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Smaltimento del calore negli amplificatori valvolari

Introduzione

Il calore passa da un corpo più caldo ad uno più freddo usando tre metodi diversi:

Fonti di calore negli amplificatori a valvole termoioniche

In un amplificatore a valvole termoioniche le fonti di calore sono concentrate sopratutto sulle valvole finali di potenza.
All'interno di queste le fonti di calore sono il riscaldamento dei filamenti e la dissipazione dell'anodo (dove è dissipata tutta l'energia cinetica degli elettroni che in una valvola si trasforma in calore).
Nella valvola c'è il vuoto, quindi il calore non si può trasferire dall'anodo al vetro (o comunque all'involucro esterno) per conduzione, quindi viene irraggiato sottoforma di raggi infrarossi.
Quindi abbiamo sempre una parte del calore irraggiato all'interno del cabinet dell'amplificatore

Un'altra fonte di calore sono i trasformatori di alimentazione e le resistenze, ma si tratta di una parte trascurabile, in genere, rispetto alle valvole.

Calore prodotto dai filamenti

Smaltimento del calore in un amplificatore a valvole

Il calore prodotto per riscaldare i filamenti delle valvole e' costante nel tempo e facilmente calcolabile.
Per ogni valvola si calcola la corrente assorbita dal filamento moltiplicata per la tensione di filamento.
Per esempio, nel caso dell'amplificatore a sinistra, si tratta di un Audio Research Classic 60, quindi monta come valvole finali 8 6550s che hanno una tensione di filamento di 6,3 Volt e una corrente di filamento di 1,6 Ampere.
Quindi la potenza richiesta per il filamento è 6,3 x 1,6 = 10,08 Watt, quindi in totale la potenza impiegata per accendere i filamenti delle valvole finali sarà 10,08 x 8 = 80,64 Watt.
Sommando anche la potenza richiesta per le valvole driver e quella dissipata dal trasformatore (che non ha un rendimento del 100%) ci si avvicina ai 100 Watt solo per i filamenti.

Calore prodotto dagli anodi delle valvole

Dipende dalla corrente che passa nelle valvole, se si tratta di un finale single ended la potenza richiesta a riposo (in assenza di segnale in ingresso) è quella massima, quindi è di facile calcolo.
Basta misurare la corrente che passa nella valvola e moltiplicarla per la tensione anodica, poi sommare le potenze richieste da ogni singola valvola.

Misura strumentale della potenza assorbita

In fase di progetto occorre eseguire i calcoli con un approccio matematico, nel caso un amplificatore già costruito basta collegare l'amplificatore ad un wattmetro e poi stimolarlo con un segnale tale da produrre in uscita una potenza del 50% della massima potenza.
Negli amplificatori single-ended non serve neppure il segnale in ingresso, questo tipo di amplificatore consuma la massima potenza, e quindi produce il massimo calore a riposo.

Problemi prodotti dal calore in eccesso

Le valvole sono relativamente insensibili al calore, i danni maggiori li subiscono i condensatori elettrolitici che hanno un tempo di vita strettamente legato alla temperatura di esercizio.
Anche i supporti delle valvole ed eventualmente il circuito stampato subiscono un invecchiamento precoce se sottoposti a forte calore.

Strategie per lo smaltimento del calore in eccesso

Di seguito le metodologie più comuni impiegate per lo smaltimento del calore:

Smaltimento del calore con valvole esterne al cabinet

Classico esempio di valvole poste all'esterno del cabinet.
Questa soluzione oltre che facilitare lo smaltimento del calore ottimale ha anche una certa valenza estetica.
Da notare che il metallo su cui appoggiano le valvole serve da sbarramento per il calore radiante prodotto dalle stesse schermando di fatto la parte interna dal calore.
Per ragioni di sicurezza questo tipo di cablaggio viene sempre protetto con una struttura metallica appositamente traforata o una griglia metallica.

Smaltimento del calore con circolazione forzata di aria

Particolare del circuito stampato in vetronite (che è particolarmente resistente al calore, molto meglio della bakelite).
Si tratta dello stesso amplificatore della Audio Research di cui sopra fotografato da sotto, nella sezione delle valvole finali di potenza.
La vetronite è stata finemente forata per non ostacolare l'aria di raffreddamento.
Fra l'altro, questo amplificatore come scelta costruttiva è stato fatto il più compatto possibile, quindi sono state usate due ventole per estrarre l'aria calda in modo forzato facilitandone la circolazione a tutto vantaggio dello smaltimento del calore.
In questo caso il calore generava problemi di "convivenza" fra le valvole e i componenti a semiconduttore presenti all'interno, essendo questo un progetto "ibrido", che ha reso necessaria questa soluzione.

Ventilazione forzata

Questo tipo di tecnica prevede l'uso di ventole per produrre un forte flusso di aria che permette di estrarre il calore.
Questo prevede che in fase di progetto si definisca anche il percorso che l'aria dovrà compiere all'interno del mobile in modo da asportare il calore nel modo più efficiente senza generare sacche in cui l'aria ristagna creando dei punti caldi.
Questa tecnica, seppur efficiente non è priva dei seguenti inconvenienti:

  • Rumore acustico.
    La ventola ruotando produce rumore generato dalle pale che investono l'aria.
  • Rumore elettrico.
    La ventola ruotando per effetto di seppur minimi sbilanciamenti produce vibrazioni che si propagano alle valvole e si trasformano per effetto microfonico in rumore elettrico.
    Oltre a questo la ventola genera anche un rumore elettrico diretto, prodotto dalla commutazione del motore (sia esso a spazzole che brushless) che si propaga sull'alimentazione e rientra negli stadi amplificatori.
  • Durata.
    Essendo un organo meccanico soggetto ad usura, la vita della ventola non è mai troppo lunga.
  • Polvere.
    Il flusso d'aria prodotto non è lineare ma all'interno del mobile si producono vortici e cambi di direzione e velocità nel flusso d'aria che favoriscono il deposito di polvere, sempre presente nell'ambiente.
    Tenendo conto che nella sua vita attraverso il nostro apparato per effetto della ventola passano migliaia di metri cubi di aria il deposito di polvere in certi casi raggiunge dei livelli incompatibili con il corretto funzionamento.

Nonostante tutto la ventilazione forzata rimane il metodo più efficiente per rimuovere il calore da una apparecchiatura, secondo solo al raffreddamento a liquido (vedi ad esempio il raffreddamento ad olio dei trasformatori di grossa potenza e ad acqua delle valvole di trasmissione)

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