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Progetto preamplificatore per chitarra e basso elettrico con uscita bilanciata

Indice Argomento Corrente

1) Pickup chitarra elettrica e segnale in uscita

2) Caratteristiche del preamplificatore per chitarra elettrica

3) Progettazione preamplificatore per chitarra elettrica: primo stadio

4) Progettazione preamplificatore per chitarra elettrica: secondo stadio

5) Considerazioni sull'alimentazione

1 - Pickup chitarra elettrica e segnale in uscita

Il pickup di una chitarra elettrica ha molte spire, quindi ha una grande impedenza ma un grande segnale in uscita che in fase di attacco produce picchi da 1Vpp per poi decadere a valori via via più bassi con l'estinguersi dell'oscillazione della corda della chitarra.
L'uscita ovviamente varia da pickup a pickup e in funzione del setup della chitarra (corde più vicine al pickup o più lontane).
Per restare su un valore prudenziale calcoleremo il tutto per un segnale in ingresso di soli 100mVpp, in ogni caso è quasi sempre presente sulla chitarra un potenziometro per regolare il volume e abbassarlo è facile. In caso di pickup con valori di uscita molto diversi questo preamplificatore non funzionerà al meglio.

Nell'immagine di fianco il tipico andamento dell'ampiezza del segnale elettrico all'uscita di un pickup.

L'ampiezza del suono dipende dall'energia impiegata per muovere la corda e dalla distanza della corda dal pickup. Se avviciniamo la corda otterremo un segnale di ampiezza maggiore ma un minor sustain (l'ampiezza del suono si riduce più velocemente) perché la corda viene frenata dal magnete del pickup. Quindi l'ampiezza e la durata sono inversamente proporzionali. L'ampiezza del segnale in uscita dipende anche dalla collocazione del pickup e dalla sua struttura, come ad esempio il numero delle spire della bobina del pickup e l'intensità del campo magnetico.

2 - Caratteristiche del preamplificatore per chitarra elettrica

Quello che progetteremo sarà un preamplificatore basato su uno schema classico con meno componenti possibile. Non si tratta di un distorsore ma di un preamplificatore che distorce il meno possibile e che avrà una uscita bilanciata, l'ideale per entrare in un campionatore dotato di ingresso con connettore Canon per registrare o per sottoporre il suono ad elaborazione per aggiungere effetti digitali, magari con un cavo fra preamplificatore e campionatore anche lungo, quindi in grado di sopportare anche una certa capacità parassita del cavo di collegamento.
Un preamplificatore di questo tipo deve avere le seguenti caratteristiche:

Produrre meno rumore possibile, quindi occorre usare una valvola particolarmente silenziosa per avere un buon rapporto segnale/rumore.
Avere una bassa amplificazione in modo da portare il segnale da 100mVpp ad una ampiezza compatibile con l'ingresso di un amplificatore o di un mixer.
Avere possibilmente una bassa microfonicità.
Avere una banda passante da 80Hz a 12Khz che corrisponde alla risposta in frequenza della maggior parte di questi strumenti anche tenendo conto delle armoniche e dei battimenti.
Avere una relativamente bassa impedenza in uscita per renderlo interfacciabile con la maggior parte degli amplificatori e mixer.

Utilizzeremo anche in questo caso un triodo.

3 - Progettazione preamplificatore per chitarra elettrica: primo stadio

Prima di tutto occorre scegliere un triodo adatto all'amplificazione di un segnale alto che abbia una bassa amplificazione.
Fra le valvole commerciali la più comunemente utilizzata è il doppio triodo 12au7/Ecc82 caratterizzato da un coefficiente di amplificazione di 17.

Nell'immagine sopra le caratteristiche anodiche di una valvola ecc82 prese da un datasheet Philips.
Tenendo in considerazione il segnale da amplificare è inutile polarizzare la griglia oltre -5,5V (il segnale non riuscirà mai a renderla positiva).
Questo ci permette di mantenere molto alta l'impedenza di ingresso.

Ma facciamo un po' di calcoli per il primo stadio:

Nella figura sopra a destra si vede per che avere una corrente anodica di 2,5mA occorre una tensione anodica di 125V.

Tenendo conto che la stessa tensione deve cadere sulla resistenza di carico la tensione di alimentazione dovrà essere di 250V.
La resistenza Rk per produrre una caduta di tensione di 5,5V dovrà essere Vk=Ia*Rk quindi Rk=Vk/Ia=5,5/0,0025=2200 Ω (dove Vk è la tensione fra griglia di controllo e catodo, Ia è la corrente anodica, Rk è la resistenza da mettere fra catodo e massa).
Rc dovrà essere (Vcc/2)/Ia oppure Vrc/Ia=100.050 Ω=100KΩ circa, dove Vcc è la tensione di alimentazione del circuito, Vrc è la tensione che cade in regime statico sulla resistenza di carico (Rc).

Come vedete nulla di più facile.
Ma vediamo lo schema del preamplificatore.

Preamplificatore con uscita bilanciata per chitarra elettrica

Possiamo dividere lo schema nei seguenti blocchi per meglio comprendere i vincoli di progetto.

