Gli alimentatori nei circuiti valvolari

approfondimento
Gli alimentatori
nei circuiti valvolari
Davide Munaretto
L’alimentatore è talvolta
considerato un elemento
di secondaria
importanza, e spesso si
tende a trascurarne la
corretta esecuzione...
Valvole RCA 46
Philips 387
Il suo compito è quello di fornire in
uscita una tensione continua avente determinate caratteristiche, partendo da una tensione alternata applicata al suo ingresso. E’ quindi
evidente che questo stadio riveste
un’importanza vitale e concorre in
modo determinante al buono o cattivo funzionamento degli stadi di
amplificazione ad esso collegati. E’
bene perciò apprendere tutti quei
“trucchi” che fanno di un alimentatore un “Buon alimentatore”. Gli alimentatori comunemente usati negli
amplificatori sono di norma non stabilizzati, in altri termini, questo significa che la tensione in uscita di
massima diminuisce in modo proporzionale in funzione dell’aumento
del carico, con contemporanea
conseguente variazione del Ripple.
Con il termine “ripple”, si indica il
valore della tensione alternata residua che risulta sovrapposta alla
tensione continua in uscita, con carico applicato. Tale residuo è di norma piccolo rispetto alla tensione
d’uscita ed è uno dei parametri in
base ai quali si giudica la bontà di
un alimentatore. Normalmente la
sua ampiezza viene indicata come
giugno 2004
percentuale della tensione nominale d’uscita, ad esempio, se in un alimentatore la tensione d’uscita è pari a 10 V e il ripple è pari allo 0,1%,
significa che il residuo di alternata
è di 10 mV. E’ importante che il ripple sia molto contenuto, perché è
causa di enormi fastidi, ad esempio
in un amplificatore di bassa frequenza se il valore è troppo elevato, da origine ad un notevole rumore di fondo comunemente chiamato
“ronzio”. Dobbiamo precisare che
gli esempi discussi in questa sede
si riferiscono ad apparecchi alimentati con una tensione di rete pari a 230 V che come è noto ha una
frequenza di 50 Hz. Pertanto nel calcolo dei raddrizzatori a singola semionda la frequenza da considerare sarà appunto 50 Hz, mentre in
quelli a doppia semionda o onda intera, sarà di 100 Hz. In un alimentatore è poi necessario prestare particolare attenzione al tipo di trasformatore adottato, che deve essere
in grado di fornire una corrente leggermente superiore di quella di cui
ha bisogno il carico e in alcuni casi
ad esempio quando deve essere
posto in prossimità di circuiti che
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devono trattare segnali di piccolissima entità come un preamplificatore, può essere opportuno prevedere un trasformatore munito di
schermo elettrostatico.
Principio di funzionamento
Il primo circuito che andremo ad
analizzare è costituito da un trasformatore con un solo diodo a placca
singola (Figura1). Questo circuito è
detto RADDRIZZATORE A SINGOLA
SEMIONDA in quanto gestisce una
sola semionda. Dal fatto che questa
configurazione gestisca solo semionde di segno uguale deriva la
considerazione fatta riguardo alla
frequenza di ripple che sarà pari a
quella di alimentazione del primario
del nostro trasformatore. Quando si
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utilizza un diodo doppio connesso
ad un trasformatore con presa centrale, si realizza un RADDRIZZATORE AD ONDA INTERA. Dal fatto che
questa configurazione gestisca due
semionde di segno opposto in controfase deriva la considerazione
fatta riguardo la frequenza di ripple
che sarà pari al doppio di quella di
alimentazione del primario del trasformatore di alimentazione (Figura2). Questa configurazione rispetto
a quella
precedente,
presenta
una tens i o n e
d’uscita
molto più
livellata e
pertanto
un minor
ripple. Oltre ai tubi, sono
Figura 1 comunemente
usati diodi singoli e serie di quattro diodi
collegati a ponte che prende il nome
di
“ponte di
Graetz”. Si
tenga presente, che
nel raddrizzamento oltre ad avere un aumento di
tensione
finale pari
a
1,414
Figura 2 volte il valore iniziale, si hanno anche delle cadute di
tensione dovute alle resistenze interne dei dispositivi usati, e variano
a seconda se si tratta di tubi o semiconduttori a stato solido. Per
quanto riguarda i tubi, ogni tubo ha
una sua caduta caratteristica, a tigiugno 2004
tolo di esempio:
5AR4 / GZ34
5U4 / GZ37
83
5Y3
5R4
3 – 7%
8 – 16%
2 – 3%
13 – 23%
12 – 22%
Per quanto riguarda i semiconduttori, si ha per i diodi singoli una caduta di tensione pari a 0,7 V, mentre
nei raddrizzatori a ponte la caduta
è pari a 1,4 V, questi valori possono
essere suscettibili di variazioni in
funzione poi del tipo di semiconduttore adottato. Questi parametri devono essere tenuti in considerazione quando si deve scegliere il trasformatore di alimentazione, che oltre ad essere previsto per la giusta
corrente dovrà avere la tensione in
uscita calcolata tenendo conto delle varie cadute.
