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Amplificatore Valvolare Push Pull Dual Mono Xindak MS3 - Analisi dell'amplificatore

Si tratta di un amplificatore commerciale di discreta qualità, almeno visivamente. Di seguito verrà analizzato sia in configurazione pentodo con KT88 che triodo con KT120.

Indice Argomento Corrente

1) Caratteristiche dichiarate

2) Lo schema elettrico originale e modificato

3) Misura della potenza massima in uscita in configurazione pentodo

4) Misura della distorsione di fase in configurazione pentodo

5) Risposta all'onda quadra in configurazione pentodo

6) Conclusioni per la configurazione a pentodo con le KT88

7) Misura della potenza massima in uscita in configurazione triodo con KT120

8) Risposta all'onda quadra in configurazione configurazione triodo con KT120

9) Conclusioni per la configurazione a triodo con le KT120 (tung-sol)

10) Dettagli implementazione modifiche Xindak MS3

1 - Caratteristiche dichiarate Xindak MS3

Questi sono i dati dichiarati dal costruttore:

• Valvole: 1x 12AT7; 1x 12AX7, 2x KT-88, 1x 5Z3P

• Potenza: 60 Watt (THD 3%)

• THD: 0.25% (1kHz/2V)

• Risposta in Frequenza: 10Hz~30kHz

• SNR:>90dB

• Sensibilità Ingresso: 400mV/60W

• Ingressi: 1 Gruppo di RCA

• Impedenza Ingresso: 50k Ohms

• Impedenza di Uscita: 4 ohm, 8 ohm

• Assorbimento: 200W

• Peso Netto: 14Kg per singolo canale

• Dimensioni (L×P×H): 350mm×270mm×227mm (per singolo canale)

2 - Lo schema elettrico originale e modificato Xindak MS3

Quando mi è arrivato questo Xindak MS3 ho provato una delle due unità (il proprietario mi ha detto che hanno lavorato poche centinaia di ore) e mi sono reso conto che qualcosa non funzionava nel modo giusto.
La potenza in uscita era dell'ordine di qualche watt e la distorsione elevatissima.
Ho sostituito il diodo a vuoto e magicamente la potenza è aumentata arrivando a circa 30W (Diodo a vuoto esaurito).
Ancora troppo pochi.
Ho provato a mandare in ingresso un'onda quadra che notoriamente stressa l'amplificatore spingendolo al massimo della potenza e mi sono reso conto con notevole raccapriccio che una delle due KT88 non scaldava come l'altra (ho usato la termocam, si vede nell'immagine sotto), rimaneva molto più fredda facendomi pensare che il bias di quella valvola fosse troppo basso.
Insistendo con il segnale in ingresso ho notato che la valvola fredda emetteva degli intensi lampi di luce bianca.
Una lampada al neon!!
Ora ho capito, è entrato del gas all'interno della valvola e funzionava la sola valvola sana quindi la potenza in uscita era ridotta.
Ho cambiato tutte e due le finali (non si sa mai) ed ho ritarato il bias a 40mA che porta le valvole finali ad una dissipazione di potenza di circa 20W che è un po' più della metà della potenza che possono gestire.
Magia delle magie: ora la potenza in uscita arriva a 60W come dichiarato dal costruttore.

Alla fine ho deciso di ridisegnare tutto lo schema dell'amplificatore, lo schema fornito su richiesta dal costruttore era in parte palesemente sbagliato, quindi questo è frutto di una accurata ingegneria inversa.
Le tensioni che compaiono in rosso sono state rilevate dopo aver tarato il bias delle valvole finali, le KT88 a 40mA (ovviamente per valvola).

Ed ecco lo schema dell'amplificatore. I componenti sono stati misurati uno ad uno.
Ci possono essere delle piccole discrepanze dovute alla precisione degli strumenti e all'impossibilità di leggere alcuni valori che ho dovuto ricavare.

Dopo aver ricostruito lo schema dello Xindak MS3, ho verificato il funzionamento dell'amplificatore e mi sono reso conto di vari problemi:

1. Il diodo a vuoto lavora su una capacità enormemente più alta di quella massima indicata nei datasheet, motivo della sua morte prematura. Sono stati messi dei rami di bypass per limitare i picchi di corrente nel diodo a vuoto ma hanno un valore resistivo eccessivo (1,5 KOhm) e non servono a nulla. In pratica questo amplificatore è un brucia diodi, al massimo durano un centinaio di ore.

