità e le induttanze introducono degli spostamenti di fase della tensione di reazione a volte tali da mandare in autooscillazione l’amplificatore, ovvero la controreazione si trasforma in reazione positiva.
In ogni caso comportamenti anomali si possono rilevare facilmente in fase di prova dei prototipi con un generatore di funzioni ed un oscilloscopio a doppia traccia. Occorre mettere a confronto l'ampiezza e la fase del segnale in ingresso con quello in uscita e controllare gli spostamenti di fase.
Occorre considerare che comportamenti anomali si possono manifestare bel oltre la banda passante, mi è capitato in passato di provare degli amplificatori audio che si sono rivelati degli ottimi oscillatori radio per onde medie.

Tenete sempre conto che un buon amplificatore, ben progettato non ha bisogno di un anello di controreazione globale, quindi curate il progetto e ottimizzate stadio per stadio!
Questo non vuol dire che non si debba usare la controreazione a prescindere.
In un amplificatore ben progettato la controreazione oculatamente dosata ne migliora ulteriormente le caratteristiche.
La reazione globale nasconde anche difetti di progettazione quali ad esempio la saturazione o il clipping degli stadi intermedi.
Quindi se utilizzate la controreazione prima costruite un amplificatore ben fatto che funziona anche senza la stessa, in special modo se si parla di amplificatori single ended.

4 - Controreazione e potenza massima in uscita

La controreazione e la potenza massima in uscita sono strettamente correlate. Ma andiamo per ordine e cerchiamo di capire il meccanismo. Prendiamo in esame l'amplificatore di cui di seguito lo schema.

Se noi applichiamo un segnale in ingresso ad una frequenza di centro banda, ad esempio ad 1KHz in assenza di controreazione nel punto "A" avremo un segnale pari a quello di ingresso amplificato di una certa quantità dallo stadio di ingresso.
Lo stesso nel punto "B" in quanto per detta frequenza anche l'amplificatore di potenza e il relativo trasformatore hanno un comportamento ottimale. Al limite di banda, ad esempio a 20KHz il comportamento cambia, mentre il preamplificatore in genere non ha problemi e neanche il tubo di potenza, il rendimento del trasformatore cala.
Quindi avremo un segnale in uscita più basso.
Nel caso della controreazione un segnale di uscita più basso viene riportato sull'ingresso e sottratto al segnale Vin, quindi in definitiva l'amplificazione dello stadio di ingresso aumenta per compensare il minor segnale in uscita.
Questo fa si che per mantenere nel punto "B" un segnale di ampiezza adeguata la griglia della valvola EL34 sarà pilotata con una tensione maggiore.
Ma questo ha un limite dettato dal fatto che la griglia della EL34 non potrà mai divenure positiva per effetto del pilotaggio, perchè altrimenti si avrebbe una forte distorsione.
Questo fa si che per ottenere in uscita una distorsione bassa dovremo mantenere una tensione in uscita più bassa con relativo calo della potenza massima anche in centro banda.

5 - Controreazione e fattore di smorzamento

Un caso tipico di impiego della controreazione è per aumentare il fattore di smorzamento di un amplificatore, ovvero ridurre le oscillazioni dovute all'inerzia della membrana di un altoparlante.
Vi faccio un esempio pratico.
Il nostro amplificatore è connesso ad un altoparlante e non ha segnale in ingresso.
L'altoparlante è in perfetta quiete.
Se noi lo muoviamo picchiettandolo con un dito questi produrrà una tensione che verrà portata all'ingresso dell'amplificatore e questi produrrà una tensione di segno contrario a quella generata.
In altre parole lo frena.
Questo concetto, esteso, fa si che quando la membrana per inerzia dopo un rapido movimento innesca delle oscillazioni l'amplificatore reazionato la frena, quindi di fatto aumenta la precisione dei movimenti dell'altoparlante.

 

6 - Un caso particolare di controreazione: la reazione incrociata (espansore di immagine stereo)

Il caso più particolare di reazione negativa l'ho visto applicato in un amplificatore stereo al fine di aumentare l'ampiezza dell'immagine stereofonica. In pratica la reazione è incrociata fra i due canali, il segnale di reazione del canale destro finisce all'ingresso del sinistro e viceversa. In questo modo vengono attenuati tutti i segnali presenti sui due canali e amplificati i segnali differenza fra i due canali. Per ottenere un migliore effetto occorrerebbe una rete di reazione più complessa per evitare di attenuare le basse frequenze che sono quasi sempre presenti in egual misura su tutti e due i canali. E' una pratica che nulla ha a che fare con l'alta fedeltà ma è interessante a livello concettuale e andava di moda qualche anno fa in special modo sugli stereo portatili.