Il condensatore di filtro
L’elemento che svolge la funzione di
spianamento dei vari ripple, è il
condensatore normalmente di tipo
elettrolitico. Il condensatore è quindi un elemento molto importante
nella catena di raddrizzamento della tensione e deve essere scelto
con attenzione in quanto scelte
sbagliate potrebbero trasformarsi
in problemi di ripple o peggio nella
distruzione del condensatore stesso. Infatti i condensatori elettrolitici
oltre ad essere polarizzati, hanno
una loro specifica tensione di lavoro. Tale tensione deve essere rigorosamente rispettata considerando
eventuali tensioni di picco, pertanto
si dovrà scegliere il condensatore
con una tensione di lavoro superiore di almeno un 25% della tensione
di lavoro a vuoto. Per quanto riguarda la sua capacità, questa dipende
sia dalla massima corrente che dovrà erogare il circuito raddrizzatore
sia dall’ampiezza di ripple massima
che potrà essere tollerata, sia dal
tipo di raddrizzatore che si intende
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adottare, semiconduttore o valvola.
Infatti per le valvole come per i semiconduttori esistono dei valori
massimi oltre i quali si avrebbe la
distruzione della valvola stessa, dovuta all’eccessiva richiesta di corrente nel momento di carica del
condensatore. I valori delle capacità in base alla valvola, possono
essere ricavati dai data sheet delle
stesse, oggi facilmente reperibili su
internet. Il condensatore viene (nella configurazione più semplice) collegato in parallelo alla valvola come indicato in Figura3. Nella stessa
è riportato anche l’andamento della
forma d’onda con il ripple residuo.
Come già detto in precedenza l’andamento del ripple dipende sia dalla corrente richiesta dal carico, sia
dal valore della capacità adottata.
Il metodo più semplice per stabilire
il giusto valore della capacità da
adottare è quello di imporre un valore di ripple (stabilito a priori in base alle necessità), e sapendo il valore della corrente richiesta applicare la seguente formula:
Cx = K* ( I / Vrip )
dove:
Cx
I
K
Vrip
Capacità in mF
Corrente richiesta in mA
Costante della formula
che vale 4,8 per singola
semionda e 1,8 per
onda intera
Tensione massima
ammissibile del ripple
Un secondo metodo di valutazione
consiste nel calcolare il valore di
ripple in base alla capacità di valore scelto arbitrariamente, e valutare se il risultato ottenuto possa essere accettabile in base alle caratteristiche delle valvole adottate.
Il PI GRECO
Le configurazioni esposte fino a
questo momento, richiedono per
essere accettabili in campo audio
Figura 3
Urip0
B
A
delle capacità molto grandi che come abbiamo visto non sono compatibili con i raddrizzatori a vuoto. Per
tanto la configurazione che si adotta comunemente è quella denominata a pi greco come indicato in Figura4. Questa configurazione consente di ridurre notevolmente i ripple grazie alla possibilità di utilizzare più stadi nella classica configurazione di un filtro passa-basso.
Uno degli svantaggi, è però la caduta di tensione dovuta alla resistenza interna delle induttanze che
in presenza di correnti continue si
comportano di massima come delle resistenze. Il condensatore C1
sarà stabilito in base ai valori massimi consentiti dalla valvola adottata, calcolando poi il valore della
tensione di ripple ai capi del primo
condensatore come segue:
Urip0 = I / 2 Pi Fs C1
dove:
I
Corrente richiesta in Amp.
