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Studio di un caso reale

Come si modifica/ottimizza un amplificatore valvolare per cuffia già fatto

Questo progetto originale che una nota rivista ha pubblicato e propone in kit di montaggio, in questo capitolo viene analizzato, poi attraverso uno studio dei difetti, modificato per eliminarli.
In questo caso è stato comperato il kit completo direttamente, il kit è stato montato seguendo tutte le indicazioni, e alla fine è stato collaudato seguendo il protocollo di verifica con strumenti adeguati.
Le modifiche, sottoposte al pesante vincolo di un circuito stampato preesistente sono state decise e messe in atto per attenuare alcuni problemi che affliggevano questo progetto.

Amplificatore valvolare per cuffia: Schema elettrico originale

Come si può notare dallo schema elettrico vengono usate quattro valvole identiche contenenti due doppi triodi, due come pilota e due come finali di potenza.
I due doppi triodi all'ingresso (V1-V3) sono utilizzati come preamplificatori mentre i due doppi triodi della valvola utilizzata come finale (V2-V4) sono messi in parallelo per abbassare l'impedenza di uscita.
Tenendo conto della scarsa potenza richiesta per pilotare una cuffia (qualche centinaio di milliWatt) questa scelta è pienamente condivisa.
Si poteva utilizzare una sola valvola per canale ma il risultato finale, a parità di valvole utilizzate, sarebbe stato di abbassare l'amplificazione totale e di dover utilizzare un segnale di più alto livello per pilotare l'amplificatore. Per ovviare a questo inconveniente si potrebbe utilizzare una valvola triodo-pentodo con uno triodo ad alto guadagno come la ECL82.
Una cosa che normalmente a questo livello non si usa è invece lo stabilizzatore di tensione per stabilizzare la tensione anodica, messo probabilmente perché è la soluzione più efficace e al contempo economica per ridurre il ripple e mantenere il tutto in una dimensione ridotta, anche tenendo conto che si tratta di un amplificatore finale single-ended, quindi molto sensibile al rumore di alimentazione.
Se lo avessimo progettato da zero avremmo probabilmente impiegato un diverso tipo di stabilizzatore, un po' più resistente ai maltrattamenti, magari facendo a meno dell'integrato stabilizzatore LM317 e magari ottenere una tensione più alta per l'anodica, tenedo conto che sul condensatore C14 vi è una tensione di 240V si poteva tranquillamente optare per una anodica da 210-220V.

Per quello che riguarda la controreazione, questo amplificatore ha una controreazione globale molto alta, sintomo di una scarsa linearità del trasformatore adattatore di impedenza.
Si potrebbe provare a ridurla, controllando le ripercussioni sulla banda passante e sulla distorsione armonica. Sicuramente riducendo o annullando la controreazione ci sarebbero dei notevoli miglioramenti a livello di naturalezza del suono ma andrebbero ricalcolati i guadagni di tutti gli stadi in quanto il guadagno totale aumenterebbe troppo.

Schema elettrico amplificatore

Verifica del progetto

A questo punto è opportuno eseguire uno studio per verificare l’esatta progettazione del circuito.
Prenderemo in considerazione un solo canale in quanto i due canali sono uguali (ovviamente, trattandosi di un amplificatore stereo).
I primi due stadi sono costituiti da due triodi collegati a catodo comune, con polarizzazione di griglia automatica.
Il segnale posto sull’ingresso del canale sinistro viene attenuato dal potenziometro R1 e poi tramite C1 portato alla griglia del primo triodo amplificatore.
La resistenza R2 serve per polarizzare la griglia al potenziale di massa che è negativo rispetto a quello del catodo per la caduta di tensione introdotta dalla resistenza R3.
La resistenza R4 è invece la resistenza di carico posta nel circuito anodico del triodo e da cui viene prelevato il segnale in uscita.
Da notare l’assenza del condensatore di bypass in parallelo alla resistenza R3 indice di una reazione negativa mirata a limitare il guadagno dello stadio preamplificatore e ad aumentarne la linearità e la banda passante.
Questa resistenza influenza il massimo segnale che possiamo introdurre all'ingresso e che non potrà mai essere più alto della caduta di tensione ai capi della resistenza che è anche la tensione di polarizzazione negativa della griglia del triodo.
Il condensatore C3 porta il segnale all’ingresso del secondo triodo preamplificatore la cui griglia è polarizzata con le stesse modalità del primo stadio dalla resistenza R8.
Fra il catodo e la massa del secondo diodo sono presenti due resistenze, la tensione di polarizzazione della griglia è dovuta alla resistenza R6 più il parallelo fra R7 ed R11 per quello che riguarda il regime statico.
In realtà questo ramo è inutile in quanto dimensionando correttamente le resistenze se ne potevano usare solo due.
La tensione che abbiamo rilevato fra l'anodo e massa di questo secondo stadio è 66V, indice della corretta progettazione della polarizzazione dello stadio.
Se la polarizzazione fosse perfetta troveremmo una tensione pari alla metà di quella di alimentazione dello stadio, quindi 140/2=70Volt.
Una piccola deviazione rispetto a questo valore è accettabile e non comporta problemi.
Il condensatore C4 porta, disaccoppiandolo dalla tensione anodica, il segnale ai due triodi in parallelo che fungono da finale di potenza che hanno come carico il trasformatore adattatore di impedenza che poi pilota il carico (la cuffia).
Il secondario del trasformatore è collegato per attuare una controreazione globale al secondo stadio preamplificatore.
I condensatori C5 e C2 servono per stabilizzare la tensione anodica rispettivamente dello stadio di potenza e di quello preamplificatore.
La resistenza R9 serve ad abbassare la tensione di pilotaggio dello stadio preamplificatore che è di soli 140V rispetto a quella dello stadio di potenza che è di 170V e anche a formare un filtro di alimentazione (filtro RC).
A questo punto possiamo passare allo studio della polarizzazione dei singoli stadi.