2. Non sono state utilizzate delle capacità di basso valore in parallelo ai condensatori di livellamento per migliorare il comportamento dell'alimentazione ai transienti veloci.

3. La tensione sui condensatori di livellamento dello stadio preamplificatore sono sottoposte ad una tensione proporzionale all'assorbimento di questo, se si toglie la valvola preamplificatrice dallo zoccolo le capacità saltano per sovratensione.

4. Lo stadio preamplificatore ha una amplificazione molto alta e tutto l'amplificatore ha una sensibilità di ingresso eccessiva. Al banco senza controreazione va in clipping con 160mVp (mVp=millivolt di picco) in ingresso. Occorre ridurne un po' l'amplificazione.
   

5. Lo stadio invertitore di fase lavora ad una tensione troppo bassa che limita l'elongazione del segnale in uscita. Occorre ridurre il valore del resistore di caduta che alimenta il ramo. Il valore verrà abbassato da 47K a 23,5K mettendo una resistenza in parallelo a quella esistente da 47K.
   

Sopra lo schema modificato. Si notano lo stadio di ingresso modificato, lo stabilizzatore di tensione per lo stesso e le resistenze di bypass del diodo termoionico modificate. Sono state rilevate le tensioni di polarizzazione e (in ocra) le tensioni del segnale in ingresso e amplificato dai vari stadi.

Nello specifico:

1. Ho cambiato la resistenza anodica del triodo amplificatore in ingresso, abbassandola per aumentare la corrente che passa nello stesso per abbassare il rumore e nel contempo per diminuire l'amplificazione. Per ripolarizzare correttamente lo stadio di ingresso ho modificato la resistenza catodica che serve per la polarizzazione della griglia di controllo aumentandola, in questo modo aumenta la reazione negativa in corrente e si riduce ulteriormente l'amplificazione.

2. Ho ridotto il valore del resistore di caduta che alimenta il ramo dell'invertitore di fase. Il valore è stato abbassato da 47K a 23,5K mettendo una resistenza in parallelo a quella esistente da 47K.
   

3. Ho stabilizzato con uno zener la tensione anodica del preamplificatore per avere un punto di lavoro stabile e limitare la tensione ai capi del condensatore di livellamento di questo stadio. Nel contempo ho abbassato anche la resistenza di caduta che alimenta lo zener per aumentare la corrente e permettere al diodo zener di lavorare al meglio. In parallelo alla zener per eliminare il rumore prodotto da questo è stato messo un condensatore da 100nF.

4. Abbassato le resistenze di bypass poste sull'alimentazione anodica per limitare i picchi di corrente nel diodo per allungarne la vita. L'effetto secondario è stato un aumento della tensione sui condensatori di livellamento, quindi la tensione anodica in generale di circa 30V.

5. Ho cambiato i fusibili sull'alimentazione (sul connettore) perché essendo del tipo fast all'atto dell'accensione si bruciavano per il momentaneo picco di corrente dovuto ai condensatori di livellamento scarichi. Li ho messi del tipo standard (non fast) da 2A 250V come gli originali che invece erano di tipo fast.

6. Aggiunto delle capacità poliestere in parallelo ai condensatori di filtraggio per migliorare la risposta dell'alimentatore ai transienti veloci.

7. Cambiato la configurazione da pentodo a triodo modificando il valore dei resistori posti fra anodo e griglia schermo. Le misure di seguito sono relative sia alla configurazione a pentodo che a triodo, ferme restando le altre modifiche.

8. Nella configurazione a triodo sono state cambiate le valvole finale da KT88 e KT120 ritarando il bias a 60mA per estendere il funzionamento in classe A, vista la possibile dissipazione di energia molto maggiore delle KT120 che con questo set-up dissipano 33W (il massimo ammissibile per la KT120 è 60W). Questo ha anche aumentato l'energia che l'alimentatore anodico deve fornire, tuttavia dopo un lungo test questo si è dimostrato all'altezza, senza un significativo aumento del ripple ne surriscaldamenti.