Fs Frequenza in uscita dalla
valvola
C1 Farad
giugno 2004
F
D
C
E
Per calcolare il ripple finale si utilizzano le formule indicate in Figura5,
dove L1 è l’Induttanza in H. Si consideri che il valore del ripple deve
risultare sempre molto piccolo in
rapporto alla tensione di alimentazione. Un’ altra configurazione che
spesso viene usata negli amplificatori, è costituita da un doppio filtro
a Pi Greco come illustrato in figura,
che consente di abbattere in modo
molto efficace i ripple residui. Anche in questo caso valgono le considerazioni fatte sopra, considerando che con quest’ultima si ha la
possibilità di distribuire il valore
delle capacità di filtro in modo più
uniforme contenendo i valori e le dimensioni dei singoli condensatori.
Le resistenze di scarica
Un altro particolare importante che
spesso si tende a tralasciare, sono
le resistenze di scarica dei condensatori. I condensatori elettrolitici se
non collegati a nessun carico, rimangono in tensione per lungo tempo, possono essere fonte di pericolo in caso di manutenzione soprattutto se non si è a conoscenza dello
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Figura 4
stato di carica degli stessi, e di sicuro non giovano alle valvole che
rimangono in tensione in assenza di
alimentazione di filamento. Quindi la
soluzione più comune per “scaricare “ i condensatori, sono le resistenze di scarica direttamente collegate in parallelo agli stessi, resistenze di norma del valore di qualche centinaio di Kohm.
Alimentatori per filamenti
In alcuni amplificatori di potenza
che utilizzano valvole di potenza
molto grosse come la 845 o la 211 e
nei circuiti di preamplificazione elevata come i circuiti fono, nasce talvolta la necessità di alimentare i filamenti in continua per far sì di limitare al massimo eventuali ronzii dovuti all’alternata che scorre nel filamento. In questi casi considerando
le correnti in gioco, si adottano raddrizzatori a stato solido. In alternativa, in passato furono realizzati dei
particolari diodi e doppi diodi nati
sostanzialmente per uso industriale
che potevano gestire correnti molto
elevate a scapito però delle tensioni anodiche. Questi doppi diodi generalmente erano a vapori di mercurio, proprio per migliorarne il raffreddamento. Fra questi possiamo
citare il doppio diodo 367, realizzato
dalla Philips e dalla Osram, che
trovò impiego come raddrizzatore
nei carica batterie degli anni 60.
Questo particolare doppio diodo
può sopportare tranquillamente
correnti fino a 6A, con una tensione
di lavoro di 45V. Di aspetto molto
scenografico, è particolarmente
adatto per il raddrizzamento dei filamenti delle valvole, l’unico problema oggi è la sua reperibilità, in
quanto oltre a non essere stato prodotto in un gran numero di esemplari si sono perse le tracce con l’avvento dei raddrizzatori al selenio
che ne presero prepotentemente il
posto. Altro aspetto importante, so-
prattutto quando si parla di alimentazioni per circuiti molto sensibili
come quelli dei preamplificatori fono, riguarda la stabilità della tensione di alimentazione dei filamenti.
Ecco allora entrare in gioco gli alimentatori stabilizzati. La differenza
sostanziale rispetto a quelli non stabilizzati, risiede nel fatto che quelli
stabilizzati sono in grado di mantenere costante la tensione in uscita
con qualsiasi carico, purché compreso entro i limiti stabiliti in fase di
progettazione. Le configurazioni più
comuni compatibilmente con le correnti sono quelle che prevedono
particolari integrati regolatori a tensione fissa, che sono appunto in
grado di fornire tensioni precise e
stabili. In alternativa si possono comunque adottare soluzioni più semplici come descritto sopra che fanno uso di soli condensatori che saranno necessariamente di dimensioni molto elevate in base anche
alle correnti in gioco. Faccio inoltre
presente che è disponibile il mio
nuovo sito dedicato all’audio Hi-End
dove potrete scaricare schemi, articoli e molto altro, al seguente indirizzo: http://web.tiscali.it/audiotubetechnology/.
[email protected]
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Figura 5
4
giugno 2004