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Alimentatori per Filamento in corrente continua

Indice Argomento Corrente

1) Premessa

2) Valvole con catodo a riscaldamento indiretto

3) Alimentatore minimale non stabilizzato

4) Costruire un alimentatore stabilizzato specifico per filamento

5) alimentatore stabilizzato utilizzando un alimentatore switching

6) Valvole con catodo a riscaldamento diretto

1 - Premessa

Se trascuriamo le prime valvole prodotte che erano alimentate a batteria, quindi i filamenti erano sicuramente alimentati in continua, quando si parla di alimentazione da rete elettrica, l'alimentazione in continua dei filamenti è una conquista moderna figlia dei semiconduttori che permettono il raddrizzamento di tensioni basse e alte correnti con facilità.
In linea di massima si possono alimentare in continua sia valvole con catodo a riscaldamento diretto che indiretto.

2 - Valvole con catodo a riscaldamento indiretto

Nel caso si insegua il massimo risultato e si voglia evitare di far girare una corrente alternata per non rischiare di avere ronzii specie per quello che riguarda gli stadi preamplificatori, si ricorre all'alimentazione del filamento delle valvole in corrente continua.
Questo è un espediente "moderno", infatti è possibile da quando esistono i diodi a semiconduttore, non è realizzabile con nessun altro mezzo.

In sostanza esistono due modi per ottenere questo risultato:
a) Raddrizzare la tensione di filamento del trasformatore con un ponte di diodi e un condensatore, mettendo poi in serie una resistenza per fornire la tensione di filamento esatta.
b) Costruire un alimentatore stabilizzato specifico atto allo scopo (o comprarlo già fatto).

NOTA: Ricordatevi sempre che vi è una tensione massima fra catodo e filamento (tensione per cui è garantito l'isolamento fra catodo e filamento) che non deve essere mai superata ed è sempre specificata nel datasheet della valvola.
Nel caso tale tensione ecceda il valore massimo consentito occorre alimentare il filamento con un alimentatore dedicato con un potenziale di riferimento flottante o diverso da quello di massa.

3 - Alimentatore minimale non stabilizzato

Questo tipo di alimentazione per filamento richiede delle prove sperimentali per determinare il valore della resistenza R1 da inserire in serie, implica una certa dissipazione di potenza sulla stessa, quindi la resistenza deve essere in grado di gestire la grande corrente che la attraversa e dissipare il calore che ne deriva.
Il sistema non è autoadattante e nel caso di bruciatura di un filamento di una valvola la tensione sale per tutte le altre con la possibilità di un effetto domino che porta alla bruciatura di tutte le valvole alimentate dallo stesso alimentatore per filamento.

Come per tutti gli alimentatori in corrente continua per filamenti sono presenti dei diodi a semiconduttore (necessari vista la bassa tensione gestita), un certo numero di condensatori di stabilizzazione (in questo caso C1 e C2) e in qualche caso un induttore che con i condensatori forma un filtro pigreco. L'ondulazione residua (ripple) dipende direttamente dalla capacità dei condensatori di stabilizzazione e dal valore (se presente) dell'induttanza posta in serie.

Unica precauzione, la frequenza di risonanza di L1-C1 e L1-C2 deve essere diversa dalla frequenza di rete e dai suoi multipli.
Tuttavia abbondando con la capacità dei condensatori e dell'induttanza tale frequenza sarà talmente bassa da non costituire un problema.

4 - Costruire un alimentatore stabilizzato specifico per filamento

Di seguito alcuni esempi di diversa complessità di alimentatori stabilizzati per filamento.
Con o senza feedback.

Facendo riferimento alla figura sotto:
Vi=tensione in ingresso dal rettificatore Vu=tensione di uscita per filamento a 6,3Volt.
Ponendo che Vi>Vu+5Volt (per avere un margine per pilotare il transistor)
Mettiamo di avere un trasformatore da 9Volt di secondario.
Vi=9+1,41 (dove 1,41 è radice quadrata di 2)=12,69Volt
VDz1=Vu+VbeTran.1 (dove VbeTran.1=tensione di polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore di Tran.1)=6,3+0,6=6,9
Diciamo che ci serve uno zener da 7Volt (approssimato di 0,1Volt per eccesso).
Se si tratta di un transistor darlington Vbe=1,2Volt quindi Vdz1=6,3+1,2=7,4Volt aprossimato 7,5Volt.
Ponendo che la potenza dissipata dallo zener è 0,5Watt IDz1max=0,5/7,5=66mA.
Ponendo 50mA di corrente nello zener per avere un margine R1=(Vi-VDz1)/IDz1=103,8Ω.
Il transistor deve avere un hfe molto elevato e dissipa alcuni Watt quindi deve essere montato su un'aletta di raffreddamento..