Nell'immagine sopra la variazione del punto di lavoro dello stadio di ingresso basato sulla Ecc83. Essendo i due triodi presenti nella valvola collegati in parallelo il grafico è relativo al punto di lavoro di una singola sezione e il comportamento globale è dovuto alla somma degli effetti.
La retta di carico in rosso è quella attuale, quella in blu è quella originale.
La linea verticale verde è relativa alla polarizzazione statica ricavata dai dati misurati.
L'elongazione del segnale in uscita è talmente ridotta (misurata 2,75V picco) che la distorsione è comunque bassa anche se nonostante le modifiche la valvola lavora ancora in un range non ottimale delle caratteristiche anodiche.
Tuttavia visto e considerato che l'accoppiamento con lo stadio successivo è in continua non ho ritenuto opportuno sconvolgere il funzionamento anche di questo stadio modificando sostanzialmente il punto di lavoro, spostando a sinistra la retta verticale verde riducendo la tensione di polarizzazione di griglia controllo per spostarmi sulla parte più lineare delle caratteristiche anodiche.
Questo avrebbe implicato la riprogettazione completa del secondo stadio (che misurato funziona bene) a fronte di una riduzione della distorsione armonica quasi impercettibile.

3 - Misura della potenza massima in uscita in configurazione pentodo Xindak MS3

La misura è effettuata a 1KHz con un carico fittizio da 8 Ohm.

La potenza massima in uscita è (22,7V/8)*22,7=64,4W. La potenza massima in uscita richiede un segnale in ingresso di 800mVp pari a 567mVRMS.

La distorsione armonica totale per la potenza di cui sopra è 4,7% e cala drasticamente per potenze di poco inferiori. Si nota una distribuzione della componente armonica che arriva fino alla nona armonica superiore.

4 - Misura della distorsione di fase in configurazione pentodo Xindak MS3

A 20Hz è predominante una componente di tipo capacitivo, con relativo sfasamento in anticipo dell'uscita rispetto all'ingresso. Questo in genere è dovuto ai condensatori di bypass (sulle resistenze catodiche) e di accoppiamento (in serie al segnale). In questo caso lo sfasamento fra ingresso (in blu) e uscita (in rosso) è completamente assente, quindi le capacità di accoppiamento svolgono perfettamente il loro lavoro.

A 10KHz è predominante una componente di tipo induttivo, con relativo sfasamento in ritardo dell'uscita rispetto all'ingresso. Questo è dovuto in genere all'induttanza dispersa dei trasformatori adattatori di impedenza. In questo caso la rotazione di fase è praticamente assente.

5 - Risposta all'onda quadra in configurazione pentodo Xindak MS3

Si notano delle oscillazioni smorzate in corrispondenza dei fronti di salita e discesa. Per il resto nulla di anormale. La frequenza delle oscillazioni smorzare è di circa 80 KHz, in genere la frequenza di risonanza del trasformatore adattatore di impedenza. L'entità delle oscillazioni smorzate non desta particolari preoccupazioni.

6 - Conclusioni per la configurazione a pentodo con le KT88 Xindak MS3

Questo amplificatore Xindak MS3 con poche modifiche ha raggiunto un funzionamento stabile e una lunga durata delle valvole. La potenza erogata è notevole.

In seguito analizzeremo lo stesso con la configurazione a triodo e valvole finali di potenza del tipo KT120.
Cosa possiamo aspettarci dalla configurazione a triodo?

1. Minor potenza in uscita

2. Miglior risposta all'onda quadra con eliminazione delle oscillazioni smorzate in corrispondenza dei fronti di salita e discesa, questo per l'effetto Miller unito al filtro passa basso che si viene a creare con le resistenze grid-stopper.

3. Maggiore margine di funzionamento il classe A.

4. Maggior fattore di smorzamento dovuto all'abbassamento della impedenza di uscita unito all'azione della controreazione.

7 - Misura della potenza massima in uscita in configurazione triodo con KT120 Xindak MS3

La misura è effettuata a 1KHz con un carico fittizio da 8 Ohm.

La potenza massima in uscita è (14,7V/8)*14,7=27W. La potenza massima in uscita richiede un segnale in ingresso di 600mVp pari a 425,5mVRMS.

La distorsione armonica totale per la potenza di cui sopra è 6% e cala drasticamente per potenze di poco inferiori. La generazione di armoniche superiori arriva fino alla quarta, un notevole progresso rispetto alla configurazione a pentodo.

La distorsione armonica totale per la potenza dell'80% è 1,6%. Anche in questo caso le armoniche prodotte arrivano fino alla quarta.