Caratteristica anodica di un triodo ECC82 della RCA

Sopra è riportata la caratteristica anodica di un triodo ECC82 della RCA.
Come si può vedere è stata riportata la retta di carico congiungendo i 140Volt della tensione di alimentazione a 3mA che è la corrente massima che può passare nel circuito.
Poi è stata tracciata per interpolazione lineare la caratteristica anodica corrispondente alla polarizzazione della griglia del primo triodo che rilevata strumentalmente è 2,43Volt (i dati sono riportati sullo schema elettrico).
La tensione anodica in regime statico è di circa 50V.
Facendo un veloce calcolo e facendo variare la tensione di griglia da 2V a 4V la tensione anodica passa da circa 40V a circa 67V ci si rende conto che con l’inclinazione della retta di carico ottenuta si ha una amplificazione di circa (67-40)/2=13,5.
Lo stesso discorso vale per il secondo triodo preamplificatore che differisce dal primo unicamente per la tensione di griglia in regime statico che è di 2,62V e sposta il punto di funzionamento in una zona leggermente diversa della retta di carico.
Analizzando lo stadio preamplificatore ci si rende conto che la valvola lavora nella prima parte delle caratteristiche anodiche che non è la più lineare, tale scelta è stata fatta allo scopo di abbassare la tensione di funzionamento delle valvole allo scopo di ridurre la dimensione dei condensatori di stabilizzazione a parità di capacità e quindi il costo del circuito.
Per quello che riguarda la fedeltà dell’amplificatore questa non è la scelta migliore.
Ora analizziamo lo stadio finale.
Il carico dello stadio finale è costituito dal trasformatore, quindi a regime statico la valvola lavora su una resistenza di carico costituita dalla sola componente resistiva del primario del trasformatore che è trascurabile rispetto alla resistenza interna della valvola.
In regime dinamico la valvola lavora su una resistenza che è quella del carico moltiplicata per il quadrato del rapporto spire del trasformatore.
Noi non conoscendo la resistenza del carico partiamo dal presupposto che il progettista abbia fatto un buon lavoro e la resistenza equivalente vista dalla valvola sia pari alla sua resistenza interna che è la condizione per cui si ha il massimo trasferimento di potenza verso il carico.
Guardando la figura sotto si nota che prima si traccia una linea verticale in corrispondenza della tensione di 170V, poi in corrispondenza della tensione di griglia di controllo applicata alla valvola (6,78V rilevata strumentalmente) si traccia una linea orizzontale e si determina la corrente anodica.
Poi si traccia una linea congiungente l’asse y e x.
Praticamente abbiamo dato per scontato che la resistenza di carico sia uguale alla resistenza interna della valvola e abbiamo determinato la retta di carico.
Anche lo stadio finale non lavora nella parte ottimale delle caratteristiche anodiche.
Il circuito evidentemente è stato progettato per avere un buon compromesso fra dimensioni, ingombro, costo e prestazioni.
Se la logica di progettazione fosse stata quella delle prestazioni senza compromesso si sarebbero adottate tensioni di alimentazione sensibilmente più alte facendo lavorare le valvole in una zona di maggior linearità.

Caratteristica anodica di un triodo ECC82 della RCA

Prove eseguite su amplificatore per cuffia

Banda passante dell’amplificatore:
Come si può notare dai grafici che seguono la banda passante dell’amplificatore è soddisfacente, pur non essendo completamente piatta.
Vi e’ la tendenza ad un aumento della tensione di uscita in corrispondenza del limite alto (frequenze comunque oltre i 20KHz) dovuto probabilmente o alla frequenza di risonanza propria del trasformatore di uscita, oppure ad uno sfasamento sul circuito di controreazione.