C1+R1= filtro passa alto in ingresso. Contribuisce a determinare la banda passante per quello che riguarda la frequenza di taglio inferiore e l'impedenza di ingresso. Ponendo per R1 un valore di 1MΩ, la frequenza di taglio si calcola Ft=1/(2*PI*R1*C1) dove Ft è la frequenza di taglio del filtro e PI è pigreco. C1 va calcolato in modo che la frequenza di taglio sia il più bassa possibile. Con il valore indicato 10nF la frequenza di taglio è 15,9 Hz.
R2=Rk calcolata precedentemente.
C4=Occorre che abbia una capacità abbastanza alta per stabilizzare la tensione ai capi di R2 che funge da generatore per la tensione di riferimento di griglia controllo. Vista la bassa tensione in gioco possiamo tranquillamente mettere 100uF 25V. La costante di tempo R2-C4 è data da T1=R2xC4=0,22 Secondi. Più che sufficiente tenendo conto che se la minima frequenza riproducibile fosse 20Hz il tempo fra una sinusoide e la successiva sarebbe di 1/20=0,05 Secondi.
R3=Rc anche questa calcolata in precedenza

Tutte le resistenze dissipano una potenza minore di 1/4 di Watt.

4 - Progettazione preamplificatore per chitarra elettrica: secondo stadio

Il secondo stadio è un amplificatore a guadagno unitario a doppia uscita nel quale le uscite sono sfasate di 180°, in pratica trasforma il segnale sbilanciato in bilanciato per poi essere trasferito sul cavo senza problemi di interferenze. Il suo scopo è anche abbassare l'impedenza di uscita il più possibile.

C2= condensatore di disaccoppiamento. Con R4 costituisce un filtro passa basso. La considerazione è la stessa che per C1-R1 e anche i valori.
Uno dei vincoli di progetto è che R6=(R7+R5) in modo da avere all'uscita segnali simmetrici e invertiti di fase.

Come vedete abbiamo scelto una retta di carico con una pendenza molto accentuata per avere una alta corrente anodica e quindi una bassa impedenza di uscita.
Una volta tracciata la retta di carico stando attenti a mantenersi in una zona in cui la dissipazione è ancora nei limiti con un certo margine (sotto la curva di massima dissipazione) i restanti calcoli sono relativamente facili.

R7= resistenza catodica della valvola V2 per la polarizzazione della griglia di controllo. E' calcolata per fornire una caduta di 3,8V con una corrente di 11,5mA. Quindi 3,8/0,0115=330 Ω circa.
Sulle resistenza R6+R7+R5 deve cadere una tensione di 250-170V quindi 70V. Quindi essendo R6=(R7+R5) su R6 cadrà una tensione di 70/2=35V con una corrente di 11,5mA. Quindi R6 sarà 35/0,0115=3043 Ω. Essendo R6=(R7+R5) e R7=330 Ω R5 sarà uguale a R6-R7=3043-330=2713 Ω. Come avrete notato R5 è un trimmer (multi-giro per avere una maggiore precisione in fase di taratura) allo scopo di regolare le uscite allo stesso livello per sopperire alle tolleranze dei componenti.
L'impedenza di uscita sarà più piccola di 3043 Ω essendo determinata dal parallelo di R6 e Ra+R7+R5 per un ramo ed essendo le uscite simmetriche sarà uguale anche per l'altro ramo.
C6 e C3 dovranno avere un valore tale da non tagliere le frequenze più basse della banda audio, quindi adotteremo un valore di 100nF che è abbastanza alto da non determinare tagli di frequenza anche con carichi abbastanza bassi all'uscita. tenendo conto che l'impedenza di ingresso di un convertitore ADC o di un amplificatore è in genere da 100KΩ a 1MΩ il valore è più che sufficiente. Questo componente si calcola utilizzando la formula C=1/(2xPIxRxFt) dove C è la capacità in Farad PI è pigreco R è la resistenza di carico presunta e Ft è la frequenza di taglio. Invertendo la formula possiamo data una capacità trovare la resistenza di carico minima per una data frequenza di taglio R=1/(2xPIxCxFt). Ponendo la frequenza di taglio a 80Hz (vicino alla frequenza fondamentale minima che può produrre una chitarra elettrica, e C=100nF possiamo calcolare R=1/(6,28x0,0000001x80)=19894 Ω.
Tutti i resistori sono da 1/4 di watt tranne R5 ed R6 che sono da 1W. Per eliminare il rischio di sovraccaricare il trimmer R5 è meglio scinderlo in due resistori in serie, uno fisso da 2,2KΩ e un trimmer da 1K.

Quindi riassumendo:

Componente	Valore
V1-V2	ECC82/12Au7 doppio triodo
C1	10 nF 400V
C2	10 nF 400V
C3	100 nF 400V
C4	100 uF 25V
C5	10 uF 400V
C6	100 nF 400V
R1	1 MΩ 1/4W
R2	2200 Ω 1/4W
R3	100 KΩ 1/4W
R4	1 MΩ 1/4W
R5	2713 Ω 1W (consigliato 2,2KΩ e un trimmer da 1K)
R6	3043 Ω 1W
R7	330 Ω 1/4W
R8	3571 Ω 1W
Vcc	300V

5 - Considerazioni sull'alimentazione

Come avrete notato dallo schema del preamplificatore la tensione a cui è alimentato è 300Vcc, per abbassarla a 250Vcc dovremo produrre su R8 una caduta di 50V. Essendo la corrente che passa in tale resistore la somma di quelle dei due stadi sarà quindi 11,5mA+2,5mA=14mA. Quindi R8=50/0,014=3571Ω. Il condensatore C5 dovrebbe essere elettrolitico e di capacità sufficiente per stabilizzare la tensione, quindi diciamo 10-22uF (400V).