Valori reali: R1=100Ω VDz=7,5Volt C1=C3=1000microFarad C2=100nanoFarad Tran.1=Darlington BDX53c

Nel disegno sopra uno dei più semplici regolatori di tensione per filamento che è possibile costruire, pochi componenti, abbastanza affidabile, aggiungendo un condensatore in parallelo al diodo zener è possibile anche implementare un "soft start" ed accendere il filamento con una rampa di tensione di qualche secondo.
Il funzionamento è banale, i condensatori C1 e C2 costituiscono un filtro capacitivo all'uscita del rettificatore, la tensione ai capi del diodo zener decurtata della soglia di polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore del transistor ce la troviamo in uscita, mentre la massima corrente in uscita è determinata dalla corrente che passa nel ramo R1-Dz1 moltiplicata per il fattore di amplificazione in corrente del transistor (meglio se darlington perché ha una maggiore amplificazione).
Il condensatore C3 è una capacità in uscita che migliora ulteriormente il filtraggio.
Usando lo stesso circuito cambiando solo il darlington si possono pilotare correnti anche molto elevate, fermo restando che il transistor va in ogni caso montato su un'aletta di raffreddamento perché dissipa come tutti i regolatori lineari diversi watt e precisamente WTran.1=(Vi-Vu)*Ic dove Ic è la corrente di collettore del transistor.

Nell'immagine sopra un alimentatore stabilizzato con integrato per filamento a 6,3Volt. L'integrato 7805 ha il piedino 2 collegato in modo da avere una tensione di riferimento di 1,2-1,3Volt dovuta alla polarizzazione diretta dei due diodi, quindi alla sua uscita possiamo prelevare 6,2-6,3Volt. La corrente che questo integrato è in grado di erogare è circa 1 Ampere.

Nell'immagine sopra il massimo che si può avere per quello che riguarda l'alimentazione del filamento. Un alimentatore stabilizzato regolabile. Per ottenere ciò è stato impiegato l'integrato LM317. Il trimmer da 2000 Ω dovrebbe essere multigiri per avere una maggiore accuratezza nella regolazione. Questo circuito garantisce una reiezione del ripple praticamente totale. Unico limite la massima corrente erogabile, nella versione con contenitore TO3 circa 1,5 Ampere. Per incrementare tale parametro oltre questi limiti è necessario usare un transistor come buffer di corrente come nello schema sotto. In questo modo si possono tranquillamente superare i 5 Ampere a patto di raffreddare con una adeguata aletta di raffreddamento anche il transistor.

Per i più pigri c'è anche la possibilità di acquistare un alimentatore già fatto da uno dei tanti produttori di alimentatori o comprarlo in kit di montaggio.
Occorre sempre optare per uno a tensione regolabile con regolazione fine.
Non bisogna dimenticare che le caratteristiche di una valvola termoionica sono profondamente influenzate dal funzionamento del filamento che regola l'emissione di elettroni in funzione della temperatura.

5 - Costruire un alimentatore stabilizzato utilizzando un alimentatore switching

Questa è una soluzione che può facilmente risolvere il problema della stabilizzazione della tensione di alimentazione dei filamenti senza rilevanti perdite di potenza. Semplicemente partendo da una tensione continua non stabilizzata si ottiene tramite un piccolo regolatore switching una tensione stabilizzata e regolata con una notevole precisione. Questa soluzione farà rabbrividire i puristi, tuttavia da quando sul mercato ci sono regolatori switching a basso prezzo è una soluzione relativamente pratica.

6 - Alimentazione in corrente continua dei filamenti delle Valvole con catodo a riscaldamento diretto

Si tratta di valvole progettate per la maggior parte prima del 1940, i progetti successivi prevedono quasi tutti l'impiego di catodi a riscaldamento indiretto che semplificano di molto il circuito anodico e di alimentazione dei filamenti.
Nelle valvole con catodo a riscaldamento diretto non vi è una netta separazione fra il circuito anodico e quello di alimentazione del filamento-catodo, quindi occorre adottare configurazioni circuitali particolari.
In ogni caso volendolo fare l'alimentatore in continua é esattamente uguale a quello usato per le valvole a riscaldamento indiretto se non per il fatto che non ha mai un potenziale riferito a massa, ma flottante.

Alimentare in continua questo tipo di valvole complicherebbe di molto la realizzazione del circuito perchè essendo il circuito di alimentazione del filamento parte di quello anodico, sarebbe necessario un circuito raddrizzatore e stabilizzatore per ogni valvola.
Questo per evitare di mettere in contatto elettrico diretto i vari catodi.

Un altro aspetto che occorre tenere in considerazione è che il filamento facendo parte anche del circuito anodico, l'alimentazione in corrente continua renderebbe diversa la differenza di potenziale fra anodo e le due estremità del filamento.
In altre parole il catodo essendo costituito da una resistenza non è equipotenziale, questo può generare effetti indesiderati quando viene alimentato in continua come, ad esempio, che una parte del filamento per la caduta di tensione sarà più negativa di un'altra e ci sarà una disomogenea emissione di elettroni.
Di conseguenza una delle due estremità del filamento emetterebbe più elettroni dell'altra e si esaurirebbe prima.
Per maggiore chiarezza guardate il disegno sotto.

Come potete vedere l'emissione di elettroni da parte di un filamento polarizzato il continua sarà differente per i diversi punti del filamento in funzione della differente tensione risultante.
Alimentandolo in alternata il problema non sussiste.

Questo genere di valvole normalmente per semplicità viene alimentato in alternata.
Quindi partendo dal presupposto di alimentare i filamenti di una valvola a riscaldamento diretto il circuito risultante comprenderà dei secondari del trasformatore di alimentazione separati per ogni valvola.
Anche in questo caso per ridurre il ronzio si cercherà un punto di massa simmetrico rispetto alla alimentazione del filamento.