Banda passante amplificatore

Come si può notare la banda passante è stata rilevata sia su scala logaritmica che su scala lineare per avere due visuali della stessa cosa.
Inoltre sono stati rilevati i dati del canale destro e di quello sinistro che differiscono leggermente probabilmente a causa della tolleranza dei componenti utilizzati.

Massimo segnale in ingresso

Massimo segnale in ingresso:
Il massimo segnale applicabile in ingresso di questo amplificatore è stato misurato applicando una sinusoide a 1000 Hz sull’ingresso, aumentando il segnale e monitorando il segnale in uscita fino a notare una distorsione di ampiezza dello stesso.
Come si può notare dalla figura che segue la distorsione inizialmente non interessa tutte e due le sinusoidi del segnale, ma solo la negativa, chiaro segno che il punto di lavoro di una delle valvole dell’amplificatore, non è stato calcolato esattamente.
(con ogni probabilità si tratta della valvola finale in cui la massima elongazione del segnale è sensibilmente più alta che nelle altre)
Come si può notare le forme d’onda 3 e 4 ricavate applicando all’ingresso 1.7Vpp sono distorte soprattutto per quanto riguarda le elongazioni negative del segnale.

Distorsione amplificatore

Distorsione dell’amplificatore:
Ora analizziamo la distorsione generata dall’amplificatore quando viene introdotto all’ingresso un segnale troppo alto, condizione che nella realtà difficilmente si verifica, anche in corrispondenza di picchi del segnale in ingresso.
Tuttavia analizzando come l’amplificatore distorce si possono avere delle indicazioni su come migliorarlo.
L’unica cosa che si nota è che la distorsione introdotta da questo amplificatore differisce dalla tipica distorsione di un amplificatore a transistor in cui il taglio delle semionde è molto più netto.

A questo punto andiamo ad analizzare la distorsione armonica totale (THD) che si ottiene con un segnale in ingresso atto ad ottenere la massima potenza in uscita. (1250mVpp).

L’unica armonica significativa è la seconda che tuttavia e’ di ampiezza molto piccola.
(non si arriva all’1% totale).
Il comportamento dell'amplificatore in questo caso è più che buono.

Distorsione armonica amplificatore
Comportamenti limite amplificatore

Comportamenti Limite:
A questo punto una volta appurato che l’amplificatore non ha grossi difetti di progettazione andiamo a verificare quali sono i suoi punti deboli.
Per fare questo occorre analizzare il comportamento dell’amplificatore ai limiti della banda di utilizzo, ovvero a 20Hz e a 20KHz per vedere se vi sono delle distorsioni di ampiezza o di fase.
Come si potrà notare la distorsione varia oltre che in funzione dell’ampiezza del segnale in ingresso anche in funzione della frequenza, quindi provare le caratteristiche di un amplificatore alla frequenza di 1KHz non rappresenta una prova esaustiva per determinarne la qualità.
Alle frequenze limite della banda audio intervengono maggiormente le componenti reattive dovute ai condensatori di accoppiamento e al trasformatore di uscita.
In dettaglio, i condensatori di accoppiamento a bassa frequenza possono creare un filtro passa-alto, che provoca una degradazione del segnale in uscita, in misura considerevole se si calcola che l’effetto delle varie celle di filtro (una per ogni stadio dell’amplificatore) si somma.
Alle alte frequenze le capacità interelettrodiche delle valvole impiegate, unitamente al trasformatore di uscita possono creare dei filtri passa-basso che possono far degradare l’amplificazione.
Questi filtri parassiti in corrispondenza della frequenza di taglio provocano uno spostamento di fase del segnale di uscita che, unitamente alla controreazione, può provocare effetti imprevedibili.

Come si può notare dalla figura a sinistra a 20Hz l’amplificatore si comporta molto male, l’uscita (traccia 1 e 2) è molto distorta se rapportata al segnale in uscita a 1000Hz (traccia 3 e 4) chiaro sintomo che qualche cosa nell’amplificatore non funziona per il verso giusto.
Osservando le prime due curve possiamo escludere che si tratti di un effetto dovuto ai condensatori di accoppiamento, in quanto non vi è un calo della amplificazione ma una distorsione armonica.
Quindi il problema è sicuramente nello stadio finale (trasformatore) o nell’anello di controreazione.
Questo è quanto emerge dall’analisi del segnale distorto.
La THD è superiore al 50% e sono presenti tutti gli ordini di armoniche.

Distorsione armonica limite amplificatore

Distorsione di fase amplificatore

Distorsione di fase:
Si manifesta per colpa delle capacità e induttanze presenti nei vari circuiti sia sottoforma di componenti, vedi condensatori di accoppiamento, sia sottoforma di capacità e induttanze parassite.
Come si nota dai dati rilevati l’amplificatore ha un buon comportamento alle alte frequenze in quanto manifesta modeste rotazioni di fase, a frequenze basse inizia a dare problemi da 40Hz.
In ogni caso la rotazione di fase è accettabile e non da problemi di sorta.