8 - Risposta all'onda quadra in configurazione configurazione triodo con KT120 Xindak MS3

Non si notano più delle oscillazioni smorzate in corrispondenza dei fronti di salita e discesa.
Questo per l'effetto Miller che amplifica nella configurazione a triodo la capacità fra griglia di controllo e anodo formando con la resistenza grid-stopper un filtro passa basso (in questo caso con frequenza di taglio dopo i 30KHz).
In pratica passando alla configurazione a triodo abbiamo implementato un filtro passa basso che taglia ad una frequenza comunque ampiamente ultrasonica ma inferiore alla frequenza di risonanza del trasformatore adattatore di impedenza.

Tutte le altre misure fatte per la configurazione a pentodo non sono state replicate perché i risultati sono gli stessi.

9 - Conclusioni per la configurazione a triodo con le KT120 (tung-sol) Xindak MS3

In questa configurazione l'amplificatore Xindak MS3 ha meno potenza ma secondo me va molto meglio, la distorsione si è ridotta ed è migliorato il comportamento alle alte frequenze.

Per contro è aumentata anche la potenza dissipata perché ora l'amplificatore lavora sempre in classe A e questo ha comportato l'aumento del bias delle valvole finali con conseguente aumento della potenza dissipata.

Ora la potenza dissipata è di 560x(0,06x2)=67,2W + la dissipazione per il riscaldamento delle valvole che è (6,3x1,9)x2=23,9W + quella dissipata dal diodo a vuoto per il riscaldamento 5x3=15W quindi in totale 67,2+23,9+15=106,1W a cui va sommata l'energia dissipata dalle valvole preamplificatrici. Si arriva sui 110W di potenza dissipata in calore senza segnale in ingresso che poi in questo caso (ma non nel caso della configurazione a pentodo in classe AB1) rimane pressochè uguale sotto carico.

Considerazioni varie:

1. I trimmer di taratura non sono multigiri di precisione quindi è abbastanza complicato regolare finemente il bias.

2. Tarando il bias su un ramo varia la tensione anche sull'altro (per effetto della leggera variazione della tensione anodica variando il carico) quindi la taratura deve essere fatta a step successivi ritarando più volte il bias sui due trimmer. Inoltre per effetto della carica dei condensatori di livellamento posti in uscita dei trimmer vi è un certo ritardo quando si tara il bias.

3. Nonostante le KT120 siano selezionate vi sono evidenti differenze fra una e l'altra, quindi una volta tarato il trimmer del bias è auspicabile non scambiarle o sostituirle senza ritarare il bias.

4. Ricordatevi di rodare le valvole per almeno 10 ore prima di tarare definitivamente il bias.

5. Ricordatevi di mettere in corto circuito l'ingresso prima di tarare il bias, dei segnali spuri captati da questo possono fornire delle misure errate del bias.

Una cosa che mi chiedo spesso è il perché non vengano messi in opera dei circuiti automatici di regolazione del bias con feedback, io stesso ne ho progettati alcuni che funzionano utilizzando un feedback di tipo luminoso, che sono anche abbastanza facili da mettere in opera e sicuramente precisi, correggono in automatico la polarizzazione anche a fronte di un invecchiamento delle valvole nel tempo.

Note: per le misurazioni sono stati impiegati un multimetro da banco Keithley e altri strumenti, attenzione che abbiano la tensione massima di lavoro di 800-1000Vcc altrimenti possono bruciarsi, viste le tensioni in gioco.

10 - Dettagli implementazione modifiche Xindak MS3

Preamplificatore / Driver

1. Resistore da 150K 3W

2. Resistore da 47K 3W in parallelo a quello esistente (sotto)

3. Resistore da 1K8 1/4W

4. Resistore da 82K 3W

5. Punto fra i quali va fissato il circuito di stabilizzazione con il diodo zener

Nella foto sopra il circuito di stabilizzazione messo in opera.

Alimentazione anodica

1. Resistore da 6R5 3W posto in parallelo a quello di colore verde esistente

2. Resistore da 6R5 3W posto in parallelo a quello di colore verde esistente

Passaggio alla configurazione a triodo delle valvole finali di potenza

1. Resistore da 270R 3W posto fra anodo e griglia schermo

2. Resistore da 270R 3W posto fra anodo e griglia schermo

Nella foto sopra come si presenta l'amplificatore in una vista completa dopo le modifiche.

 

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