Modifiche atte a migliorare le prestazioni

Modifiche apportate:
Come è possibile notare dallo schema, sono state apportate modifiche di vario tipo, sono stati modificati i valori dei condensatori C5 e C11, eliminati i condensatori C6 e C12 e, cosa discutibile, ma ottimo espediente da sperimentare, è stata introdotta una controreazione incrociata fra i due canali allo scopo di espandere l’immagine stereo e limitare la diafonia.
Entrando nel dettaglio: per i ridurre la diafonia e il rumore di alimentazione come prima cosa cosa compatibilmente con lo spazio disponibile sullo stampato si sono modificati i valori dei condensatori di stabilizzazione C5-C11 portati da 22microFarad a 100micrFarad.

Schema Amplificatore modificato

Questo aveva già ridotto in modo significativo il rumore e la diafonia, poi si sono tolti i condensatori di disaccoppiamento C6-C12 (avevano lo scopo di bypassare la componente alternata ai capi delle resistenze R12-R24 ai fini di annullare la controreazione introdotta da queste).
In questo modo è diminuita l’amplificazione dello stadio finale e con questo anche il rumore di alimentazione introdotto da quest’ultimo.
Per avere un risultato ottimale oltre alle modifiche già fatte sarebbe stato opportuno duplicare lo stadio di alimentazione (in altre parole costruire un amplificatore dual-mono), sarebbe sicuramente aumentata la separazione fra i canali (minor diafonia) perché sarebbe diminuita la reiezione di segnale attraverso l’alimentazione.
Detto in parole povere ogni canale assorbe corrente dall’alimentatore con un andamento che è funzione della potenza che stà fornendo alla resistenza di carico, questo perturba (modula) l’alimentazione dell’altro canale generando il fenomeno della diafonia ovvero diminuisce la separazione fra i canali.
In un secondo momento per ridurre ulteriormente il rumore di alimentazione sono stati cambiati i condensatori C2-C8 e portati da 22microF a 100microF.
Questi condensatori stabilizzano l’alimentazione ai capi della parte preamplificatrice e più sono grandi meglio è.
Per fare un lavoro ancora migliore, questi condensatori andavano “aiutati” con un condensatore di bassa capacità e alta velocità in parallelo, purtroppo questo avrebbe comportato la riprogettazione del circuito stampato, quindi non è stato fatto.
Di seguito sono riportate le foto dell’originale e del modificato.

Foto Amplificatore originale

Progetto Originale

Foto Amplificatore modificato

Progetto Modificato

Acronimi adottati:
Va=Tensione anodica espressa in Volt, E’ la tensione applicata fra anodo e catodo di una valvola.
E’ anche detta tensione di polarizzazione di placca, o più semplicemente tensione di placca.
Ia=Corrente anodica, normalmente indicata in mAmpere (millesimi di ampere).
E’ la corrente che transita fra anodo e catodo all’interno della valvola e di conseguenza nel circuito anodico all’esterno della valvola.
Vg=Tensione di griglia. Normalmente riferita alla griglia di controllo nel caso del triodo.
Vg1=Tensione di griglia riferita alla griglia di controllo nel caso di una valvola plurigriglia.
Vg2=Tensione di griglia riferita alla griglia schermo nel caso di una valvola plurigriglia.
Vg3=Tensione di griglia riferita alla griglia di sopressione nel caso di una valvola plurigriglia.
Ripple=tensione di rumore residua all’uscita di un alimentatore avente la stessa frequenza di alimentazione nel caso di alimentatore ad una sola semionda o doppia nel caso di un ponte raddrizzatore.
Semionda=una delle due metà positiva o negativa di una onda sinusoidale.

Nota della redazione

E' stato molto divertente montare questo circuito, è stato molto curato in fase di progetto e la realizzazione si è rivelata "facile".
Purtroppo lo stampato ci ha costretti a rinunciare a molte modifiche che avevamo in mente.
In ultima analisi questo circuito è ottimo per un hobbista alle prime armi per fare un po' di pratica con le valvole ma non raggiunge l'obbiettivo che si prefigge ogni persona che si approccia alle valvole che è quello di fare qualcosa che non sia possibile realizzare con tecnologie diverse e meno costose (vedi transistor, mosfet e integrati).
In pratica un circuito del genere ha senso solo se progettato senza compromessi, altrimenti conviene, a parità di risultato, progettarne uno a transistor o, ancora più facile, utilizzando un integrato dei tanti fatti allo scopo.
Avrebbe avuto senso in questo caso progettare un "dual mono" e, magari utilizzare delle valvole diverse per lo stadio preamplificatore e finale.

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